开架式气化器换热管预冷过程传热数值模拟

任金平 于春柳 陈 兵 张 琪 马政足 鄢强强

(1 陇东学院化学化工学院 庆阳 745000)

(2 宁夏天利丰能源利用有限公司 吴忠 751000)

(3 陕西梓存新能源科技有限公司 渭南 714000)

1 引 言

随着全球清洁能源需求量的快速增长和各国低碳化发展战略的深入推进,天然气作为一种优质、清洁、高效的化石能源,成为21 世纪能源结构优化的重要发展对象。在天然气的使用过程中,液化天然气(LNG)以其特有的运输、贮存、安全等优势,近年来市场规模不断扩大,已成为推动全球天然气消费量增长的重要力量。开架式气化器作为LNG 使用的配套设备,以海水为热源,通过海水与换热管之间的换热,将LNG 气化成具有一定温度和压力天然气的装置,目前得到广泛关注。

Morimoto 等[1]对开架式气化器传热管结构、工作原理和传热特性进行了研究;王萌等[2]建立整体换热过程传热计算模型,描述气化段和加热段传热过程,并进行数值模拟,得到各个局部表面换热系数和温度分布曲线,并推导出传热管总换热系数和热流密度的分布曲线;Deng Z A 等[3]发现十字形扰流杆的应用对换热管换热性能有影响,使其换热效率提高;Negoescu C C 等[4]和成赫等[5-6]以液氮代替LNG,分别采用数值模拟和实验研究的方法对竖直管内超临界氮换热特性进行分析,研究了氮入口压力、水温、水流量、不同管型、质量流量、热流密度等参数对换热的影响;潘杰等[7]针对气化传热过程建立基于能量平衡的分布参数模型,通过数值模拟获得流体和管壁温度以及对流传热系数分布特性,分析运行参数和结构对传热特性的影响;许燕等[8]应用HYSYS 软件研究LNG 流量、天然气管网压力、海水温度等因素扰动变化时,天然气出口温度、海水出口温度、海水进出口温差、换热量、换热器平均温差等主要操作参数的动态响应趋势;吕国政[9]等对加热段的复杂流道进行数值模拟研究,得到插入不同参数扰流杆的换热管各工况下表征对流换热强度的努塞尔数和阻力特征的摩擦因子。

尽管上述各成果从不同方面对超级开架式气化器理论问题进行了研究,为实际工程应用奠定了一定基础,但是对开架式气化器从刚开始工作的预冷到随后持续进行的稳定换热过程中,换热管内流体传热过程未做详细研究,且如何在热量交换过程中得到较高的换热效率,仍然是实现过程工业中节能降耗面临的主要问题。因此,本研究拟采用数值模拟的方法,对开架式气化器换热管内流体的换热过程进行数值模拟,并对反映气化器性能的结果进行分析和讨论,以期为开架式气化器缩短预冷时间,提高预冷效率,减小海水用量,降低运行成本提供参考,促进LNG 产业的快速发展。

2 换热管结构及工作过程

本研究用换热管结构如图1 所示。为了强化换热,换热管内外壁面设置了翅片,换热管内壁面设置有8 个围绕管体向中心以辐射状均布的内翅片;换热管外壁面前后设置互相对称的5 个外翅片,中间外翅片的翅根和翅尖高,两端外翅片翅根和翅尖低,且两边外翅片的翅根和翅尖关于中间外翅片对称。开架式气化器由若干换热管束板组成,而管板束由多根相同的换热管之间焊接,且两端分别与集液管和集气管焊接构成,可见换热管是开架式气化器的基本换热单元,为了省略换热管与换热管之间的焊接环节,换热管外壁面左右设置有肋,左肋带有矩形槽,槽宽略大于右肋厚度,安装时一根换热管的右肋装配到另一根换热管左肋的矩形槽内,便于安装定位。

图1 换热管结构图1.左肋;2.外翅片;3.内翅片;4.右肋。Fig.1 Diagram of heat transfer tube structure

实际工作时LNG 走换热管内,从集液管中逐一流进每根换热管内,在管内自下向上流动,被分为加热段、气化段和过热段3 个阶段;海水走换热管外,通过海水分布器,以水膜的形式紧贴换热管外壁面,依靠重力的作用,自上而下沿着换热管外壁流动。通过换热管的换热作用,海水将热量传递给管内LNG,LNG 经过气化后达到出口设计温度的天然气,流入顶部集气管,然后进入输送管网。

3 物理模型和边界条件

开架式气化器换热管加热段与外部环境温差最大,预冷过程中存在着复杂的两相流及传热过程,流体流态也会发生剧烈变化;大量研究表明加热段换热管换热性能高低对开架式气化器整体换热性能起着决定性的作用,壁面结冰现象首先也从该段开始,最大结冰高度可达到454 mm;开架式气化器所有换热管结构相同,可取一根进行研究。基于上述考虑,本研究用Proe5.0 软件建立从LNG 入口端面开始,长度为1 000 mm 的单根换热管加热段三维物理模型,海水膜厚度分别取2 mm、4 mm、6 mm 和8 mm。

采用 ANSYS Workbench 软件自带的 ANSYS ICEM-CFD 对建立的换热管三维模型进行计算网格划分,为了确保计算速度和收敛精度,采用四面体非结构网格划分方式,对流体与固体接触面网格进行适当加密,用软件自带的流体分析(FLUENT)模块对划分好的网格模型进行有限元分析,数值模拟开架式气化器换热管预冷过程。由于换热过程复杂,为了计算的方便,对边界条件和初始计算条件作适当假设及简化处理:(1)海水膜与换热管外壁之间接触紧密,无接触热阻;(2)LNG 看作液态甲烷,选用液态甲烷物性参数;(3)假定LNG 为不可压缩流体,天然气作Boussinesq 假设处理;(4)海水膜厚度统一,内部均匀一致,与外界环境无质量和热量的交换;(5)换热管材料选择铝合金SB221-6063,忽略温度对铝合金导热率等物性参数的影响。LNG、海水、6063 铝合金物性参数见表1,LNG 从底端进入换热管内部,自下向上流动,沿管程不断加热,气化后的天然气由顶端输出,海水从顶端开始,沿换热管外壁从上向下流动,开架式气化器工艺操作参数见表2,海水膜与换热管边界、LNG 和天然气与换热管边界均设置为耦合边界。

表1 LNG、海水、6063 铝合金物性参数Table 1 Physical property parameter of LNG,seawater and 6063 aluminum alloy

表2 开架式气化器工艺操作参数Table 2 Operation parameters of superORV process

4 模拟结果及分析

4.1 温度场随时间变化过程

图2 为换热管内流体温度场分布云图,其中图2a、图2b、图2c、图2 d 分别为1 s、2 s、3 s 和5 s 时换热管内流体温度场分布云图,图中从上到下每行换热管外海水膜厚度分为2 mm、4 mm、6 mm 和8 mm,从左到右每列分别为距离 LNG 入口端200 mm、400 mm、600 mm、800 mm 和1 000 mm 处换热管内流体截面温度场分布云图。从图中可以看出,所有换热管内流体截面温度场分布上下对称,左右不对称,这是因为换热管上有左右肋,右肋设置有槽道,使换热管左右结构不称,影响换热管内流体截面温度场分布。从1 s 到5 s,换热管内流体温度场分布逐渐趋于稳定,1 s、2 s 和3 s 的流体温度场分布云图有差异,3 s和5 s 的流体温度场分布云图一样,这是因为换热管开始工作时存在预冷过程所致,说明1 s 到2 s 为换热管的预冷过程,将该过程换热称为非稳定换热,3 s时换热管内流体与换热管之间的换热已稳定,将3 s以后的换热管换热称为稳定换热,当海水膜流速为1 m/s,LNG 流速为0.6 m/s 时,换热管预冷时间为2 s。距离LNG 进口端越近,换热管内流体截面温差越大,中心处温度最低,沿径向逐渐升高,靠近翅片处流体温度最高,同样距离LNG 进口端越近,温度分层现象越明显,距离LNG 进口端越远,换热管内流体温度逐渐趋于统一。在非稳定换热阶段,对比相同海水膜厚度不同截面处流体温度场分布云图可以看出,无论海水膜取多厚,距离LNG 进口端400 mm 处流体最低温度均已大于127.9 K,说明此处LNG 已经全部气化;对比同一截面不同海水膜厚度流体温度场分布云图可以看出,海水膜厚度越厚,流体平均温度越高,距离LNG 进口端1 000 mm 处,随着海水膜厚度的增加,接近海水膜入口温度的流体量越多。在稳定换热阶段,不同海水膜厚度对应流体温度场分布云图几乎一样,说明稳定换热阶段海水膜厚度对换热管内流体温度场分布无影响,即对换热管内流体传热特性无影响。由此可见,开架式气化器在实际运行过程中,开始时可以采用增大海水膜厚度和流速的措施缩短预冷时间,提高预冷效率,预冷结束进入稳定换热后可以减小海水膜厚度和流速,降低运行成本。

4.2 速度场随时间变化过程

图3 为换热管内流体速度场分布云图,图的布置形式和图2 一样图。从图中可以看出,截面速度场分布上下对称,左右不对称,这是因为换热管左右结构不对称所致,可见左右肋及右肋槽道同样对流体截面速度场分布有影响;1 s、2 s 和3 s 换热管内同一截面处流体速度场分布云图有差异,3 s 和5 s 云图差别不大,说明从1 s 到2 s 换热管内流体速度变化逐渐趋于稳定,3 s 后流体速度已达到稳定状态,这是因为开始工作时存在换热管预冷过程,预冷结束,流体与换热管之间的换热达到稳定;换热管内流体截面速度场分布不均匀,存在最大和最小速度及明显的速度梯度,非稳定换热阶段管内流体最大速度出现在靠近右肋侧,稳定换热阶段最大速度出现在中心处,且均沿径向逐渐减小;同一海水膜厚度,非稳定换热阶段比稳定换热阶段平均速度小,非稳定换热阶段速度梯度没有稳定换热阶段明显。图3a 可以看出,非稳定换热阶段,距离LNG 进口端200 mm 处,海水膜厚度对换热管内流体速度场分布影响不大,距离LNG 进口端200—1 000 mm,随着海水膜厚度的增大,换热管内高速流体增多,流体平均速度增大。从图3b、图3c和图3 d 可以看出,稳定换热阶段,随着换热管外海水膜厚度的增大,换热管内流体速度场分布几乎无差异,说明该阶段海水膜厚度对换热管内流体速度场分布影响不大。

图3 换热管内流体速度场分布云图Fig.3 velocity field of fluid in heat transfer tube

5 结 论

换热管作为开架式气化器的基本换热单元,其性能决定着气化器的换热效率,开始工作时存在换热管从环境温度降至低温的预冷过程,缩短预冷时间,提高预冷效率,减小海水用量,降低运行成本对换热器具有意义。本研究采用ANSYS Workbench 软件对开架式气化器换热管预冷过程进行了数值模拟,得到换热管内流体温度场和速度场分布云图,分析得到如下结论:预冷过程中,海水膜厚度越厚,换热管内流体平均温度和平均速度越大,进入稳定换热后,海水膜厚度不再影响换热管内流体温度场和速度场的分布。因此,在实际的换热管预冷操作中,可以采用增大海水膜厚度的措施缩短预冷时间,提高预冷效率,进入稳定换热后可以适当减小海水膜厚度,降低运行成本。