乙二醇载冷的液化天然气冷能回收换热器传热特性数值模拟

宁静红，王润霞，刘华阳，孙朝阳，赵延峰

（天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津300134）

随着经济的快速发展和环保意识的不断增强，天然气作为一种低碳能源，因其液化形态具有运输便捷、清洁高效等优点，在全世界得到了推广和发展[1]。将液化天然气（LNG）气化到0 °C以上可释放大约830~860 kJ/kg的冷能[2]。因此，LNG冷能回收利用技术具有巨大的应用潜力和市场空间。

学者对LNG的气化方式以及换热器结构、流程参数等方面进行了大量的研究。在气化方式方面，许少杰等[3]以空气作为热源加热LNG使其气化从而研究空温式汽化器管内外的传热特性；时国华等[4]提出并设计了一种基于太阳能热泵的LNG气化系统以提高空温式汽化器气化效果；Afrianto等[5]以水为高温介质，研究了流体质量流量对传热性能的影响。在结构设置方面，Yan等[6]研制了一种采用伞状气流循环装置、烟气循环系统等LNG快速气化装置，以提高效率、减少废气损失；Zhang等[7]将LNG低温能量用于以CO2为工作流体的Rankine循环，联合动力系统利用LNG气化达到制冷效果；在流程参数方面，王玉娟等[8]对不同LNG入口压力及入口流速下的海水气化器传热特性进行模拟分析，并通过对比现场试验给出了设备操作的优化建议；王玉娟等[9]通过燃烧加热使LNG气化，并研究压力、流速、温度等参数对气化器传热性能的影响。上述研究主要以空气[3,4]、水[5-8]作为LNG气化的热侧流体，前者属于自然对流传热气化效率低，后者流体凝固点高容易发生相变结霜，增加换热热阻。而乙二醇具有凝固点低、比热容和潜热大、腐蚀性小等优点[10]，可实现低温下换热载冷，且不易发生相变。

本文以乙二醇作为载冷剂，建立一种管壳式换热器模型，并利用Comsol Multiphysics软件进行数值模拟。在恒定壁温下，研究进口LNG流速、乙二醇含量（质量分数）和温度以及进口直径对换热器传热特性的影响。研究结果可为换热器设计和LNG冷能回收的进一步研究提供参考。

1 模型与模拟

甲烷在天然气中质量分数超过90%，作为天然气中的主要成分，与天然气物性十分接近，故管侧选用甲烷替代LNG流体[11]，壳侧乙二醇流体通过泵运送。换热过程中LNG发生较大温差产生相变，在进行数值模拟时，为使数学模型合理简化，做如下基本假设：流体为不可压缩的牛顿流体；忽略管内流动阻力及流体与周围环境的辐射换热；流体通道两侧壁面为绝热界面，流体在壁面上无滑移，换热器管壳面边界为等热流密度边界条件。

1.1 物理模型

LNG-乙二醇换热器三维物理模型如图1所示。

图1 LNG-乙二醇换热器三维物理模型

依据典型换热器直径[12,13]，设定换热器外壳长、宽、高分别为1000 mm、200 mm、500 mm。LNG由左至右流经直径为40 mm的圆管；乙二醇由下至上流经长为200 mm的圆管，其直径可变。换热器材料选用韧性高、加工性能好的304不锈钢[14]。不锈钢及各流体物理属性如表1所示。注：*40%乙二醇是指含量为40%的乙二醇水溶液；**eta(T)表示该属性为温度的函数。

表1 换热器材料及各流体的物理性质[15]

1.2 数学模型

研究低温LNG和乙二醇在稳态条件下的换热问题，其流动与传热特性有关的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程如式(1)~式(3)。

根据材料属性以及模型设置的初始流速计算雷诺数（式(4)）。由实际气化外输流量统计，对应的LNG进口流速为1 m/s左右[8]，此时Re＞2300，因此本流动模型设定为湍流。

LNG与乙二醇是否发生相变取决于其当前状态下各自温度与沸点及凝固点的比较。LNG流动传热产生较大温差，相变参考方程[16]如式(5)~式(9)。表2所示为LNG发生相变的相关参数。

表2 模型相变相关参数

传热系数根据传热量、温度等计算[5,12]，具体方程如式(10)~式(16)。

两种流体的进出口温度直接反映换热器的传热强烈程度，而热效率是热侧温差与理想热交换器中热侧和冷侧之间的最大温差的比值[17]，因此以热效率的高低间接反映换热器的传热性能。对热效率的具体计算如式(17)。

壳侧压降由壳侧进出口压力得到，如式(18)。

1.3 计算方法

模型结构的物理场为：（1）湍流k-ε场：入口采用流速入口，并假定入口体积质量分数均匀分布；出口采用压力、无粘滞应力出口，全流道内与流体相接触的壁面上均采用无滑移壁面条件。（2）流体传热场：入口采用开边界，管程LNG温度初始值为-180°C，反应压力为1 MPa，壳程乙二醇进口温度为变值，反应压力为1 MPa，流道两侧设为绝热边界条件。

计算网格由Comsol Multiphysics划分，对壳采用较粗化网格单元，对管采用较细化网格。为满足网格无关性要求，对网格不断加密，直到计算结果基本不随网格数量的增加而变化。当完整网格包含14632个顶点，81663单元后，LNG与乙二醇出口温度变化不大，再增加网格数对计算影响较小。当各方程的残差值下降到10-6认为计算收敛，同时考虑到达到计算的准确性和达到稳态的时间长短，采用81663个网格数进行模拟计算。最终，网格划分采用自由网格形式，平均单元质量为0.6408，其中四面体81663个，三角形11618个，边单元13344个，顶点单元112个。

2 模拟结果与讨论

由换热器实际运行情况可知，流体的含量、进口流速、温度以及换热器自身直径等参数对传热特性（传热系数、热效率、壳侧压降、两种流体出口温度）具有较大影响，故针对上述可控参数进行模拟计算与分析。

以实际运行参数为基础，根据实际条件以及壳管式换热器的冷热流体设置，换热器内流体的设计参数如表3所示。其中，为了使乙二醇换热过程中不发生相变，以最低凝固点对应含量附近的流体为研究对象。当乙二醇含量为60%时凝固点最低[15]。

表3 换热器内流体的关键设计参数

2.1 进口LNG流速对传热特性的影响

对LNG进口流速分别为0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s的工况进行模拟计算，并对传热系数、热效率以及压降进行比较分析，计算结果如表4所示。如表4，当两种流体的进口温度保持不变时，传热系数、热效率、压降均随着LNG流速的增加而增加。当LNG流速从0.5 m/s增长到1.5 m/s时，传热系数、热效率、压降分别增加了7.28%、75.15%、144.83%。这是由于随着流速的增加热传递增强，从而使传热系数增大；由于壳侧吸收热量的增加，乙二醇出口温度降低，由式(11)可知，热效率升高；LNG流速的增加，强化了传热，使流体扰动更剧烈，乙二醇在吸收LNG冷能后温度下降，粘性阻力损失变大压降升高。

表4 进口LNG流速对传热特性的影响

在实际应用中，因LNG流量与流速成正比，LNG罐向换热器输送的LNG量随着流速的增加而增加，不利于节能减排；同时要获得更低的压降，也需选择较小的LNG流速。相反地，LNG流速适当增大可以使得两种流体换热充分，LNG气化迅速，有利于投入生产。所以，LNG流速的选择需根据低温工况综合考虑。

2.2 进口乙二醇含量对传热特性的影响

乙二醇作为载冷剂，其物理性质是影响换热器性能的重要因素之一。图2为乙二醇进口温度为20°C，进口流速保持0.05 m/s，Re在6230~23362之间，乙二醇含量为40%、50%、60%时换热器传热特性的变化。

如图2，当Re＜18000，随着雷诺数的增大，传热系数增长幅度较小；当Re＞18000，传热系数增长较快。相反地，传热系数随乙二醇含量的增大而降低，这是由于乙二醇含量增大时，其导热系数降低[15]，影响了乙二醇和LNG流动传热，使得乙二醇和LNG出口温度降低，从而降低传热系数。热效率随含量的增加而降低，压降随含量的增加而增加。传热系数的降低，减少了LNG与乙二醇之间的热量交换，更多的冷量随着LNG由出口散失。乙二醇出口温度随进口含量的升高而降低，使得换热器热效率降低。压降升高是因为随着含量的升高，乙二醇的粘度升高[15]，从而增加流动的阻力损失，因此压降增加。

图2 进口乙二醇含量对传热特性的影响

可见，乙二醇含量的升高不利于换热器性能的改善，同时增加了系统初始投资。另外，若要获得较低温度的载冷介质，则要选择低凝固点对应下的乙二醇含量。

2.3 进口乙二醇温度对传热特性的影响

进口乙二醇温度对换热器传热特性的影响如图3所示。如图3，当乙二醇含量为60%、进口流速为0.05 m/s，随着乙二醇进口温度的增加，传热系数、热效率以及压降均降低。当LNG的进口温度不变，随着乙二醇进口温度升高，壳侧和管侧的出口温度均升高，由式(15)和(16)可知，换热器内出口最小温差和入口最大温差增大，对数平均温差增加，热交换量增加，而传热系数降低。同样，热效率升高和压降降低也是由乙二醇进口温度对出口温度和粘度的影响所致，同2.2节，此处不再赘述。可见，应该控制乙二醇进口温度向较低点调整，以提高换热器的整体传热效率。

图3 进口乙二醇温度对传热特性的影响

2.4 乙二醇进口直径对传热特性的影响

乙二醇进口直径也是影响换热器换热性能的一个重要因素，根据换热器宽度设计直径，设置为100 mm左右。改变直径对换热器传热系数、热效率、压降的影响如图4所示。随着进口直径的增大，换热器传热系数增加，这是因为进口直径增大之后，乙二醇可以更充分和更均匀地与LNG进行换热。直径的增加使乙二醇出口温度逐渐降低，导致其粘度增大，从而使热效率升高，压降升高。可见，为提高换热性能，在加工条件和压降允许的情况下，尽可能增大乙二醇进口直径。

图4 乙二醇进口直径对传热特性的影响

3 结论

本文对LNG、乙二醇流动传热进行了数值模拟，分析了LNG和乙二醇不同入口条件对换热器传热性能的影响。结果发现：其他条件不变，单独提高LNG流速可以提高传热系数和热效率，但同时也增加了压降；提高乙二醇含量，传热系数、传热效率降低，压降升高；提高乙二醇进口温度，传热系数、热效率、压降逐渐减小；增大乙二醇进口直径，两种流体换热充分，使传热系数、热效率、压降均增大。

可见，在乙二醇不发生相变以及在压降合适的前提下，较高的LNG流速、乙二醇含量、乙二醇进口直径以及较低的进口温度有利于LNG冷能回收。

符号说明

ρ为材料的密度，kg/m3；U为流速矢量，m/s；u、v、w为x、y、z三个方向的流速分量，m/s；μ为流体的动力黏度，Pa·s；p为流体微元体上的压强，Pa；Su、Sv、Sw为广义源项；h为焓值，J/kg；λ为导热系数，W/(m·K)；T为温度，K；Φ为体积热源项；Re为雷诺数；dh为通道的当量直径，m；ρ1、ρ2为发生相变前后两种材料的密度，kg/m3；θ1、θ2为两种相变材料的体积分数，%；Cp为相变材料的比热容，J/(kg·K)；L1→2为相变潜热，J·kg-1；αm为质量分数，%；k为相变材料导热系数，W/(m·K)；k1、k2为两种相变材料的导热系数，W/(m·K)；U0为传热系数，W/(m2·K)；A0为盘管外表面面积，m2；qh、qc、q为乙二醇侧、LNG侧热交换量、总热 交 换 量，W；mh、mc为 乙 二 醇、LNG质 量，kg；Cp,h、Cp,c为 乙 二醇、LNG的比热容，J/(kg·K)；Th1、Th2为乙二醇的进口温度、出口温度，K；Tc1、Tc2为LNG的进口温度、出口温度，K；ΔTmax为入口最大温差，K；ΔTLM为对数平均温差，K；ΔTmin为出口最小温差，K；p1、p2为壳侧进口压力、出口压力，MPa。