SCV耦合传热特性实验研究与数值模拟

韩昌亮，任婧杰，王焱庆，董文平，毕明树



SCV耦合传热特性实验研究与数值模拟

韩昌亮，任婧杰，王焱庆，董文平，毕明树

（大连理工大学化工机械学院，辽宁大连 116024）

浸没燃烧式汽化器（SCV）是液化天然气（LNG）接收站中一种必不可少的换热设备，主要通过水浴系统作为中间介质实现烟气与LNG之间的热量传递。搭建一套完整的SCV流动换热实验平台，对其内部复杂的传热特性进行研究。可视化实验结果揭示了汽化器内部一些独特的流体动力学现象（局部水浴结冰等），同时通过建立的气液两相混合物与跨临界LNG耦合传热计算模型得到了换热管束内外局部流体温度和局部传热系数分布曲线，并分析了LNG进口压力、LNG入口速度、初始水位高度以及烟气进气量对NG出口温度和水浴温度的影响规律。研究成果能够为SCV国产化设计提供重要参考。

浸没燃烧式汽化器；LNG；实验；流动；传热；水浴温度；数值模拟

引 言

随着我国液化天然气(LNG)进口量逐年增加，人们对于接收站中的汽化设备愈发关注。据了解，国内接收站在役LNG汽化器主要有开架式汽化器(ORV)、浸没燃烧式汽化器（SCV）和中间介质型汽化器（IFV）等[1]。其中，SCV是一种利用浸没燃烧技术辅以多相流换热和跨临界换热技术开发的新型高效换热设备，具有结构紧凑、操作灵活和换热效率高等优点[2]，广泛用于接收站调峰系统。

SCV运行时，燃料气和空气的混合气在燃烧室内被点燃，产生的高温烟气通过气体分布器排入到水箱中，与水浴实现直接接触式换热，高速湍动的水浴将烟气热量传递给换热管束中的LNG。由于接收站工艺要求，通常需要对LNG进行加压处理，导致SCV管程操作压力一般大于其临界压力。LNG在盘管内经历了由液态到超临界态的工艺转化[3]。由于烟气携带的能量基本能满足LNG汽化所需热量，水浴温度基本保持恒定[4]。图1给出了典型SCV内部流体温-熵图。SCV传热过程主要包括两个环节，即管外气液两相流横掠管束换热和管内跨临界LNG强制对流换热。本研究内容为二者耦合传热过程。

目前，国内外学者针对SCV流体传热性能报道较少。Park等[5]利用最小熵增方法在恒定壁面温度和恒定热通量假设条件下给出了汽化器优化设计方法。齐超等[6]利用简化的一维传热模型分析了某SCV不同工况下的运行特性。李仲珍等[7]、张康等[8]和靳书武等[9]利用CFD数值模拟方法对换热管内跨临界LNG传热特性进行探讨，研究了不同操作参数对流体传热系数的影响规律。李泓钰[10]以常温水为管程换热介质，对水浴及排烟特性进行了实验研究。然而上述研究均基于一定假设条件，得到的结论往往无法直接适用于实际SCV。同时，国内使用的SCV均是从日本和德国进口[11]，因此研究其耦合传热过程对我国LNG事业已经迫在眉睫。

本工作首先搭建一套完整的可视化SCV传热性能测试平台，针对其内部复杂的换热特性进行实验研究，并且基于观察到的现象建立耦合求解烟气与水浴两相混合物和跨临界LNG之间耦合传热模型，对不同操作工况下SCV运行特性进行了分析。可为SCV工程设计提供大量基础性数据。

1 SCV可视化实验系统

1.1 实验系统

如图2所示，本实验系统主要由浸没燃烧器、水箱、烟气分布器、换热管束、低温增压泵、杜瓦罐和测量系统等组成。有关实验台具体尺寸见文献[12]。需要指出的是，出于安全考虑，实验过程中利用跨临界液氮（LN2）替代LNG作为管程介质。烟气进出口温度、管程流体进出口温度、水浴温度和换热管壁面温度采用PT100热电阻进行测量。管程操作压力由压力变送器进行实时记录。LN2流量由高压旋进涡旋流量计测得。另外，在水箱和围堰前后侧开有透明视窗，采用高速摄像机(FASTCAM SA4)观察壳程流体流动状态。

1—air blower; 2—volumetric flow meter; 3—ignition system; 4—needle valve; 5—flue tank (CH4); 6—submerged burner; 7—exhaust stack; 8—computer; 9—relief valve; 10—high-pressure ball valve; 11—vortex flowmeter; 12—one-way valve; 13—water tank; 14—weir; 15—flue gas distributor; 16—ball valve; 17—booster pump; 18—dewar; 19—high-speed camera

1.2 实验结果分析

图3显示了SCV壳程流场。从拍摄结果来看，SCV在开车启动阶段局部水浴出现了结冰现象，结冰部位主要位于底部换热管区域和进液总管处。这一方面是因为在该区域内管内流体温度极低（大约110 K），管外烟气热量无法满足管内流体升温需求，导致局部水浴温度急剧下降至冰点以下。另一方面是由于烟气对水浴扰动作用较弱，水浴出现了局部流动“死区”，此时应调整系统参数来消除结冰现象。因为如果换热管壁面长期存在绝热边界条件，将导致系统换热量大大降低。同时可以看出水浴中存在有大量换热气泡，烟气与水浴之间以及两相混合物与管壁之间均发生直接接触式传热，水浴换热效率极高[13]。这种状态保证了烟气能将其携带的显热和水蒸气冷凝的潜热全部传递给水浴。最终壳程形成了气液两相流横掠管束流动形态。

表1给出了典型SCV运行实验数据。可以看出，管程入口压力大于LN2临界压力，而且管程流体出口温度远大于LN2临界温度，因此LN2实现了跨临界汽化工艺。在给定燃料量和助燃空气量条件下，管程出口温度和壳程对流传热系数随初始水位高度增加呈现先升高后降低趋势。当水位高度从300 mm增至400 mm时，管程流体出口温度升高了6 K左右。但是，当水位高度继续增加到450 mm时，出口流体温度反而降低了4 K。因此，在该进气量条件下最佳匹配初始水位高度为400 mm。水浴温度随初始水位高度增加单调降低。

表1 SCV运行实验数据

2 SCV耦合传热特性数值模拟

2.1 跨临界LNG物性分析

LNG为多组分混合物，其主要成分是CH4。本研究使用的LNG组分含量见表2。LNG临界压力和临界温度分别为4.55 MPa和190.4 K，管程操作压力一般为5～10 MPa，进出口温度为118～274 K，因此掌握跨临界LNG物性对分析SCV换热过程至关重要。图4给出了利用REFPROP软件[14]得到的LNG物性曲线。可以看出，在一定压力下比热容随温度升高先增大后减小，在临界温度附近达到最大值。并且随压力增大比热容峰值变小。密度、热导率和黏度均随温度升高而下降，在临界点附近下降斜率最大。

表2 LNG各组分含量

2.2 物理模型

为了更好地反映SCV管束特征，本研究在构建物理模型时选取两根蛇形换热管为管程计算区域，建立了如图5所示的三维物理模型，此外还包括水箱、烟气分布器和围堰等。模型尺寸见表3。

2.3 数学模型与网格划分

采用VOF多相流模型与组分输运模型相结合方法描述烟气和水浴两相混合物与换热管束之间的传热。限于篇幅原因，相关的控制方程不再赘述，具体数学方程可以参见本题课组之前的工作[15-16]。

表3 计算区域主要几何参数

采用Gambit软件对图5计算区域进行划分。为保证计算精度，首先对其进行分块处理，除分布器排气孔附近和弯管处采用非结构网格外，其余部分均采用结构化网格。划分情况如图6所示。以0.001、0.002、0.004 m 3种不同网格尺度对管程局部LNG升温情况进行考察，以此验证网格独立性。发现采用后两种网格时模拟计算结果十分接近，最终采用0.002 m的网格尺寸，整个模型网格约为660万个。

2.4 边界条件与计算方法

采用商业软件Fluent14.5对非稳态传热过程进行数值计算。管程入口为速度入口边界(t,in=120 K)，管程出口为压力出口边界。烟气入口为速度入口边界 (s,in=973 K)，烟气出口为压力出口边界。换热管定义为Coupled边界条件。其余各面为无滑移绝热条件。计算区域前、后面均为Symmetry条件，以便该模型可以代表整个SCV管束区域。

选取PISO算法进行压力速度耦合求解、Geo-Reconstruct方法追踪两相流体界面，压力项选择Body Force Weighted 进行离散。松弛因子采用默认值，动量方程和能量方程采用二阶迎风格式进行迭代，时间步长选为5×10-5s。当NG出口温度和水浴温度不随时间变化时，近似认为计算工况收敛。

本研究涉及的管内局部传热系数和管外局部传热系数计算公式如下

(2)

式中，wi和wo分别为作用在管束内、外壁面的热通量，wi和wo分别为管束内、外壁面温度，L和b分别为局部LNG温度和水浴温度。

2.5 模拟结果与实验数据对比验证

图7给出了初始水位高度为400 mm、烟气量为60 m3·h-1、管程入口压力为4.5 MPa时模拟得到的管程流体出口温度与实验值对比结果。可以看出二者变化趋势基本相同。实验中管程入口流量由45kg·h-1增至108kg·h-1时，管程流体出口温度从304.0 K下降到272.7 K，相应的数值模拟结果为从298.6 K下降到261.2 K。数值模拟结果低于实验值，两者误差在±20%以内。分析原因，主要是数值模拟中忽略了热损失和烟气热辐射传热，并且忽略了管程压力降对流体物性的影响。考虑到SCV耦合传热过程的复杂性，该模拟精度满足工程需求。因此可以利用以上模型开展进一步耦合传热分析。

表4 SCV数值模拟主要参数

3 结果与讨论

3.1 SCV基本传热特性分析

本研究首先以表4工况为例对SCV基本传热特性进行分析。图8～图10分别显示了SCV管程温度云图、壳程流场和壳程温度云图。

从图8可以看出管程LNG进、出口温度分别是120 K和273 K，出口温度高于汽化器基本需求。这是因为高效水浴系统将烟气携带的热量传递给管内LNG，使其完成了从液态到超临界态的转化。由于LNG在换热管内不断吸热膨胀，其速度逐渐增加，该工况下进、出口速度分别为0.1 m·s-1和2.0 m·s-1。图9显示了壳程流场，可见在烟气喷入水浴后围堰内产生了很多尺寸不一的换热气泡（蓝色和红色分别代表气体和液态水），气泡群对水浴的扰动作用非常强烈。过热气泡的存在不仅加大了气液两相之间的接触面积，也增强了近壁面处两相混合物与管壁对流传热效果，这一流体动力学现象是SCV壳程热交换机理所在。图10显示了壳程温度云图，高温烟气喷入水浴后温度迅速下降，水蒸气遇冷释放的潜热主要集中在该区域。水浴吸收了烟气的热量，又很快将热量传递给管束内LNG，最终导致水浴除了在烟气分布器处附近存在一定高温区外其余区域温度基本恒定。该结果与文献[3]中的结论基本一致。

从图11可知，管内局部传热系数沿管长方向先增大后减小，传热系数在准临界点处达到最大值，原因是在拟临界区域LNG比定压热容达到最大值，对传热起到了加强作用[17]。而壳程传热系数呈现出一定的波动趋势，平均壳程传热系数可以达到4950 W·m-2·K-1，这是因为大量气泡不断扰动水浴，同时气液两相混合物以较高速度冲刷管束，使得SCV壳程换热效率很高，同一截面处管外传热系数几乎是管内传热系数的2倍，因此SCV换热热阻主要存在于管内，该工况下SCV整体传热系数可以达到850 W·m-2·K-1。此外还可以发现管内传热系数在弯管区域均会出现突变，这是因为LNG在流经弯管时在离心力作用下出现了二次流现象[18]，该现象有助于减薄流体热边界层厚度，提高流体传热系数，所以弯管区域流体传热系数大于直管段。

图12显示LNG温度、管内外壁温度均沿流动方向单调升高。特别地，在<1.15 m时，LNG为纯液态，比定压热容较小，热导率较大，因此在该区域内流体升温较快。在1.15 m<<3.5 m时，LNG处于超临界区域，其热导率和比定压热容均较小，升温速率相比液态时慢一些。在整个换热管区域内，对于管壁温度而言，没有明显的阶跃存在，这主要归功于管外相对均匀的气泡分布和管内跨临界LNG的良好流动换热性能。换热管内外壁温差以及内壁与LNG之间温差沿管长方向逐渐减小，这是因为越接近管程出口LNG升温所需热量越小，作用于管壁的热通量也越小。除此之外，壳程局部水浴温度基本保持不变。在该工况下烟气出口温度为295 K，所以SCV内部流体温度满足以下顺序：烟气出口温度>水浴温度>NG出口温度。

3.2 LNG进口压力对传热的影响

不同LNG进口压力主要影响管内流体热物性。本研究对5.43、6.93、8.38、9.55 MPa 4种不同进口压力下LNG升温特性及水浴温度进行了分析。

图13显示了不同LNG进口压力对SCV传热特性的影响。从图13可知，在<0.75 m和2.5 m<<3.5m时，LNG温度基本不随LNG进口压力改变而发生变化。而在拟临界区域，压力越高，LNG比定压热容峰值越小，局部传热系数也越小，因此LNG升温更快。压力升高，NG出口温度略微升高。当其他参数保持不变时，水浴温度基本不随LNG进口压力变化而改变。当LNG进口压力从5.65 MPa增加到9.35 MPa时，水浴温度改变了0.35 K。

3.3 LNG进口速度对传热的影响

LNG进口速度不同将产生不同的管内流动状态。本研究对0.05、0.10、0.15、0.20 m·s-14种不同LNG进口速度下管内LNG温度分布及水浴温度进行了分析。

图14显示了不同LNG进口速度对SCV性能的影响。可以看出，随着LNG进口速度的增加，在同一截面上LNG温度变小。这是因为，LNG进口速度增加，换热管内流体湍流作用加剧，有助于减薄流体热边界层厚度，增大表面传热系数[19]，因此LNG进口速度增加可以有效地加强传热。NG出口温度随LNG进口速度增加呈现逐渐降低趋势。另外，LNG进口速度增加意味着LNG将从壳程水浴吸收更多热量，所以管外水浴温度逐渐下降。经计算，LNG进口速度从0.05 m·s-1增加到2 m·s-1时，水浴温度下降了8 K。

3.4 初始水位高度对传热的影响

在给定烟气量情况下，不同初始水位高度主要影响壳程传热面积。本研究对300、350、400、450 mm 4种不同初始水位高度下管内LNG升温情况和水浴温度进行了分析。

图15显示了不同初始水位高度对SCV性能的影响。可以看出，随着初始水位高度的增加 (300～400 mm)，管内LNG升温加快。这是因为壳程传热面积增加导致LNG更容易从水浴系统中吸收来自烟气的热量。当初始水位高度增加到450 mm时，水浴系统的体积过大，使其受到烟气的扰动程度减弱，LNG吸收到的热量减少，最终导致管程NG出口温度下降。由于水浴体积的增加，同样烟气热量进入水浴后，水浴温度呈现单调递减趋势。

3.5 烟气量对传热的影响

在给定初始水位高度情况下，不同烟气进气量主要影响水浴中含气率和水浴流动传热状态。本研究对45、65、88、110 m3·h-14种不同烟气量下管程LNG升温情况和水浴温度进行了分析。

图16显示了不同烟气量对系统性能的影响。在一定范围内，随着烟气量的增加，管内LNG升温更迅速。这是因为，进气量增加，水浴内部气含率加大，有助于加剧水浴湍流程度和减薄流体边界层，烟气的热量更容易传递给管内LNG。继续增加烟气量，导致壳程气含率和不凝性气体含量过大，水浴与管壁接触面积急剧减小，壳程传热过程主要受气体支配，而气体与管壁之间传热能力远小于液体与管壁之间[20]，水浴出现传热恶化现象，导致NG出口温度下降。而烟气量增加意味更多热量被输入到水浴中，因此水浴温度逐渐升高。

4 结 论

采用实验与数值模拟相结合方法对SCV内部流体耦合传热特性进行研究，利用实验数据验证了模型的可靠性，得到的主要结论如下。

（1）由于管程流体超低温特性，SCV进液总管和底部换热管附近水浴极易形成冰层，实际SCV操作中应调整好系统参数来消除结冰现象。这是因为如果长期存在冰层会导致系统换热量大大降低。

（2）管内LNG局部传热系数沿管长方向先增加后减小，在拟临界点附近达到最大值。管外局部传热系数由于大量气泡的扰动作用呈现波动趋势。同一截面上，管外传热系数远大于管内传热系数，换热热阻主要存在于管束内部。SCV换热管束壁温没有明显的阶跃现象。

（3）水浴温度是SCV运行过程中一个重要参数，需要将其控制在合理范围内。模拟结果显示，水浴温度随初始水位高度和进口LNG速度增加而降低，随烟气量增加而升高。在一定参数范围内，管程入口压力对水浴温度影响较小。优化后的烟气量和水位高度可以使得NG出口温度和水浴温度满足运行要求。

符 号 说 明

cp——比定压热容，kJ·kg-1·K-1 H ——初始水位高度，mm K——传热系数，W·m-2·K-1 L——管长，m p ——压力，MPa Q ——质量流量，kg·h-1 q ——壁面热通量，kW·m-2 s——熵，J·g-1·K-1 T ——温度，K V ——体积流量，m3·h-1 v ——速度，m·s-1 l——热导率，W·m-1·K-1 m——黏度，Pa·s r——密度，kg·m-3 下角标 a——空气 b——水浴 cr——临界 f ——燃料 fg ——烟气 in ——进口 L——局部 out ——出口 pc——拟临界 s ——壳程 t ——管程 wi ——内壁面 wo ——外壁面

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Experimental study and numerical simulation on coupled heat transfer characteristics of submerged combustion vaporizer

HAN ChangliangREN JingjieWANG YanqingDONG WenpingBI Mingshu

(School of Chemical Machinery, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)

Submerged combustion vaporizer is indispensable heat exchanger equipment for liquefied natural gas (LNG) receiving terminals, it mainly utilizes water bath system as intermediate media to achieve heat transfer between flue gas and LNG. In this work, an unabridged experimental apparatus is built to study the complex heat transfer characteristics of it. Experimental results reveal some unique fluid dynamic phenomena inside SCV system (local water bath freezes). Meanwhile, the simulated model is established for coupled flow and heat transfer process between two-phase mixture and trans-critical LNG. The influences of inlet LNG pressure, inlet LNG velocity, static water height, flue gas flux on the NG outlet temperature and water bath temperature are analyzed. The outcomes can provide some important guidance to localization design of SCV.

submerged combustion vaporizer; LNG; experiment; flow; heat transfer; water bath temperature; numerical simulation

10.11949/j.issn.0438-1157.20160973

TE 088

A

0438—1157（2017）03—0854—10

中央高校基本科研业务费专项资金项目（DUT16QY29）。

2016-07-11收到初稿，2017-01-27收到修改稿。

联系人：毕明树。第一作者：韩昌亮（1987—），男，博士研究生。

2016-07-11.

Prof. BI Mingshu, bimsh@dlut.edu.cn

supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (DUT16QY29).