超临界压力下空温式气化器传热特性分析

李思萌

(西安石油大学,陕西 西安 710065)

随着我国对天然气的需求量越来越大,西气东输、陕京线等几条重点输气线路已经开通,但仍有一定的局限性,无法完全解决天然气的供需问题,因此,引进国外LNG,已经成为当前中国缓解LNG短缺的一种有效途径。目前LNG的进口大都是依靠水路LNG运输船完成的,因此,在沿海,建设一个接收站显得尤为重要。这些接收站的结构主要由气化设备、输气干线和站内管网组成,而目前,市面上普遍使用的气化设备可以分为开架式、浸没燃烧式、空温式气化器等[1]。

1 空温式气化器简介

LNG是一种在-162 ℃条件下,经脱酸脱氢后用天然气进行低温冻结、液化而得到的一种液态燃料。液化天然气中蕴含着大量的能量,在不使用燃料的情况下,可以发挥出最大的作用,也不会对环境造成二次污染。LNG作为一种更加安全和清洁的能源,受到国际社会的广泛关注。就周围的条件来说,低温的冷源是有能量输出的,而且随着温度的降低,冷源的能量输出也会增加。一般情况下,LNG 的做功性能是由有效能量来表达的,当液化天然气从-162 ℃至室温时,有效能量为 1 050 kJ/kg, 也就是1 kg LNG 最多可以向外部输出1 050 kJ,大约是整个制冷系统的67%。在此基础上,我们可以将LNG中的低温能量转化为电能。

目前,利用 LNG 冷能的主要方式有:分高空气[2],海水淡化[3],液化CO2[4],冷能发电等[5-6]。在这些里面冷能发电比较成熟,冷能发电的方法可以分为:直接膨胀法,联合法,有机朗肯循环,燃气轮机利用以及温差发电。在这些方式里,温差发电除外,其他方式都属于动力循环发电。虽然发电效率相对较高,但系统复杂,初期投资较高,应用范围仅在相对较大的地方使用,具有一定的局限性。

本文通过采用空温式气化器,我们可以有效地将石油气(LPG)和天然气(LNG)进行气化,这种技术具有低成本、高效率、低污染等优点。空温式气化器是由几个大小相同的竖直星型翅片管排列组合组成的,目前,这种设备常用的材质为铝合金,在操作过程中,LNG从翅片管进入,并向顶部流动,环境空气与管壁发生自然对流,热量将会传递到管内,LNG受热气化。沿流动方向,翅片管可分为蒸发段和过热段。LNG在气化过程中,AAV管温突降,随着时间的增加,周围空气中的水蒸气会在管壁凝结成霜[2]。许多站点一般会配有多个备用的气化器,从而在除霜过程中不影响LNG的气化效率。通常会在流体出口位置处安装一个水浴加热器,对天然气进行加热处理,从而让流体出口温度达到输出温度要求。

空温式气化器以空气作为热源,因此气化器在使用时,并不需要考虑地域要素的影响,所以运作成本偏低,同时,在一定程度上减少对周围环境的污染,并避免出现大量的废物排放。由于其结构简单,占地面积小,操作灵活等优势,因此在维护后,对比其他空化器而言更为简单,在沿海地区调峰站、LNG 加气站内有着广泛的应用[3]。然而,由于受到环境条件的影响,这种产品的传热性能仍然存在一定的问题,特别是当环境温度降低、湿度增高时,翅片管外的结霜更为容易,同时会伴随着传热恶化问题,不仅如此,气化器工作效率也会因为季节的不同发生变动。

空温式气化器在国内的发展时间较短,主要面向浙江和广东地方。因为空温式气化器与环境要素有直接关联,起初主要出现在南方气温较高地区,这些年来在全国范围中广泛推广,在东北严寒区域也逐渐被应用[4]。

韩国研究人员Lee[5]引入了吸收系数的具体定义,将吸收系数与饱和空气中的水蒸气密度联系了起来,构建了冷表面水蒸气凝结的数值模型,它能够很好的模拟结霜的情况。巴西研究人员 Hermes假定霜层为一种多孔介质,并参照结合质能平衡方程构建了结霜数值模型,分析了不同运行参数对霜层物性的影响。意大利研究人员 Fossa实验研究了竖直冷板的自然对流结霜发生,数据表明,随着时间增加,结霜严重,随着湿度的增加,结霜恶化,但冷表面温度对结霜影响较小。美国研究学者Gavelli借助 CFD 特定方法预测 AAV 作用下雾云的生成、散布和完全消失,在确定达到流量空气饱和时应当需要什么条件使用了适度计量方法。澳大利亚研究人员Sun等相关人员建立了超临界压力下 AAV 传热模型,研究了超临界压力下AAV的传热特性:Hyo-Min Jeong 等研究是借助 ICEM-CFD 工具软件形成三维图形网格划分,借助STAR-CD 进行三维模型计算,与实验数据对比分析了 AAV 管外霜层受管内温度、翅片管结构参数的影响,换热器采取使用特定的数值模拟方法并相互比较:MarcoFossa实验研究了竖直冷板结霜实验,并于数值模型计算结果分析;Miler研究了热泵运行情况下露天场合下翅片管的结箱情况,在这种情况下结霜的主要因素是环境温度和空气的湿度,高湿度情况下,结霜更严重:O'Neal研究了星型翅片管的结霜情况,改变了周围环境的空气参数以及翅片管之间角度去对比分析结霜规律,结果发现,霜层受空气参数和翅片管之间间距影响巨大;Senshu提出了一种预测不同工况下霜层生长速度的数据分析方法。他的研究结果表明,冷却系统的温度越低,霜层增长得越快;Ameen研究了平行板翅片的结霜,提出了一种具体的方法来预测不同工况下的过热蒸汽下各种不同翅片管水蒸气冷凝的具体情况,研究内容发现降低制冷系统的环境温度和气流流速会使结霜恶化:Christian J.L Hermes等相关研究人员从理论和实验两方面对平板表面的结霜和致密化进行了研究,假设霜层结构为多孔的介质,研究了影响结霜过程的主要因素。

2 超临界压力下空温式气化器传热特性研究

2.1 换热机理

尽管 AAV 是一种由多根翅片管组合而成(如图1所示),但其内部的换热过程十分复杂。本章研究 AAV 的进口位于翅片管下侧,出口位于翅片管上侧,当其开始工作时,冷凝液由下侧进入气化器,并在其流道中逐步吸收并气化,最后由其排出。LNG 被气化器气化所需要的热量主要来自于周围环境中的空气。当 AAV 表面发生结霜时,由于其表面结霜,形成了一种类似于隔热膜的结构,影响了热量的传递,降低流体与周围空气的换热效率。AAV 结霜之后,周围的空气要把热传递到翅片管中的流体,需要经过三种途径,即:与霜层的对流换热和霜层的导热、翅片管的管壁的导热、翅片管与流体的对流换热。LNG 在管道中将通过冷区、沸腾区、液膜强迫对流蒸发区、缺液区,最后由水蒸气的流动换热而排出,其相转变与流体形态密切相关,随着流体受热,管道中的气相比重会逐步增加,而液相比重会逐步降低,从而出现流体形态的变化。

图1 翅片管结构示意图

2.2 模型建立

由于其满足能量守恒规律,而在工程实践中,由于受到多种因素的干扰,其传递过程更加复杂。若适当地加以考量,则将提高其数学模型的困难程度。所以,可以对这些小的变量进行适当的简化或者忽视,并做如下假定:

(1)在计算模型时,将翅片管沿LNG流动方向分成若干个相等的微元段,各个微元段的任意时间中,霜层物性参数在厚度方向均保持均匀的分布状态;(2)翅片管轴向长度远大于径向长度,因此管外霜层生长视为一维;(3)霜层的生长是一个动态的,但在微元时间内可以视为稳定状态;(4)周围大气的温度保持不变;(5)翅片管上的空气流动看作是自然对流的传热过程;(6)操作过程中保持稳定的压力;(7)不考虑接触热阻效应;(8)不考虑PN结之间的间歇;

在结霜状态下,翅片管管外能量主要包括空气与霜层间的自然对流换热,水蒸气的气化潜热以及周围空气和霜层表面间的辐射换热。根据准稳态假设,建立了结霜条件下各个时间间隔内传热微元段的能量平衡方程如下:

在其结霜处理后,翅片管微元段和空气的真实传热面积扩大为:

霜层传质速率:

由于超临界压力影响,在不同温度的作用下,热物性参数有显著的变动。

其中:

管内对流换热系数:

在上述公式中:

Af—翅片管外表面积;Ta—空气温度(K);Tf—霜层表面温度;sv—水蒸气的气固相变焓;ε—霜层辐射常数;—翅片管外表面温度(K);Twi—翅片管内表面温度(K);λ—导热系数,W/( m ·K);l—微元段长度(m);n—翅片个数;y—翅片高度(m);dout—翅片管外径;din—翅片管内径,λAl—铝合金导热系数,W/(m ·K),yfr—结霜翅片高(m);dfr—结霜翅片管外径,hm—表面传质速率(m/s);ρva—空气水蒸气密度(kg/m3) ;ρvf—霜表面水蒸气密度,Nu—努塞尔特数;Reb—管内LNG雷诺数;Prb—管内流体普朗特数;ρw—内流体密度 ;ρb—管内流体密度,Tb—流体的温度;Tw—管子内壁面温度;Tpc—流体的临界温度;hf—管内换热系数。

2.3 计算流程

采用FORTRAN软件对整个运行过程进行模拟 ,其操作流程如下所示:

(1)分别输入环境参数、运行参数、翅片管结构参数、PN结参数。

(2)决定时间和长度步长以及迭代次数。

(3)在t时间点,先假定 AAV 外壁温度TAl,o,从而得出了 假定霜层表面温度Tfs,通过二分法进行迭代得出了实际的Tfs,从而计算出其他实际霜层物性参数以及外层各壁面温度,之后假定 PN结冷端温度TL,进而得到 PN结各参数以及热端能量QH, 再通过二分法进行迭代得出了实际的TL,从而计算出实际PN结各参数以及冷端能量QL;并依次计算出内层各壁面温度。然后通过 REFPROP 物理特性软件中的NIST 程序,通过焓值的方法计算出液体的温度Tf和管道中热流密度Q3,来判定是否符合精度要求,若Q3、QL,符合精度条件,就继续进行下一个微单元的运算。若不符合精度的条件,若Q3大于QL,那么TAl,o=TAl,o+0.000 01,反之TAl,o=TAl,o-0.000 01,这样反复进行以上的运算,直到管道长度的迭代完成。

(5)通过对时间步长进行反复求解,得到了某一时段的空温式气化器的总体热电参数。

(6)输出各热电性能参数。

2.4 边界条件设置

计算所采用的参数如表1所示。

表1 结构参数

3 结果与分析

3.1 管内流体温度

随着管长的增加,管内流体温度持续增加,在气液共存段,管内流体温度增长较为缓慢,在单相液段,管内流体温度增加且增加速率较大,在单相气段,管内流体温度先增加较快,之后增加较为缓慢。随着时间的增加,管中不同位置的LNG流体温度保持稳定,而管内流体温度将根据管长持续增加,最后在出口位置趋于稳定。

3.2 管外壁面温度

翅片管外壁面温度沿管长分布规律和管内流体温度基本一致,反观气液两相区外壁面温度会出现一个突降点,主要是因为壁面温度273.15 K,满足不结霜的情况,并且在临近出口端外壁温有所减少,导致管内外能量平衡后又出现新的增长。随着运行时间的增加,流体温度和管外壁面温度不断降低,这是由于霜层的生长导致了传热的恶化。

3.3 霜层厚度

随着管长的增加,霜层厚度不断降低,在单相液段,下降速率较为缓慢,在气液共存段,逐渐趋于稳定,主要是两相区换热为蒸发沸腾换热,管内外温差减小导致具有较高的换热系数,从单相气段看,霜层厚度将降低至0 mm,主要是因为管外壁面温度和环境温度基本一致,能持续降低结霜速率。霜层大都覆盖在单相液段和气液两相段,单相气段只有少部分霜层覆盖,随着时间的增加,霜层变得越来越厚,导致传热受到严重阻碍,因此需要及时对翅片管除霜以提高气化器的换热效果。

3.4 霜层表面温度

当管道长度增加,霜层的表面温度持续升高,但其升温速度在0～7 m距离内比较缓慢,然而,超过7 m后,温度的上升速度显著提升,这使得结霜逐渐稳定。随着运行时长的增长,霜层表面温度的上升速度持续下滑,与此同时,管道长度内霜层所占比例也在增大。通过时间维度分析,我们可以看到,尽管运行时长不断延长,霜层表面温度仍在上升,但不同时间节点之间的温度差距在逐步降低。

3.5 霜层密度

随着管长的增加,霜层密度在持续提升,并且在0～9 m 中其增长速率较为缓慢,如果大于9 m,则增长速率相对提升,这是因为9 m之前霜层主要进行厚度的增长,其次进行密度增长,而当管长超过9 m 时,霜层主要进行密度的增长,其次进行厚度的增长。随着时间的增加,霜层的密度在不断地增加。

3.6 管内外对流换热系数

在单相液段和气液共存段,管外对流换热系数在持续增加,并且增长速率相对较低,主要是因为结霜比较严重,使得管外换热系数较小,但在单相气段,当霜层逐渐消失后,霜层表面粗糙度也会持续减少,进而使管外换热系数突降,不结霜时的换热系数与结霜时换热系数相比更低,但趋势都大致相同。单相液段和单相气段,管内换热系数和气液两相区相比,明显很小,这是由于在该区域LNG的热物性发生剧烈变化,导致传热强化,并且出现峰值,随着时间的增加,管内换热系数的峰值逐渐增加,但峰值位置逐渐后移,这是由于霜层的影响。