空温式气化器综述

严 乐

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

随着我国经济的不断发展，环境问题也日益严重，发展新能源成为一项重要的举措。新能源主要包括太阳能、风能、地热能和核能等。而随着能源产业结构的不断优化升级，煤炭，石油等一次能源所占比重逐渐减少，天然气作为一种清洁优质能源，由于其高效。无污染的优势进入人们的视野。我国煤炭资源丰富，石油资源短缺，天燃气匮乏，使许多大中城市出现了“气荒”。为了解决供需矛盾的问题，从国外进口天然气成为主要途径之一。目前我国进口天然气主要有两个途径：一是通过输气管道从俄罗斯和中东国家进口，二是在东南沿海等地以液化天然气的方式进口[1]。而气化器是将LNG 气化的核心装置，只有经过气化器才可以将-162℃的LNG 气化，供给用户使用。目前空温式气化器是市场上常见的一种气化器。

1 空温式气化器的优点

空温式气化器的优点有：

1） 空温式气化器用空气作为热源来气化LNG，结构简单、成本低廉，适用于具有较大场地的小型气化站[2]。2） 气化率高，气化器由竖直星形翅片管和辅助加热装置构成。保证在环境空气温度-5℃以上能将-162℃的LNG 气化成-10℃的NG，供给用户正常使用。3） 运行成本低廉，故障率低。空温式气化器的运行费用为零，当环境温度降低导致气化量减少时，可启用辅助加热装置，但此时所产生的费用只有电热式的费用1/5 左右。4） 空温式气化器是依靠自身显热和吸收环境空气热量来实现气化[3]。

2 空温式气化器的缺点

1） 空温式气化器由于受到其热源是空气的影响，所以受到地域和季节的影响也比较大。当外界空气温度过低时，其出口的天然气温度也会更低，不能满足用户的正常需要。因此空温式气化器适用于气温温和的地方，如我国南方沿海城市。2） 空温式气化器只适用于小型气化站，因为该气化器是由数根竖直翅片管组成，占地面积比较大，在土地资源少的区域容易受到限制。3） 结霜问题都是空温式气化器运行过程中的主要困扰。结霜这种平淡无奇的自然现象却包含了导热和对流等传热过程，以及凝华和升华、凝固和融化等传质过程。因此在空气温度较低的环境，需要增加一个加热器进行补充加热。在雾天空温式气化器翅片管表面会结冰，使其的气化效率更加低。4） 由于结霜问题，气化站在采用空温式气化器时，应选用一用一备的模式，防止正在使用的气化器出现故障，导致整个气化站出现气化总量下降的问题。5) 目前国内所生产的翅片管大部分都是铝合金材质，并且由于我国气化器研发时间较晚，所以处处受制于国外，没有对翅片管进行很好的优化。

3 空温式气化器管外结霜

由于困扰空温式气化器运行的问题除了地域和季节限制，最主要的就是翅片管的外表面结霜，因此从理论上预测翅片管外霜层增长成为大多数学者研究的问题。本文通过平板结霜的计算来进行翅片管外的结霜预测。

在结霜的过程中，质量一部分用来增加霜层厚度，一部分用来增加霜层密度，热流密度分为显热和潜热，显热即是空气侧和接触面结霜侧的温度差，潜热分为两个部分：一部分是从近壁面空气侧空气中的水蒸气凝华放出的热量，还有一部分是用来增加霜层密度的水蒸气在霜层内部释放出来的热量。

霜层物性的计算如下：

式中：ρice为冰的密度（kg/m3）；ρa为空气的密度（kg/m3）；ψ 为霜层的孔隙率；λice为冰的导热系数（W/（m·K））；Tm为霜层平均温度，K。取霜层表面温度和壁面温度的算术平均值；Tm= (Tfro+Tw) /2；λa为空气的导热系数（W/（m·K））。

通过霜层物性的计算可以进行霜层厚度增长的计算，可以为翅片管外结霜提供理论依据。

4 空温式气化器的模拟计算

气化站最常见的气化器主要还是以直接接触式空温式气化器为主，该气化器主要由竖直星形翅片管构成，目前最常见的是8 翅片结构的，当然也有12 翅片、6 翅片和4 翅片结构的。翅片管的材料主要是由铝合金构成，且一般都是单程式翅片主要是为了增加空气侧的换热面积。

研究方向：

1） 确定气化器结构、环境参数。

2） 划分空气与LNG 的换热过程换热区间，并建立传热模型；根据LNG 流体的温度变化，划分换热单元，对流型和状态进行判断。根据小单元的能量守衡，计算出单元出口的温度等数据，将其数据作为下个单元入口的已知量，依次计算。

3） 分析对纵向翅片管传热性能的影响因素。为简化计算，提高效率。本文作出以下假设：

1） 在整个计算过程中，霜层的物性参数沿厚度方向上是均匀的（密度除外）；

2） 只考虑霜层厚度方向上参数的变化，将霜层生长过程看做是一维的；

3） 霜层的生长过程是动态变化的，但是在某一极短的时间段内可以看作是稳态的；

4） 空气温度恒定不变；

5） 管外空气侧换热按大空间自然对流换热处理；

6） 认为气化器运行时压力保持不变。

根据能量守恒和质量守恒建立了翅片管特性预测模型。换热依次经过：环境空气到霜层外侧的自然对流换热，霜层外侧到翅片管外侧的导热，翅片管外侧到翅片管内侧的导热，翅片管内侧到流体的对流换热，针对流体的能量变化方程。针对管内流体在不同流态下选择不同的换热经验公式用来计算管内对流换热系数。认为霜层是由冰晶和空气构成的蓬松孔隙结构，针对管外霜层的增长一方面认为其增长了霜层厚度，一方面认为其增长了霜层密度。此外，在热对流的基础上，环境空气和空温式气化器翅片管能量转换之间还包括辐射换热和其中水蒸气的潜热放热。

通过FORTRAN 程序的编写，给出物性参数，包括：结构参数、运行参数、环境参数的输入，利用泡点、露点区分出单相液段、两相段、单相气段。将翅片管延管长分为若干个微元段，计算不同微元段的霜层厚度，换热系数，有效热阻等参数，依次迭代，即可以计算出求解参数延管长的分布。通过时间迭代，即可算出空温式气化器在运行达到稳态的时间。得出整个空温式气化器翅片管在动态运行的过程中的换热结霜规律。通过改变参数，则可以在允许范围内有效的提高空温式气化器的气化效率。

能量方程：通过霜层的能量=空气侧对流换热+水蒸气的凝华潜热+霜层的辐射换热

通过霜层的能量=通过翅片管管壁的导热=LNG 的气化吸热

质量守恒方程：水蒸气一部分用来增长霜层厚度，一部分用来增长霜层密度

计算流程：

1） 输入气化器的结构参数，环境空气参数，运行参数。

2） 确定微元段数目，从而确定长度步长；确定时间步长。

3） 根据LNG 组分由方程确定其泡点和露点。

4） t 时刻，根据入口LNG 温度，计算第一个微元段内的LNG 物性参数（LNG 温度、LNG 导热系数、黏度、定压比热容），由液化天然气的物性参数求出管内液化天然气的换热系数，代入能量守恒方程求出霜层密度、霜层厚度、霜层导热系数等参数，然后管内外耦合求出的上一微元段的出口温度即为下一段的进口温度。

5） 由时间迭代，计算在一定时间段内空温式气化器的整体换热。

5 结语

在国家提倡发展新能源的今天，天然气将为成为我国未来能源的主要支柱之一。在国家的大力发展液化天然气的前提下，液化天然气接收站技术与设备得到了大发展，空温式气化器由于其突出的显著优点，结构简单，制作成本低廉，操作简单，利用环境中的空气为热源气化LNG，更贴合绿色，环保，新能源的当代主题。