张磊
肇庆佛燃天然气有限公司 526100
摘要：随着能源的日益短缺及环境保护政策的大力实施，空温式气化器以其清洁、能耗低的优势在液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称 LNG）气化站内得到广泛应用。空温式气化器的传热性能研究是一项十分重要的技术基础性工作，可为空温式气化器的合理选型及经济评价提供理论依据，也可作为工程设计的参考，具有现实意义。
关键词：LNG 空温式气化器；传热性能；数值模拟
1 LNG空温式气化器的结构
图1 空温式气化器
本文以实际运行中的某空温式气化器为例，对单根翅片管的进行数值模拟，并对其温度场、速度场及空气对流传热系数的分布进行分析。
2 单根翘片管数值模拟
LNG 在空温式气化器内气化的整个过程为自然对流、导热、强迫对流及沸腾相变的耦合问题，有实际意义的物理问题大多无法获得解析，只能采用软件Fluent数值计算的方法。以某LNG空温式气化器为研究对象，其单台设计气化量为1250m3/h，工作压力为1MPa，单根翅片管的长度为5m，翅片管外径D1为14mm，内径D2为10mm，翅片高度为15mm，翅片厚度为3mm，翅片管的材质为铝合金。
2.1 数学模型的建立
直接模拟实际换热过程非常困难，基于以下假设进行简化：
（1）整个换热过程为充分发展的稳态换热；
（2）翅片及基管材料的热物性参数各向同性且不随温度变化而变化；
（3）忽略辐射换热的影响；
（4）空气侧为干空气，初始温度分布均匀，不计环境风速对换热的影响；
（5）刚进入气化器的低温LNG与气化器中原有LNG的混合式在瞬间完成，即气化器中LNG的温度和各组分的比例在液体内部是均匀的。
Fluent软件对空温式翅片管气化器内天然气的传热传质过程进行数值模拟，数值求解区域均遵循稳态质量、动量和能量基本控制微分方程。
质量守恒控制方程：
2.2 网格划分
翅片管空气侧传热为大空间的自然对流，因此几何模型将空气侧计算区域沿翅片高度方向扩大4倍（如继续扩大空间，传热量几乎不变）的圆柱形区域。空温式气化器翅片管的表面和结构较为简单和规则，使用Gambit对计算模型进行离散，划分为结构化六面体网格，管内近壁区域划分边界层。
2.3 边界条件
2.3.1入口边界
由于计算区域分为管程和管外空气侧区域，入口边界有三个：空气侧顶部入口和空气侧面入口为压力入口边界（pressure inlet），翅片管内液化天然气入口为速度入口边界（velocity inlet）。
（1）空气侧顶部和侧面压力入口边界
于空气是可压流，受浮力驱动的流动，压力已知速度未知，设置为压力入口边界，需要输入的信息有：驻点总压、驻点总温、流动方向、静压、湍流参数。
（2）管程天然气速度入口边界
管程液化天然气入口为液态不可压，且已知入口流速，设置为速度入口边界。需要输入的信息有：湍流参数、入口温度、入口速度大小与方向和离散相的体积分数。管程液化天然气的入口速度为0.05m/s，入口温度为113K。离散相体积分数为0。
2.3.2 出口边界
模型中的出口边界有：翅片管压力出口边界和空气区域底部压力出口边界。压力出口边界需要输入湍流参数、驻点温度、回流条件、静压和离散相体积分数。设定管程出口静压为 0.5MPa，温度为 270K，回流条件选择 Normal to Boundary，第二相体积分数为1；空气压力出口静压为101325Pa，温度为285K。
3 模拟结果与分析
3.1 温度场分布
液化天然气由翅片管底部流入，在流动过程中升温气化，经过过冷液体→饱和液体→气液两相→饱和气体→过热气体等状态的变化，由翅片管顶部流出。如图2 翅片管温度场分布。
图2 XOY 截面处温度分布等势图
图2为单根翅片管XOY截面处温度分布等势图。由图可见，由翅片管内部至外侧空气区域温度依次升高，翅片管内为天然气气液两相混合物，温度最低，截面中心区域温度平均为180K左右，靠近内管管壁处温度约为200K；翅片温度由外至内逐渐降低，平均温度在 230K，在靠近基管处温度降低到210K左右；贴近翅片管外侧的空气区域，温度平均在250K 左右，距离翅片越远，空气的温度越高，翅片间的空气区域温度由内而外逐渐增大。这是由于热量由空气经过自然对流作用传递至翅片管，经过翅片管和基管的导热，热量传递给内管，在内管强制对流作用下热量最终传递给管内介质。
3.2 速度场分布
气化过程中，翅片管外侧的空气将热量传递给液化天然气，温度降低引起密度增大，在重力作用下下沉，引发自然对流作用，速度分布如图3所示。
图3 翅片管 XOY 截面处速度分布等势图
由图可见，空温式气化器单根翅片管的基管和翅片附近的空气流速较高，在翅片和基管形成的夹角内空气流速最高，在贴近壁面处的速度为 0。这是由于基管和翅片管的温度较低，使得流道此区的空气温度较低，由气体密度随温度的变化关系可知，温度越低密度越大，因此在空气密度差及重力的作用下，空气沿着壁面向下沉降；在下降的过程中，空气不断从壁面吸收冷量，且越往下壁面温度越低，空气与壁面的温差越大，吸收冷量越多，温度继续下降，并使得相邻空气温度降低，使之随同下降，因此向下流动的空气沿壁面自上而下逐渐增厚；空气的自然对流作用是由温度场分布不均引起的，因此速度分布依赖于温度场的分布，壁面附近的空气的粘性作用大于沉降作用，速度接近于 0；在距离壁面适当的距离处的空气与环境空气的密度差较大，密度差也越大，因而沉降速度较大；远离壁面的空气几乎不受低温翅片管的影响，温度变化不大，因而速度为 0。
4 结论
（1）通过对翅片管传热传质过程进行数值模拟，得到了翅片管横截面的温度场分布，距离翅片越远，空气的温度越高，翅片间的空气区域温度由内而外逐渐增大。
（2）通过对翅片管传热传质过程进行数值模拟，得到了翅片管得速度场分布，空温式气化器单根翅片管的基管和翅片附近的空气流速较高，在翅片和基管形成的夹角内空气流速最高，在贴近壁面处的速度为 0。
（3）通过对翅片管传热传质过程进行数值模拟，得到了翅片管横截面的温度场分布，速度场分布，更直观地描述了 LNG 在翅片管内气化的整个传热传质过程。
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论文作者:张磊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/25
标签：空气论文; 温度论文; 翅片管论文; 边界论文; 速度论文; 入口论文; 天然气论文; 《防护工程》2018年第10期论文;