新型LNG输送管道保冷层的传热特性研究

郭斌 李雪蕊 梅宁

【摘 要】二烯烃闭泡聚合物与丁晴橡胶闭泡聚合物组合的Armaflex低温体系在LNG保冷领域具有较好的应用前景。本文考虑材料变导热系数，利用CFD技术对该种组合的保冷层的传热特性进行了研究，当保冷层间存在空气间隙时，其温度分布和温度梯度都有规律性变化，并得出保冷层间存在空气间隙能有效降低输送管道的冷损失。

【关键词】 Armaflex低温体系 LNG 变导热系数 CFD

随着世界经济的迅猛发展以及我国能源结构的调整，探求绿色能源及节能环保成为各国能源政策的重中之重[1-2]。作为传统绿色能源的天然气，它的需求量随之上升，而液化天然气（LNG）方便天然气的储存和运输。天然气在加工处理和液化、运输过程中需要采用大量低温深冷工艺，因此管道的绝热保冷设计是一个非常重要的问题。材料的保冷设计选取不合适，不仅会造成投资浪费，还会影响到液化天然气输送[3-4]。由德国阿乐斯国际有限公司研制开发的Armaflex低温体系，有非常好的绝热保冷功能，还有重复利用等优点。

设计保冷层时，通常采用平均导热系数进行计算，而大部分材料的导热系数随着温度的变化而变化。本文考虑了丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物的变导热系数特性，利用FLUENT软件对该种组合保冷层的传热特性进行仿真研究，获得了材料内部的温度分布情况。分析了保冷材料层间有无空气间隙两种情况下保冷层内部温度分布及温度梯度差异，进一步得出对保冷性能的影响，为LNG管道保冷材料的选取及安装做出了一些探索。

1 数值模型的建立

1.1物理模型

Armaflex低温体系直接敷设在低温输送管道上，二烯烃低温闭泡聚合物耐低温，适宜-165℃～-50℃温度范围，为内保冷层。丁晴橡胶低温闭泡聚合物适于高于-50℃的情况，为外保冷层[5-6]。LNG输送管道的直径d=50mm，内保冷层直径为d1=144mm，外保冷层直径为d2=230mm。图1为保冷层的示意图。

物理模型如下：

（1）保冷层内为圆柱坐标系下沿半径方向的一维导热问题；

（2）保冷材料的导热系数与温度呈分段一次函数关系；

（3）空气间隙内为层流；

（4）输送管道为恒定壁温，保冷材料外壁面为对流换热形式。

1.2数学模型

本文数值模拟分两种情况：一种是材料间无缝配合，接触热阻为零；一种是材料间有空气间隙。空气间隙设定为1mm，可忽略体积力以及黏性引起的热耗散，其流动与传热问题，控制方程可表示为

（1）

式中： 为通用变量，代表 、 、 、T等求解变量； 为广义扩散系数；S为广义源项。

保冷材料的导热问题归为柱坐标系中的导热问题。该过程可以简化为常物性、无内热源的一维导热问题。对于单层保温材料，导热微分方程简化为

（2）

设保冷材料导热系数λ为温度T的一次函数，即：

（3）

将（3）代入（2）积分求解得：

（4）

式中：ρ为空气的密度，T为温度，T1、T2分别为保冷层内外壁温度， r为半径，r1、r2保冷层内外壁半径，λ为保冷材料导热系数，λ0、b为常数。

1.3 材料物性及边界条件

二烯烃低温闭泡聚合物导热系数如下：

（-165℃≤T<-100℃） （5）

（-100℃≤T≤-50℃） （6）

丁晴橡胶低温闭泡聚合物导热系数如下：

（-50℃≤T≤20℃） （7）

管道输送的LNG介质温度为-163℃，则设输送管道壁温为该温度。环境参数以夏季参数为计算输入，露点温度23℃，环境温度按照25℃计算。管外壁至大气的放热系数为23.753 W/（m2·℃） ，此处放热系数包含管道外壁与大气的对流换热和辐射过程，在计算过程中将辐射视为对流换热的一部分。

2计算结果及分析

本文针对丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物组合的LNG保冷层，其厚度依据变导热系数计算公式进行计算所得。将1mm厚的空气间隙设于半径r=72mm处，材料间空气间隙对保冷效果的影响是本文的工作重点。为针对性的分析保冷层传热特性，取其中间的径向截面温度场来进行分析，计算所得LNG低温管道的温度分布结果如图2所示，图2（a）为没有空气间隙模型计算得到的温度分布云图，图2（b）为有空气间隙模型计算得到的温度分布云图。

由图2看出加空气间隙与否对保冷层内温度分布有影响但不明显。模拟结果中，空气间隙处的温度约为245K，在该温度下二烯烃低温闭泡聚合物的导热系数为0.0366W/（m·K），丁晴橡胶低温闭泡聚合物的导热系数为0.0302W/（m·K），而空气的换热系数为0.021 W/（m·K）。则在该位置处，导热系数存在跳变。导热系数的跳变将引起保冷层内温度分布及温度梯度的变化，整个保冷层的保冷性能也将受到影响。

在材料截面径向取不同位置处的温度，如表1所示。表中可以看出有空气间隙时，径向不同位置的同一位置点的温度与没有空气间隙情况下的温度不同，说明空气间隙影响了整个保冷层的温度分布。

图3为保冷层径向各位置的温度差，由图可知内管壁处和保冷材料外壁处，两种情况的温度差基本为零。空气间隙处的温度差出现跳变。整体的温度差趋势为先增大后减小，峰值处于空气间隙设置位置处。

半径/mm

图3温度差曲线

各点温度分布出现变化，则温度梯度随之变化。各点的热流率由材料导热系数和该点的温度梯度决定，而导热系数与温度直接相关，则该点的温度与温度梯度直接决定了该点的热流率。图4为有无空气间隙两种情况下保冷材料温度梯度分布的差异。

半径/mm

图4温度梯度曲线

无论是否加有空气间隙，保冷层内温度梯度随半径的增大而呈下降趋势。由图5可知，丁晴橡胶低温闭泡聚合物与二烯烃低温闭泡聚合物两层保冷材料贴合处，温度梯度出现折点。二烯烃低温闭泡聚合物保冷层内，设有空气间隙情况的温度梯度大于材料紧密贴合情况的温度梯度；在丁晴橡胶低温闭泡聚合物保冷层内，设有空气间隙情况的温度梯度小于材料紧密贴合情况的温度梯度。而两层材料贴合处，有空气间隙的温度梯度又大于没有空气间隙的温度梯度。

加入空气间隙，单位长度的输送管道冷损失率为20.49W，没有空气间隙的管道冷损失率为21.96W。即加入空气间隙，单位长度输送管道冷损失率减少1.47W。因此，加入空气间隙有利于减少冷损失，并且作用比较明显。

3 结语

（1）本文通过数值仿真，分析了Armaflex低温体系的传热机理与传热特性。直观的得到了保冷层内的温度分布。

（2）对无缝贴合模型和加入空气间隙模型的模拟结果进行对比，得到了两种模型的温度分布情况以及温度梯度变化情况，其结果表明空气间隙将改变保冷层内的温度分布，进而影响保冷层的保冷性能。

（3）加入空气间隙后，输送管道冷损失率小于没有空气间隙的冷损失率，单位长度输送管道冷损失率相差1.47W，即加入空气间隙有利于减少冷损失，并且作用明显。

参考文献：

[1] 刘亦文.能源消费、碳排放与经济增长的可计算一般均衡分析[D].湖南大学， 2013.

[2] 刘书英.我国低碳经济发展研究[D].天津大学，2012.

[3] 刘建辉.天然气储运关键技术研究及技术经济分析[D]. 华南理工大学， 2012.

[4] 付现桥，陈珏伶，徐敬 等.国内外关于 LNG 管道保冷层厚度设计相关标准分析[J]. 当代化工， 2014，43（3）：356-359.

[5] 顾安忠 等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2004 .

[6] 生动.LNG项目柔性材料管道保冷施工[J].管道技术与设备，2014，06：35-36 +42.