过冷中间流体气化器换热过程实验

纪馨，陈双双，宋阳，林文胜

（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240）

引 言

中间流体气化器 （intermediate fluid vaporizer，IFV）是 FSRU［1］（floating storage re－gasification unit）再气化模块中经常使用的一种气化器。现有的IFV［2］通常由3个单元组成：蒸发器、冷凝器和调温器，一般采用丙烷为中间流体。

丙烷的相变换热流程有效利用了丙烷的相变潜热，减少了丙烷的储存量和循环量。但由于气态丙烷的比容远大于液态，因此，虽然这种流程的丙烷循环量较小，但换热器的整体体积仍然较大。根据FSRU特点，其系泊在海上，船体空间有限，为了探讨减小换热器体积的可能性，使系统尽可能安全，提出了过冷丙烷换热流程［3］，其换热流程如图1所示。

图1 过冷中间流体换热流程Fig.1 Heat transfer process of super cooled liquid

在E－100换热器中，丙烷提供足够的热量，LNG被液态丙烷加热至常温后输出。丙烷与LNG换热后温度降低，随后经过泵P－101输送至E－101换热器，被海水加热至常温后，回到E－100，完成丙烷的循环。丙烷在整个循环中均在一定压力下工作，从而维持在过冷的液体状态。

以过冷中间流体换热器的理论计算为基础，对该换热过程进行实验研究，研究换热流程中流体的换热特性，及结合实际FSRU运行背景讨论对该换热过程的影响因素。考虑到LNG－IFV在海上工作，海面晃动会造成设备倾斜，本文进行了静态条件下倾斜角度对换热过程影响的实验研究；研究了海水质量流量对换热过程的影响；考虑到海水温度随地理位置和季节变化的不同，研究了海水入口温度对换热过程的影响。

1 实验装置

1.1 实验系统

对丙烷作为制冷剂的换热特性已经开展了较多研究［4－10］，虽然这些研究基本上都是考察蒸发或冷凝的相变传热过程的，很少涉及到无相变传热特性。参考现有文献，设计了本文过冷中间流体换热过程实验装置。

从安全角度出发，本实验系统中用液氮代替LNG作为冷源，实验系统如图2所示，丙烷由丙烷泵8从储罐9中抽出后流经流量计5后进入换热段6，吸收水的热量，由于其压力较高，丙烷吸收热量后不会发生蒸发相变过程，其仍然为液态，换热后温度较高的丙烷流入换热段4与液氮进行换热，丙烷热量被液氮吸收，其温度降低，经流量调节阀后流入丙烷储罐9中完成其循环回路。

水经过冷水机组15进行温度调控，经过流量计10后流入换热段6与丙烷换热，将其热量传递给丙烷后流入冷水机组，完成其循环回路。

液氮由储罐1经过阀2调节流量后进入换热段4，吸收丙烷的热量，降低丙烷温度，换热后直接排空。

结合FSRU海上运行背景，必须考虑到海平面的晃动对换热的影响，故研究在静态条件下，不同倾斜角度0°、5°、10°下的换热特性。

图2 实验装置Fig.2 Diagram of experimental set up

1.2 实验原理

过冷丙烷换热流程实验中，将重点研究丙烷／水换热段换热特性，丙烷／水换热段的示意图如图3所示。

图3 换热段示意图Fig.3 Diagram of heat transfer process

丙烷与水为逆流换热，前后端分别留有430 mm作为充分混合流动段，换热测试段每段为228 mm，则每一段的换热量由式 （1）和式 （2）求解

第i段换热段的水与内壁面的局部传热系数的求解按照式 （3）～式 （5）求解

整个换热段内水与内壁面的平均传热系数hw，avg由式 （6）求解所得

对于丙烷侧传热系数的求解原理与求解水侧传热系数一致，按照式 （7）～式 （9）求解

对于整个换热过程中的总传热系数Kavg由式（10）求解

2 实验结果及分析

2.1 流体换热特性

圆管内水的换热关联式的研究较为成熟，实验中将对壳程丙烷侧换热特性进行研究，通过整理实验数据得到丙烷侧传热系数，将该实验值与Dittus－Boelter、Sieder－Tate、Miheev公式［11］和文献 ［12］推荐的适用于管壳式换热器的关联式进行对比。

2.1.1 水平换热段的换热特性 结合实际FSRU冬天的运行背景，海水的水温较低，故实验中入口水温设置为7℃，在不同的丙烷流速下进行实验，其Nusselt数与Reynolds数的关系曲线如图4所示，并将实验值与各个经验换热关联式进行对比。

从图中可见，D－B、S－T、Miheev、适用于管壳式换热器的关联式计算值曲线随着流速的增加均线性增长，实验数值曲线也几乎随着流速的增加而线性增加，这是由于在整个换热过程中，为了维持丙烷一直处于过冷液体，则丙烷的压力较高，根据其物性，在不同的温度下，其热力参数几乎不变化。

图4 丙烷侧换热实验值与经验公式值对比Fig.4 Comparison between experimental data and empirical formula calculations

实验值与D－B、S－T、Miheev换热关联式之间的误差较大，在高流速时相对误差更大。原因为丙烷侧的换热为壳程的换热，其特征长度不是管内径，而D－B、S－T、Miheev方程均适用于管内流体的换热，其特征长度即为管内径，故前文中的换热器理论计算不能使用这3种经验关联式。

实验值与管壳式换热器计算值之间的误差较小，而且随着流速的增大反而减小，在低流速时相对误差也在容许的误差范围之内，故前文中的换热器理论计算应采用该关联式进行计算。

2.1.2 倾斜角度下换热特性 在倾斜角度θ＝10°时，进行丙烷流动速度变化实验，丙烷侧Nusselt数与Reynolds数的关系曲线如图5所示，并将实验值与各个经验换热关联式进行对比。

从图中可见，D－B、S－T、Miheev方程计算值随着流速的增加而线性增长。实验值曲线几乎平行于适用于管壳式换热器的换热关联式曲线，与其相对误差最小，而在θ＝0°实验工况下，实验值与管壳式关联式计算值曲线相互交叉几乎重合。

在θ＝10°时，实验值与各个关联式之间的相对误差均有所增大，而且随着流速的增大而增大，在小流动速度下与Miheev方程之间的相对误差最小，而在θ＝0°实验工况下，实验值与管壳式关联式之间的误差最小，与各个关联式计算值之间的相对误差较小。

图5 丙烷侧换热实验值与经验公式值对比Fig.5 Comparison between experimental data and empirical formula calculations

2.2 过冷中间流体换热过程的影响因素

2.2.1 倾斜角度对换热的影响 在Tw＝7℃、uw＝2.8m·s－1、up＝2.2m·s－1时，不同倾斜角度0°、5°、10°下，水侧Nusselt数沿着管长方向的变化规律如图6所示。

图6 不同倾斜角度下水侧Nusselt数沿着管长的变化Fig.6 Water’s local Nuunder differentθ

从图中可以看出，当倾斜角度从0°增加到5°时，传热系数略微增大，但增大幅度不大，当倾斜角度从5°增加到10°时，传热系数几乎没有发生改变，两条曲线几乎重合。

相同实验工况下，图7为丙烷侧Nusselt数沿着管长方向的变化规律。

图中可以看出，随着倾斜角度的增大，丙烷侧的传热系数有所增加，从0°增加到5°时，传热系数的增幅较大，在5°到10°时增加的幅度减小。相对于水侧换热情况，丙烷侧传热系数随着倾斜角度的变大其增加幅度较大，说明倾斜对丙烷侧的换热影响较大。

图7 不同倾斜角度下丙烷侧Nusselt数沿着管长的变化Fig.7 Propane’s local Nuunder differentθ

2.2.2 水流动速度对换热的影响 整个过冷中间流体换热流程中，海水作为热源，提供中间流体热量，中间流体再将这部分热量传递给LNG，而每天处理的LNG气化量不一样，则换热流程中水的流量也不一样，则研究水的流动速度对换热过程的影响。

在不同倾斜角度θ＝0°、10°下，Nusselt数随着流动速度的变化规律如图8所示。

图8 流动速度对换热的影响Fig.8 Effect of velocity of water on heat transfer

从图8中的两条曲线可以看出，不管在水平还是倾斜换热段中，水侧Nusselt数均随着水流动速度的增加而增加。流动速度的增加导致黏性底层的厚度变小，从而使得换热强度变大，传热系数增加。

2.2.3 水入口温度对换热的影响 结合实际FSRU应用背景，LNG的气化过程中所采用的热源为海水，海水的温度随着季节的变化而变化，考虑到实际情况下，海水的温度变化在7～22℃下进行变化，实验中研究水温对换热段的影响。

不同倾斜角度θ＝0°、10°下，不同入口水温时水的进出口温度差如图9所示。

图9 进口水温对水温差的影响Fig.9 Effect of water’s temperature on water

从图中可以看出，水的进出口温度差随着进口水温的变化几乎不发生改变，当进口水温从7～22℃变化时，在倾斜角度下的水温变化幅度差略微比水平角度下水温差变化幅度大一些，但是增幅非常非常小，几乎可以忽略不计。在同一个水温下，发现倾斜角度10°下的水温差明显高于水平换热段，增加幅度小于1℃。根据前文中倾斜角度对换热的影响可知，随着倾斜角度的增加，水侧的换热强度增强，传热系数增大，则相应的进出口的水温差也比水平换热段大。

丙烷作为中间流体，吸收海水的热量后将这部分热量传递给LNG使其气化，丙烷／水换热段中丙烷进出口温差代表了丙烷所能够提供LNG气化所需的热量，图10为不同倾斜角度下，不同进口水温时丙烷进出口温差。

图10 进口水温对丙烷温差的影响Fig.10 Effect of water’s temperature on propane

从图中可以看出，当水温度在7～22℃变化时，丙烷进出口温差随着进口水温的升高而变大。结合水进出口温差变化曲线，丙烷进出口温差变化趋势和水的进出口温差变化趋势相符合，因为丙烷／水换热段中两种流体的换热量应该相等。同一进口水温下，倾斜角度下丙烷进出口温差比水平换热段中的大，根据倾斜角度对换热的影响来看，随着倾斜角度的增大，换热增强，则丙烷进出口温度差也相应变大。

根据丙烷／水换热段中换热量相等

利用水侧的进出口温度差，求解得到丙烷进出口理论温度差，图11和图12分别为θ＝0°和θ＝10°下，丙烷进出口理论计算值与实验值的对比。

图11 θ＝0°实验值与理论值的对比Fig.11 Comparison of experimental data and calculated data underθ＝0°

图12 θ＝10°实验值与理论值的对比Fig.12 Comparison of experimental data and calculated data underθ＝10°

从图11和图12中可以看出，在水平换热段中，根据换热公式计算出的丙烷进出口温差和实验值相差不大，两条曲线几乎重合，说明实验数据测量较为准确，而在倾斜角度θ＝10°下所计算的理论值与实验值相差较为明显，两条曲线之间的差距在1.3℃左右，可能是由于换热段倾斜，从而造成丙烷的入口温度偏低，丙烷进出口温度差变大，也可能是由于换热段的倾斜，使得测量丙烷温度的铂电阻误差变大，也可能是由于倾斜角度下，流体的混合更为充分，对温度有所影响。

3 结 论

（1）进行过冷中间流体换热实验，利用实验数据验证换热器理论计算时壳程流体换热特性，实验结果表明，适用于管壳式换热器设计的换热关联式能够较好地描述其换热特性。

（2）结合FSRU实际应用背景，充分考虑海平面的晃动，从而进行静态条件下，倾斜角度对换热过程的影响实验，实验结果表明，倾斜角度的增加有利于换热。

（3）结合FSRU实际应用背景，研究海水的质量流量对换热过程的影响，实验结果表明随着海水流速的增大，换热增强，海水的进出口温度差减小。

（4）结合FSRU实际应用背景，一年四季海水温度不同，研究海水入口温度对换热过程的影响，实验结果表明，随着海水入口温度的升高，丙烷进出口温度差变大，在倾斜角度下更为明显，则说明提供给LNG的热量更多。

符 号 说 明

cp——比定压热容，kJ·kg－1·K－1

G——质量流量，kg·s－1

h——传热系数，W·m－2·K－1

Q——换热段的换热量，kW

q——热通量，W·m－2

T——温度，K

Δz——换热段长度，m

λ——热导率，W·m－1·K－1

下角标

avg——平均量

i——第i换热段

in——入口处

loc——局部换热段

out——出口处

p——丙烷

w——水

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