浸没燃烧式气化器换热管内跨临界液化天然气的传热特性

董文平，任婧杰，韩昌亮，杜丹，毕明树



浸没燃烧式气化器换热管内跨临界液化天然气的传热特性

董文平，任婧杰，韩昌亮，杜丹，毕明树

（大连理工大学化工机械与安全学院，辽宁大连116024）

浸没燃烧式气化器（SCV）换热热阻主要存在于换热管内部，研究管内跨临界液化天然气（LNG）传热特性对提高设备整体的换热效率具有重要意义。本文建立了能够描述换热管内跨临界LNG流动与传热过程的数值计算模型，分析了换热管内LNG的传热规律，获得了入口速度、入口压力和壁面热通量对局部传热系数的影响规律，提出了适用于预测管内跨临界LNG传热特性的量纲为1关联式。结果表明，沿着LNG流动方向，局部流体传热系数先增大后减小，且最大值出现在拟临界温度附近，超临界条件下LNG热物性剧烈变化是引起强化传热的主要原因；在一定范围内，提高入口速度可以有效地强化流体传热能力，局部流体传热系数的最大值主要取决于入口压力，增加壁面热通量会缩短局部流体传热系数达到最大值所需的时间；提出的量纲为1传热关联式平均绝对相对误差为6.53%，且预测值落在±25%相对误差范围内的比例为99.42%。该研究成果可为掌握SCV设计方法和高效运行技术提供参考。

浸没燃烧式气化器；跨临界液化天然气；传热；数值模拟

工程中液化天然气（LNG）以常压下111K的条件存储于LNG低温储罐[1]，在向下级供应前，需通过气化器升温气化成天然气（NG）形式。目前LNG接收站中常用的气化器主要有4种类型：空温式气化器（AAV）、开架式气化器（ORV）、浸没燃烧式气化器（SCV）和中间介质式气化器（IFV）[2]。其中，SCV主要由燃烧器、蛇形换热管束、烟气分布器、围堰及箱体等结构组成，如图1所示。SCV运行时，燃烧器产生的高温烟气从分布器支管上的小孔以鼓泡形式涌入水浴，气泡群引起水浴的剧烈扰动，最终壳程形成了气液两相混合物横掠管束流动与传热形式。与此同时，水浴不断将热量传递给换热管束内的低温LNG，使其实现升温气化过程。由于SCV具有安全可靠、启动快和换热效率高等优点[3]，已被广泛应用于LNG接收站调峰系统。然而，国内SCV大多是从德国、日本和韩国公司进口而 来[4]。因此，研究SCV流体流动与传热特性对实现其国产化设计具有重要意义。

图1 典型SCV结构示意图

SCV技术难点主要有两方面：①管程跨临界LNG流动与传热；②壳程烟气-水两相混合物横掠管束流动与换热。本文主要研究SCV换热管内跨临界LNG的传热特性。目前，针对圆管内跨临界LNG的换热研究并不多见，国内外相关文献多是基于超临界CO2、H2O及CH4等介质展开的。张康[5]、 MENG[6-7]等分别通过数值模拟方法揭示了换热圆管内跨临界LNG的压力场、温度场和速度场，并分析了不同操作参数对管内流体传热能力的影响。齐超等[8]将SCV换热管简化为一维模型进行了传热计算，并分析了壁温、水浴温度和传热系数的变化规律。HAN等[9]比较了不同传热关联式对管内跨临界LNG传热系数的预测情况，指出了Petukhov类关联式能相对较好地预测管内跨临界LNG传热系数。WANG等[10]对水平微细圆管内超临界CH4传热特性进行了研究，并对JACKSON和HALL共同提出的传热关联式进行了修正。YAMAMOTO[11]、HE[12]、PANDEY[13]等分别采用不同数值计算方法研究了超临界CO2在换热管内流动与传热特性。BOVARD等[14]对竖直圆管内超临界CO2和H2O的流动与传热过程进行了研究，并提出了适用于其研究范围内的传热关联式。VINOTH等[15]建立了竖直圆管内超临界H2O流动与传热模型，研究了热通量和质量通量对传热的影响规律。

虽然关于超临界CO2和H2O的传热关联式很多，但目前尚未有能够预测SCV管内跨临界LNG传热系数的通用关联式。鉴于此，本文建立实际SCV单根换热管的三维模型，采用数值模拟方法对管内跨临界LNG的传热特性进行研究，分析不同操作参数对换热管内局部流体传热系数的影响规律，并提出新的量纲为1传热关联式，为掌握SCV设计方法和高效运行技术提供参考。

1 数学模型及其求解

1.1 物理模型

LNG临界温度为190.7K，临界压力为4.55MPa。而工程SCV管程操作压力一般为5～10MPa，进出口温度为118～274K[16]。因此低温LNG在换热管内将经历纯液态到超临界态的气化过程。图2为SCV单根换热管的物理模型，其中管外径为32mm，长直管长度1为6898mm，短直管长度2为6308mm，小弯管半径1为60mm，大弯管半径2为180mm。

1.2 物性计算

LNG由多种成分组成，各组分的摩尔分数见表1。

图2 SCV换热管物理模型

表1 LNG各组分的摩尔分数

本研究采用美国国家标准研究院（NIST）开发的REFPROP软件包计算了不同压力下LNG热物性参数。计算过程中将LNG热物性视为温度的单值函数，采用线性插值法并利用UDF函数输入到Fluent软件中。

1.3 数学模型和边界条件

为了建立SCV换热管内跨临界LNG传热计算模型，作出以下合理简化：

（1）换热管壁面为无滑移条件；

（2）换热管内压力恒定；

（3）LNG在换热管内处于稳定流动状态，同时管内介质为可压缩流体；

（4）为了保证换热管进出口为充分发展流动，设置进出口一定长度范围内的管壁为绝热条件。

采用RNG湍流模型和标准壁面函数来模拟换热管内流体流动与传热特性。基于以上假设，计算过程中流体满足的控制方程[6,17]如式(1)～ 式(5)。

质量守恒方程

式中，x代表方向，=1,2,3；为流体密度，kg/m3；u为流体在方向的速度分量，m/s。

动量守恒方程

式中，x代表方向，= 1,2,3；u为流体在方向的速度分量，m/s；为流体静压力，Pa；τ为作用在流体上的切应力，Pa；ρg为流体在方向的重力分量，kg/(m2∙s2)。

能量守恒方程

式中，为焓值，J/kg；为流体热导率，W/(m∙K)；k为湍流热导率，W/(m∙K)；为流体温度，K。

湍流动能输运方程

式中，为湍流动能，m2/s2；α为方程的湍流普朗特数；eff为有效动力黏度，Pa∙s；G为由平均速度梯度引起的湍流动能，m2/s2；b为由浮力引起的湍流动能，m2/s2；为湍流耗散率，m2/s3；M为可压缩湍流流动脉动膨胀对总的耗散率的影响。

湍流耗散率输运方程

换热管入口设置为速度入口边界条件，给定LNG入口速度和温度；换热管出口设置为压力出口边界条件；根据实际LNG气化所需要的热量采用平均热通量为恒定热通量壁面边界条件。

文中所涉及的局部流体传热系数计算公式和Dittus-Boelter公式分别如式(6)、式(7)。

式中，为局部流体传热系数，W/(m2∙K)；为局部壁面热通量，W/m2；w为横截面上换热管壁平均温度，K；b为横截面上流体平均温度，K；为管内流体Nusselt数；为管内流体Reynolds数；为管内流体Prandtl数。

1.4 网格划分和数值方法

采用Gambit软件对上述计算区域进行结构化网格划分，具体的网格结构如图3所示。

图3 换热管截面及弯管处网格示意图

为了较好地捕捉靠近壁面附近边界层内流体流动与传热状态，需将与壁面相邻的第一个网格节点置于湍流充分发展区域内。因此在网格划分前，需采用量纲为1数y对第一层节点与壁面之间的距离进行估算，保证计算完成后y值仍介于30～300之间。其中，量纲为1数y的计算公式为式(8)。

式中，为首层网格的高度，m；为流体的平均动力黏度，Pa·s；w代表壁面的平均切应力，Pa；代表流体的平均密度，kg/m3。

在满足网格划分要求的条件下，选取5组不同网格数目的换热管进行网格无关性考察，如表2所示。考虑到计算时间及数值耗散程度，最终确定换热管的网格数为4914720个。

利用商业软件Fluent14.5进行数值模拟计算。采用有限体积法对控制方程离散；动量方程离散方式选用Quick格式，其他方程均采用二阶迎风格式；控制方程求解方法选择基于压力求解器中的Simple算法；能量残差收敛标准为10–7，其他变量收敛标准为10–4。当残差低于收敛标准且监测的平均介质出口温度不变时，近似认为收敛。

表2 网格无关性考察

1.5 模型验证

采用上述数值计算方法对江苏LNG接收站[18]的SCV管程流体流动与传热过程进行了数值模拟，并将模拟结果和实际监测数据进行对比，验证结果如表3所示。可以看出，模拟计算所得到的NG出口温度和实际数据基本一致，两者偏差小于5%。说明了本研究数值计算方法比较合理，可以采用该方法进行相关的模拟分析。

2 结果与讨论

2.1 换热规律分析

超临界压力下，LNG的定压比热容存在局部最大值，这个峰值所对应的温度称为该压力条件下的拟临界温度[19]。LNG热物性在拟临界温度附近会发生显著变化。图4给出了不同压力下LNG热物性曲线。可以看出，定压比热容随温度增加先增大后减小，并且压力越大，定压比热容的峰值越小。而密度、黏度和导热系数随着温度增加而连续减小，在拟临界温度附近下降幅度达到最大。

图4 6.98MPa和9.35MPa压力下LNG的热物性曲线

图5给出了数值模拟结果和Dittus-Boelter公式计算结果对比情况。可以看出，沿着管程LNG流动方向，局部传热系数先增大后减小，且最大值出现在拟临界区域内。当主流体温度靠近拟临界温度时，流体定压比热容迅速增加并达到峰值，LNG可以从圆管外壁吸收更多热量用来升温，减小了主流体与圆管壁的温差，增大了局部流体对流传热系数，起到了强化传热的效果[20]；当主流体温度超过拟临界温度时，随着流体温度升高定压比热容、导热系数和黏度逐渐减小，削弱了流体传热能力，导致局部传热系数不断减小。以上结果说明在超临界压力下，LNG热物性对换热管内流体传热特性起着至关重要的作用，尤其是定压比热容。

表3 数值模型验证结果

整个换热过程中，LNG密度随着温度呈连续变化趋势，因此LNG受热过程属于单相流体的气化转变，不存在相变[21]。由于跨临界LNG热物性的剧烈变化，使得Dittus-Boelter公式不再适用于预测SCV管程流体流动与传热特性。

2.2 操作参数对传热的影响

图6显示了不同LNG入口速度对管程局部流体传热系数的影响。从图6可以看出，随着入口速度的增加，同一截面上LNG的局部传热系数增加。这是因为增加入口速度，管内流体的湍动性和扰动性加剧，有效地减小了边界层的厚度，从而使主流体和壁面间的温差大大缩小，增强了换热效果[22]。另一方面，入口速度的增加使得换热管内LNG受热时间缩短，导致LNG升温较慢，故拟临界温度点出现的位置较靠后，对应的局部传热系数的最大值也随之向NG出口方向移动。总体而言，在一定范围内，提高LNG进口速度可以强化管内传热。

图5 Dittus-Boelter公计算结果和模拟结果

图6 LNG入口速度对局部流体传热系数的影响

图7显示了不同LNG入口压力对管程局部流体传热系数的影响。可以看出，不同压力下局部传热系数曲线形状基本相同，并且局部传热系数最大值随着入口压力的增加而变小。这是因为与临界压力相比，压力越大，LNG热物性变化趋势越平缓，定压比热容的峰值越小。因此可以说明局部流体传热系数的最大值主要取决于LNG入口压力。

图8显示了不同壁面热通量对管程局部流体传热系数的影响。可以看出，在其他条件相同时，壁面热通量对换热效果有显著影响。随着热通量增加，局部传热系数达到最大值所用的时间越短。这是因为热通量越大，管内LNG吸收的热量就会越多，致使主流体温度在较短时间内接近拟临界温度。此外，从图中还可以看出，局部传热系数的最大值随壁面热通量的增加而略有减小。

图7 LNG入口压力对局部流体传热系数的影响

图8 壁面热通量对局部流体传热系数的影响

2.3 传热关联式的建立

根据上述传热规律分析，可以发现超临界压力下LNG热物性剧烈变化是引起强化传热的主要原因。为了能够准确地对换热圆管内跨临界LNG的传热特性进行预测，采用壁面温度与主流体温度下LNG热物性的比值对Dittus-Boelter关联式进行 修正。

本研究提出的量纲为1传热关联式具体形式如 式(9)。

基于数值模拟数据对上述公式进行多元化非线性回归拟合，得到的新的量纲为1传热关联式为式(10)。

为了评估该量纲为1传热关联式的预测精度，采用相对误差和平均绝对相对误差进行了定量分 析[23]，其相关定义为式(11)。

式中，e为预测值的相对误差；为数据容量；sim为数值模拟计算得到的；pred为由本研究提出关联式计算得到的；1为预测值的平均绝对相对误差。

图9显示了本研究所提出关联式的预测值和数值模拟值的对比情况。可以看出，该关联式预测值的相对误差大部分落在±20%之内。经误差分析，预测值的平均绝对相对误差为6.53%，且落在±5%、±15%和±25%相对误差范围内的比例分别为57.89%、83.63%和99.42%。说明本研究提出的量纲为1传热关联式能够用来预测SCV换热圆管内跨临界LNG的传热特性。

图9 本研究量纲为1关联式预测值和数值模拟值的对比

3 结论

建立了描述SCV换热管内跨临界LNG流动与传热过程的数值计算模型，对跨临界LNG的传热特性进行了数值模拟研究，分析了入口速度、入口压力和壁面热通量对局部流体传热系数的影响，得到如下主要结论。

（1）受跨临界LNG热物性剧烈变化的影响，在拟临界温度附近，SCV管程流体对流传热能力 增强。

（2）在一定范围内，提高LNG入口速度可以有效地强化管内流体传热能力，相同位置处局部流体传热系数随速度增加而增大；管程局部流体传热系数的最大值主要取决于LNG入口压力，局部传热系数的最大值随LNG入口压力增加而减小；壁面热通量对流体传热特性有显著影响，局部流体传热系数达到最大值所需时间随热通量增加而减少。

（3）基于对不同操作参数下换热管内流体传热规律的分析，提出了适用于预测SCV圆管内跨临界LNG传热特性的量纲为1关联式。在模拟数据范围内，该关联式能准确计算换热圆管内跨临界LNG的传热系数，可为掌握SCV设计方法和高效运行技术提供参考。

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Heat transfer characteristic of-critical liquefied natural gas on tube-side of submerged combustion vaporizer

DONG Wenping，REN Jingjie，HAN Changliang，DU Dan，BI Mingshu

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

The thermal resistance of submerged combustion vaporizer（SCV）mainly locates inside the heat transfer tube. The study on the heat transfer characteristic of-critical liquefied natural gas （LNG）is of great significance to improve the whole heat transfer efficiency of SCV. Therefore，numerical model was developed to describe the flow and heat transfer process of-critical LNG in the tube. The heat transfer law of-critical LNG in the tube was analyzed. And the effects of inlet velocity，inlet pressure and heat flux on the heat transfer behaviors were obtained. A new non-dimensional correlation was proposed，which was suitable to predict the heat transfer characteristics of-critical LNG. Results showed that the local heat transfer coefficient firstly increases and then decreases，and the maximum value appears in the vicinity of the pseudo-critical temperature. The thermo-physical properties of-critical LNG play a vital role in heat transfer enhancement. The local heat transfer coefficient is enhanced with the increase of inlet velocity. The maximum local heat transfer coefficient depends on the inlet pressure within limits. As the heat flux increases，the maximum local heat transfer coefficient appears earlier. The mean absolute percent error of the proposed non-dimensional heat transfer correlation is 6.53%. 99.42% of the data fall within the error zone of ±25%. The study can provide theoretical guidance for the design and economical operation of SCV.

submerged combustion vaporizer；-critical LNG；heat transfer；numerical simulation

TE088

A

1000–6613（2017）12–4378–07

10.16085/j.issn.1000-6613. 2017-0656

2017-04-14；

2017-05-19。

中央高校基本科研业务费专项资金资项目（DUT16QY29）。

董文平（1993—），女，硕士研究生。

毕明树，教授，研究方向工业介质爆炸灾害防治理论与技术、工业装备结构力学分析理论与技术、过程节能理论与技术等。E-mail：bimsh@dlut.edu.cn。