超臨界壓力下空溫式氣化器傳熱特性分析

李思萌

(西安石油大學,陜西 西安 710065)

隨著我國對天然氣的需求量越來越大,西氣東輸、陜京線等幾條重點輸氣線路已經開通,但仍有一定的局限性,無法完全解決天然氣的供需問題,因此,引進國外LNG,已經成為當前中國緩解LNG短缺的一種有效途徑。目前LNG的進口大都是依靠水路LNG運輸船完成的,因此,在沿海,建設一個接收站顯得尤為重要。這些接收站的結構主要由氣化設備、輸氣干線和站內管網組成,而目前,市面上普遍使用的氣化設備可以分為開架式、浸沒燃燒式、空溫式氣化器等[1]。

1 空溫式氣化器簡介

LNG是一種在-162 ℃條件下,經脫酸脫氫后用天然氣進行低溫凍結、液化而得到的一種液態燃料。液化天然氣中蘊含著大量的能量,在不使用燃料的情況下,可以發揮出最大的作用,也不會對環境造成二次污染。LNG作為一種更加安全和清潔的能源,受到國際社會的廣泛關注。就周圍的條件來說,低溫的冷源是有能量輸出的,而且隨著溫度的降低,冷源的能量輸出也會增加。一般情況下,LNG 的做功性能是由有效能量來表達的,當液化天然氣從-162 ℃至室溫時,有效能量為 1 050 kJ/kg, 也就是1 kg LNG 最多可以向外部輸出1 050 kJ,大約是整個制冷系統的67%。在此基礎上,我們可以將LNG中的低溫能量轉化為電能。

目前,利用 LNG 冷能的主要方式有:分高空氣[2],海水淡化[3],液化CO2[4],冷能發電等[5-6]。在這些里面冷能發電比較成熟,冷能發電的方法可以分為:直接膨脹法,聯合法,有機朗肯循環,燃氣輪機利用以及溫差發電。在這些方式里,溫差發電除外,其他方式都屬于動力循環發電。雖然發電效率相對較高,但系統復雜,初期投資較高,應用范圍僅在相對較大的地方使用,具有一定的局限性。

本文通過采用空溫式氣化器,我們可以有效地將石油氣(LPG)和天然氣(LNG)進行氣化,這種技術具有低成本、高效率、低污染等優點?？諟厥綒饣魇怯蓭讉€大小相同的豎直星型翅片管排列組合組成的,目前,這種設備常用的材質為鋁合金,在操作過程中,LNG從翅片管進入,并向頂部流動,環境空氣與管壁發生自然對流,熱量將會傳遞到管內,LNG受熱氣化。沿流動方向,翅片管可分為蒸發段和過熱段。LNG在氣化過程中,AAV管溫突降,隨著時間的增加,周圍空氣中的水蒸氣會在管壁凝結成霜[2]。許多站點一般會配有多個備用的氣化器,從而在除霜過程中不影響LNG的氣化效率。通常會在流體出口位置處安裝一個水浴加熱器,對天然氣進行加熱處理,從而讓流體出口溫度達到輸出溫度要求。

空溫式氣化器以空氣作為熱源,因此氣化器在使用時,并不需要考慮地域要素的影響,所以運作成本偏低,同時,在一定程度上減少對周圍環境的污染,并避免出現大量的廢物排放。由于其結構簡單,占地面積小,操作靈活等優勢,因此在維護后,對比其他空化器而言更為簡單,在沿海地區調峰站、LNG 加氣站內有著廣泛的應用[3]。然而,由于受到環境條件的影響,這種產品的傳熱性能仍然存在一定的問題,特別是當環境溫度降低、濕度增高時,翅片管外的結霜更為容易,同時會伴隨著傳熱惡化問題,不僅如此,氣化器工作效率也會因為季節的不同發生變動。

空溫式氣化器在國內的發展時間較短,主要面向浙江和廣東地方。因為空溫式氣化器與環境要素有直接關聯,起初主要出現在南方氣溫較高地區,這些年來在全國范圍中廣泛推廣,在東北嚴寒區域也逐漸被應用[4]。

韓國研究人員Lee[5]引入了吸收系數的具體定義,將吸收系數與飽和空氣中的水蒸氣密度聯系了起來,構建了冷表面水蒸氣凝結的數值模型,它能夠很好的模擬結霜的情況。巴西研究人員 Hermes假定霜層為一種多孔介質,并參照結合質能平衡方程構建了結霜數值模型,分析了不同運行參數對霜層物性的影響。意大利研究人員 Fossa實驗研究了豎直冷板的自然對流結霜發生,數據表明,隨著時間增加,結霜嚴重,隨著濕度的增加,結霜惡化,但冷表面溫度對結霜影響較小。美國研究學者Gavelli借助 CFD 特定方法預測 AAV 作用下霧云的生成、散布和完全消失,在確定達到流量空氣飽和時應當需要什么條件使用了適度計量方法。澳大利亞研究人員Sun等相關人員建立了超臨界壓力下 AAV 傳熱模型,研究了超臨界壓力下AAV的傳熱特性:Hyo-Min Jeong 等研究是借助 ICEM-CFD 工具軟件形成三維圖形網格劃分,借助STAR-CD 進行三維模型計算,與實驗數據對比分析了 AAV 管外霜層受管內溫度、翅片管結構參數的影響,換熱器采取使用特定的數值模擬方法并相互比較:MarcoFossa實驗研究了豎直冷板結霜實驗,并于數值模型計算結果分析;Miler研究了熱泵運行情況下露天場合下翅片管的結箱情況,在這種情況下結霜的主要因素是環境溫度和空氣的濕度,高濕度情況下,結霜更嚴重:O'Neal研究了星型翅片管的結霜情況,改變了周圍環境的空氣參數以及翅片管之間角度去對比分析結霜規律,結果發現,霜層受空氣參數和翅片管之間間距影響巨大;Senshu提出了一種預測不同工況下霜層生長速度的數據分析方法。他的研究結果表明,冷卻系統的溫度越低,霜層增長得越快;Ameen研究了平行板翅片的結霜,提出了一種具體的方法來預測不同工況下的過熱蒸汽下各種不同翅片管水蒸氣冷凝的具體情況,研究內容發現降低制冷系統的環境溫度和氣流流速會使結霜惡化:Christian J.L Hermes等相關研究人員從理論和實驗兩方面對平板表面的結霜和致密化進行了研究,假設霜層結構為多孔的介質,研究了影響結霜過程的主要因素。

2 超臨界壓力下空溫式氣化器傳熱特性研究

2.1 換熱機理

盡管 AAV 是一種由多根翅片管組合而成(如圖1所示),但其內部的換熱過程十分復雜。本章研究 AAV 的進口位于翅片管下側,出口位于翅片管上側,當其開始工作時,冷凝液由下側進入氣化器,并在其流道中逐步吸收并氣化,最后由其排出。LNG 被氣化器氣化所需要的熱量主要來自于周圍環境中的空氣。當 AAV 表面發生結霜時,由于其表面結霜,形成了一種類似于隔熱膜的結構,影響了熱量的傳遞,降低流體與周圍空氣的換熱效率。AAV 結霜之后,周圍的空氣要把熱傳遞到翅片管中的流體,需要經過三種途徑,即:與霜層的對流換熱和霜層的導熱、翅片管的管壁的導熱、翅片管與流體的對流換熱。LNG 在管道中將通過冷區、沸騰區、液膜強迫對流蒸發區、缺液區,最后由水蒸氣的流動換熱而排出,其相轉變與流體形態密切相關,隨著流體受熱,管道中的氣相比重會逐步增加,而液相比重會逐步降低,從而出現流體形態的變化。

圖1 翅片管結構示意圖

2.2 模型建立

由于其滿足能量守恒規律,而在工程實踐中,由于受到多種因素的干擾,其傳遞過程更加復雜。若適當地加以考量,則將提高其數學模型的困難程度。所以,可以對這些小的變量進行適當的簡化或者忽視,并做如下假定:

(1)在計算模型時,將翅片管沿LNG流動方向分成若干個相等的微元段,各個微元段的任意時間中,霜層物性參數在厚度方向均保持均勻的分布狀態;(2)翅片管軸向長度遠大于徑向長度,因此管外霜層生長視為一維;(3)霜層的生長是一個動態的,但在微元時間內可以視為穩定狀態;(4)周圍大氣的溫度保持不變;(5)翅片管上的空氣流動看作是自然對流的傳熱過程;(6)操作過程中保持穩定的壓力;(7)不考慮接觸熱阻效應;(8)不考慮PN結之間的間歇;

在結霜狀態下,翅片管管外能量主要包括空氣與霜層間的自然對流換熱,水蒸氣的氣化潛熱以及周圍空氣和霜層表面間的輻射換熱。根據準穩態假設,建立了結霜條件下各個時間間隔內傳熱微元段的能量平衡方程如下:

在其結霜處理后,翅片管微元段和空氣的真實傳熱面積擴大為:

霜層傳質速率:

由于超臨界壓力影響,在不同溫度的作用下,熱物性參數有顯著的變動。

其中:

管內對流換熱系數:

在上述公式中:

Af—翅片管外表面積;Ta—空氣溫度(K);Tf—霜層表面溫度;sv—水蒸氣的氣固相變焓;ε—霜層輻射常數;—翅片管外表面溫度(K);Twi—翅片管內表面溫度(K);λ—導熱系數,W/( m ·K);l—微元段長度(m);n—翅片個數;y—翅片高度(m);dout—翅片管外徑;din—翅片管內徑,λAl—鋁合金導熱系數,W/(m ·K),yfr—結霜翅片高(m);dfr—結霜翅片管外徑,hm—表面傳質速率(m/s);ρva—空氣水蒸氣密度(kg/m3) ;ρvf—霜表面水蒸氣密度,Nu—努塞爾特數;Reb—管內LNG雷諾數;Prb—管內流體普朗特數;ρw—內流體密度 ;ρb—管內流體密度,Tb—流體的溫度;Tw—管子內壁面溫度;Tpc—流體的臨界溫度;hf—管內換熱系數。

2.3 計算流程

采用FORTRAN軟件對整個運行過程進行模擬 ,其操作流程如下所示:

(1)分別輸入環境參數、運行參數、翅片管結構參數、PN結參數。

(2)決定時間和長度步長以及迭代次數。

(3)在t時間點,先假定 AAV 外壁溫度TAl,o,從而得出了 假定霜層表面溫度Tfs,通過二分法進行迭代得出了實際的Tfs,從而計算出其他實際霜層物性參數以及外層各壁面溫度,之后假定 PN結冷端溫度TL,進而得到 PN結各參數以及熱端能量QH, 再通過二分法進行迭代得出了實際的TL,從而計算出實際PN結各參數以及冷端能量QL;并依次計算出內層各壁面溫度。然后通過 REFPROP 物理特性軟件中的NIST 程序,通過焓值的方法計算出液體的溫度Tf和管道中熱流密度Q3,來判定是否符合精度要求,若Q3、QL,符合精度條件,就繼續進行下一個微單元的運算。若不符合精度的條件,若Q3大于QL,那么TAl,o=TAl,o+0.000 01,反之TAl,o=TAl,o-0.000 01,這樣反復進行以上的運算,直到管道長度的迭代完成。

(5)通過對時間步長進行反復求解,得到了某一時段的空溫式氣化器的總體熱電參數。

(6)輸出各熱電性能參數。

2.4 邊界條件設置

計算所采用的參數如表1所示。

表1 結構參數

3 結果與分析

3.1 管內流體溫度

隨著管長的增加,管內流體溫度持續增加,在氣液共存段,管內流體溫度增長較為緩慢,在單相液段,管內流體溫度增加且增加速率較大,在單相氣段,管內流體溫度先增加較快,之后增加較為緩慢。隨著時間的增加,管中不同位置的LNG流體溫度保持穩定,而管內流體溫度將根據管長持續增加,最后在出口位置趨于穩定。

3.2 管外壁面溫度

翅片管外壁面溫度沿管長分布規律和管內流體溫度基本一致,反觀氣液兩相區外壁面溫度會出現一個突降點,主要是因為壁面溫度273.15 K,滿足不結霜的情況,并且在臨近出口端外壁溫有所減少,導致管內外能量平衡后又出現新的增長。隨著運行時間的增加,流體溫度和管外壁面溫度不斷降低,這是由于霜層的生長導致了傳熱的惡化。

3.3 霜層厚度

隨著管長的增加,霜層厚度不斷降低,在單相液段,下降速率較為緩慢,在氣液共存段,逐漸趨于穩定,主要是兩相區換熱為蒸發沸騰換熱,管內外溫差減小導致具有較高的換熱系數,從單相氣段看,霜層厚度將降低至0 mm,主要是因為管外壁面溫度和環境溫度基本一致,能持續降低結霜速率。霜層大都覆蓋在單相液段和氣液兩相段,單相氣段只有少部分霜層覆蓋,隨著時間的增加,霜層變得越來越厚,導致傳熱受到嚴重阻礙,因此需要及時對翅片管除霜以提高氣化器的換熱效果。

3.4 霜層表面溫度

當管道長度增加,霜層的表面溫度持續升高,但其升溫速度在0～7 m距離內比較緩慢,然而,超過7 m后,溫度的上升速度顯著提升,這使得結霜逐漸穩定。隨著運行時長的增長,霜層表面溫度的上升速度持續下滑,與此同時,管道長度內霜層所占比例也在增大。通過時間維度分析,我們可以看到,盡管運行時長不斷延長,霜層表面溫度仍在上升,但不同時間節點之間的溫度差距在逐步降低。

3.5 霜層密度

隨著管長的增加,霜層密度在持續提升,并且在0～9 m 中其增長速率較為緩慢,如果大于9 m,則增長速率相對提升,這是因為9 m之前霜層主要進行厚度的增長,其次進行密度增長,而當管長超過9 m 時,霜層主要進行密度的增長,其次進行厚度的增長。隨著時間的增加,霜層的密度在不斷地增加。

3.6 管內外對流換熱系數

在單相液段和氣液共存段,管外對流換熱系數在持續增加,并且增長速率相對較低,主要是因為結霜比較嚴重,使得管外換熱系數較小,但在單相氣段,當霜層逐漸消失后,霜層表面粗糙度也會持續減少,進而使管外換熱系數突降,不結霜時的換熱系數與結霜時換熱系數相比更低,但趨勢都大致相同。單相液段和單相氣段,管內換熱系數和氣液兩相區相比,明顯很小,這是由于在該區域LNG的熱物性發生劇烈變化,導致傳熱強化,并且出現峰值,隨著時間的增加,管內換熱系數的峰值逐漸增加,但峰值位置逐漸后移,這是由于霜層的影響。