液化天然气空温式气化器传热过程的数值分析

中国市政工程华北设计研究总院 张书堂

同济大学热能与环境工程研究所 张 洁

液化天然气空温式气化器传热过程的数值分析

中国市政工程华北设计研究总院 张书堂

同济大学热能与环境工程研究所 张 洁

选取常见的五种不同尺寸的翅片管，运用数值模拟的研究方法，模拟空温式气化器单根翅片管的温度场和计算不同尺寸结构的单根翅片管的换热量，分析了影响翅片管换热量、占地面积和重量的主要尺寸因素，并提出了空温式气化器的优化方案。

LNG 空温式气化器 数值模拟 换热

0 概述

随着经济的持续稳步增长，我国对天然气的需求量不断增大，然而，我国“富煤、缺油、少气”的能源现状以及天然气分布与需求地区不匹配现状，使得我国需要进行大规模的天然气输运与储存。天然气的主要成分是甲烷，其临界温度为190.85 K，在常温下无法仅靠加压就将其液化。目前的做法是在常压下将其降温到111 K液化，即为液化天然气(LNG)，天然气液化后体积缩小到原来的1/625，体积能量密度为汽油的72%，十分有利于储存和运输。液化天然气供给用户之前必须要气化，因而液化天然气气化站中的气化器成为这个系统中不可或缺的一部分。气化器主要有四种类型：开架式气化器、空温式气化器、浸没燃烧型气化器以及中间传热介质型气化器。其中，空温式气化器与其他几种气化器相比较具有耗能低、无污染、低排放等优点，所以空温式气化器以其节能环保的优势被大力提倡。但是，空温式气化器存在设备庞大，造价高等缺点，我国自主设计的空温式气化器缺乏自主创新和优化设计，多数是依据现有的经验进行制造和设计，缺乏理论基础。

本文针对不同尺寸的空温式气化器，对单根翅片管的温度场及换热量进行模拟，分析比较翅片的高度、厚度和数量对换热量、占地面积、重量及造价的影响，并提出优化建议，为以后研究空温式气化器提供一种指导方法。

1 空温式气化器的工作原理及计算模型

1.1 空温式气化器的工作原理

空温式气化器是一种星形翅片管结构，目前主要有4翅片结构、8翅片结构和12翅片结构，由于铸造工艺水平的限制，国内多为8翅片以下结构，图1、图2所示为8翅片结构翅片管的外形他和横截面。

图1 8星形翅片管的外形

图2 8星形翅片管的横截面

液态天然气由翅片管下方进入，上方出来。进入气化器后的液体被加热，压力高、沸点低的组分受热后先被气化。但是，由于液体混合物会断断续续和内壁面接触，液体会被气泡破裂时的气沫所气化，从而导致整个组分都会被气化，被气化的气体会继续在管内被加热至263 K左右后由翅片管的上方流出，供给用户端。2-80-8表示此规格翅片管；

(5)12翅片结构，翅片高60 mm，翅片厚2 mm，管内径10 mm，管壁厚2 mm，管长14 m，下文用2-60-12表示此规格翅片管。

2 空温式气化器三维模型的建立

1.2 空温式气化器的工作原理

由于LNG在空温式气化器中的换热情况特别复杂，其换热的方式包含热传导、热对流、热辐射三种换热方式。如果将所有因素都考虑在内，模拟换热的过程基本是不可能求解的。因此，为计算方便，只能按照影响程度的大小，从换热器结构和换热特点着手，对模型进行相应的简化，已达到能够对其进行数值模拟计算的目的，从而对翅片管进行优化。现对换热模型进行简化如下：

(1)管壁温度与轴向成分段线性关系，管内壁温度已知，内壁视为第一类换热边界条件；

(2)管外空气侧按大空间自然对流换热模型处理；

(3)由于空温式气化器工作时间比较长，故可认为换热过程为稳态过程；

(4)认为在气化器运行中压力恒定；

(5)空气视为干空气，外壁无结霜现象；

(6)管流近似为一维模型；

(7)忽略管壁的轴向导热。

本文研究了5种尺寸结构的星形翅片管，分别为：

(1)8翅片结构，翅片高45 mm，翅片厚2 mm，管内径10 mm，管壁厚2 mm，管长14 m，下文用2-45-8表示此规格翅片管；

(2)8翅片结构，翅片高60 mm，翅片厚2 mm，管内径10 mm，管壁厚2 mm，管长14 m，下文用2-60-8表示此规格翅片管；

(3)8翅片结构，翅片高60 mm，翅片厚3 mm，管内径10 mm，管壁厚2 mm，管长14 m，下文用3-60-8表示此规格翅片管；

(4)8翅片结构，翅片高80 mm，翅片厚2 mm，管内径10 mm，管壁厚2 mm，管长14 m，下文用

2.1 GAMBIT建模

由于翅片管长度为14 m，长径比太长，如果将整根翅片管都用GAMBIT画出并划分网格(本文采用结构化网格)，网格数会过大，所以采用分段计算的方法，每段长度定为1 m。利用对称的特点，取周向的1/n作图(其中n为每根翅片管的翅片数)。在GAMBIT中建立的模型及生成网格后的图形如图3所示。

图3 翅片管

2.2 边界条件

(1)翅片管内壁为第一类边界条件，编写并调用UDF函数定义内壁面温度，给定分段线性温度分布如图4所示；

图4 管壁与流体温度随翅片管轴向分布

(2)空气侧顶部为速度入口边界；(3)空气侧底部为压力出口边界；(4)内壁面设为固体壁面边界。

2.3 求解器设置

本文对LNG空温式气化器翅片管进行稳态数值模拟，压力速度耦合采用方法为SIMPLE算法，控制方程离散格式为二阶迎风格式，压力插值采用PRESTO！，流动模型为贴壁面层流，辐射模型采用P1模型，在FLUENT求解器中添加用户自定义函数(UDF)来描述内壁面温度分布，计算过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律。

对LNG在单根翅片管换热过程进行数值模拟，得到以下结果：

3.1 温度场分布

常温空气经翅片管空气侧顶部和侧面进入，由空气侧下部流出。温度场分布如图6、图7所示。

图5为2-45-8液相段XOY截面处温度分布云图：

图5 2-45-8液相段XOY截面温度分布

由图5可见，由翅片管内壁至外侧空气区域温度依次升高，靠近外壁面处空气平均温度约250 K，距离翅片越远，空气温度越高，这是由于空气自然对流作用，热量由空气传给外壁面，再经导热传给内壁面。

图6为2-45-8液相段Z轴方向温度分布云图：

图6 2-45-8液相段YOZ截面温度分布

由图6可见，翅片由上向下温度逐渐升高，这是由于翅片管内侧天然气在流动的同时被加热，内壁面温度升高。

3.2 换热量分析

3.2.1 不同规格翅片管的换热量

表1 单根翅片管换热量

(1)比较2-45-8、2-60-8、2-80-8三种规格翅片管，在其它条件不变的情况下，翅片高度越大，换热量越大，但单位占地面积换热量，单位质量气化器换热量先增大后降低，翅片效率将降低。

(2)比较2-60-8、3-60-8两种规格翅片管，其它条件不变的情况下，翅片厚度增加，换热量略有增加，单位占地面积换热量也略有增加，但单位质量气化器换热量降低程度较大，气化器的质量大大增加，气化器笨重，生产成本增高，所以在工艺允许情况下，翅片越薄越好。

(3)比较2-60-8、2-60-12两种规格翅片管，其它条件不变的情况下，翅片数在可接受范围内增加，换热量增加较大，单位占地面积换热量增加较大，单位质量翅片管换热量降低，但降低幅度不大，所以为增大换热量，增加翅片数是一个很好的办法，但翅片数量增加，生产成本增加，加工困难度增大，而且翅片数量增加容易使壁面结霜，不适用于空气湿度较大地区。

3.2.2 内壁面温度对换热量的影响

在进行三维建模时做过一个假设，认为内壁面温度变化如图4所示。图4所示的温度是针对某一具体尺寸的气化器通过matlab编程得来。而对于不同尺寸的换热器，其内壁面温度是略有不同的，本文研究的换热量全部是在此内壁面温度分布的基础上得来的，与真实值之间略有差别。下面将对内壁面温度调高5 K，再次通过Fluent模拟计算换热量的大小，通过对比研究内壁面温度的偏差对换热量造成的影响。

变换内壁面温度前后各种规格翅片管换热量模拟计算结果对比如表2所示，

表2 变壁温前后换热量对比

壁温变化对换热量的影响分析：

(1)当壁温变化量相同时，随着翅片管换热量的增加，壁温变化对其影响程度增大。

(2)如果壁温降低5 K，内外温差减小，5种规格翅片管中2-60-12换热量降低最多，为4.76%，影响程度较小。由此可知，模拟出的数值符合理论，温度变化不大，对比较各种规格气化器的换热性能影响极小，所以以上基于一个尺寸对应的内壁温所模拟出的结果能够作为优化翅片管的依据。

4 结语

本文通过对五种不同尺寸空温式气化器翅片管的分段数值模拟，得出每种尺寸翅片管温度场的分布以及它们的换热量。由换热量的大小比较，单位占地面积换热量的比较，单位质量气化器换热量的比较，分析不同的影响因素，如翅片厚度、翅片高度以及翅片数是如何影响气化量的大小及生产成本与占地面积的。

由表1可清晰地看出五种尺寸的翅片管的换热量，换热量由大到小的顺序分别为：2-60-12、2-80-8、3-60-8、2-60-8和2-45-8。由此可得翅片高度越大，厚度越大，每根翅片管翅片数越多，气化量会越大。其中，翅片数量对换热量的影响最大，但是翅片数量会受铸造工艺、空气湿度的限制。翅片高度越大，换热量越大，但单位占地面积换热量，单位质量气化器换热量是先增大后降低，翅片效率将降低，对于不同长度的翅片管，翅片高度均有一个最优值，且这个最优值可通过本文使用的FLUENT数值模拟方法给出。翅片厚度，对于换热量的影响不大，增加翅片厚度换热量增加量很小，单位占地面积换热量略有增加，但单位质量气化器换热量降低程度很大，总质量增加较大，气化器笨重，生产成本增高，所以在工艺允许情况下，翅片不宜太厚。

Numerical Analysis of Heat Transfer Process in LNG Ambient Air Vaporizer

North China Municipal Engineering Design & Research Institute Zhang Shutang
Thermal Energy and Environmental Engineering Institute Tongji University Zhang Jie

By selecting five common different sizes of finned tubes and using the research method of numerical simulation to simulate the temperature field of single finned tube, calculate single structure of different sizes finned tube heat exchange and analyze the main factors of size affecting the heat transfer, floor area and weight, the optimization scheme of ambient air vaporizer is proposed,

LNG, ambient air vaporizer, numerical simulation, heat transfer