-60℃低温冷库LNG冷能回收方案及换热器优化设计

李 婷，邹同华，李贺强，李泓璇

（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134）

1 研究概述

本文根据用冷端（低温冷库）所需的温度和条件，提出一种LNG冷能利用的方案，同时基于管壳式换热器设计一种模块化的LNG冷能换热器，并对所设计冷能换热器建立换热的数学模型，进行传热数值模拟计算。

2 LNG冷能回收方案

2.1 LNG热物性及参数

通常情况下，LNG的基本构成如表1所示[1]。

表1 LNG的基本组成及占比

虽然LNG的主要成分是甲烷，但是考虑到用甲烷代替天然气进行模拟仿真带来的不准确性，本研究还是采用LNG的恒物性参数进行后面的模拟计算。本文所使用的微冻液是一种微黄、无毒、无味、不电解、不燃烧、低腐蚀性的液体，凝固点为-79.6℃，该温度满足LNG冷能回收系统所要求的温度。微冻液及LNG[2]恒物性参数如表2所示。

表2 微冻液及LNG[2]的物性

2.2 冷能回收原理图

系统选用单级换热，LNG冷能回收用作-60℃冷库为目的，其回收利用的系统图如图1所示。

图1 LNG冷能用于低温冷库的原理图

A部分是LNG冷能回收用于冷库的独立系统，B部分是电压缩制冷系统，起不间断制冷作用。LNG进换热器前，经气化器I预热，防止冻堵。经冷能回收后的气液混合状态的天然气需要经过气化器Ⅱ气化成常温状态下的天然气，最后通过天然气分配器送入到用户端使用。从冷库出来的温度较高的微冻液经过LNG冷能换热器放出热量从而降低到冷库所需的温度，最后经过溶液泵循环实现冷库制冷的目的。

3 LNG冷能换热器的设计

本设计以20 in（1 in≈2.45 cm）的IC型通用集装箱为模板，结合管壳式换热器设计了一种模块化LNG冷能换热器，大致如图2所示。

图2 模块化LNG冷能换热器示意图

考虑到集装箱尺寸，换热器尺寸需满足：总长L≤5 800 mm，总高H≤2 300 mm，总宽W（总直径）≤2200 mm，其中换热器壳体内径D应控制在2 000 mm以内，在此基础上选择换热管尺寸和管间距进而布置换热管数量，具体尺寸标注如图3所示。

图3 换热器内部主体尺寸标注示意图

本文采用传统单程设计，换热器管长L′选择4 000 mm。换热管采取六角形布置，在换热管间设置折流板，起到强制对流效果，也起到了支撑换热管的目的[3]。

4 换热器模型数值分析

4.1 LNG换热器简化模型

以管径为Φ18×1.5mm，管间距m=20mm，管长L′=1 000 mm，共计61根换热管组成的换热管束，加封头、外部壳体和隔板的小型换热器进行模拟计算。其他尺寸为：总长L=1 200 mm，壳体内径D=200 mm，封头长F=100 mm，隔板长C=200 mm，壳侧进出口管径X=46 mm，管侧进出口管径Y=40 mm。简化的小型LNG换热器物理模型如图4所示。

图4 简化的小型LNG换热器物理模型

假设条件为：流体是不可压缩、定常流动，换热物质均为恒物性，不同换热管之间传热性能一致且不会相互干扰，换热管内传热过程为充分发展的稳态强制换热，忽略热损失和浮升力。

4.2 计算方法与边界条件

计算采用Standard的k-ε湍流模型。模拟采用恒物性计算，换热器为不锈钢，逆流换热；LNG入口温度为173 K，速度0.5 m/s，微冻液入口速度1 m/s，温度为213 K，出口均为压力出口；外壁面绝热，求解方法选择耦合求解器[4]。

4.3 计算结果分析

A和E切面分别位于换热器微冻液出口和入口处，B、C、D截面均分A、E段。小型LNG换热器不同切面的流速与温度图像如图5所示。由图5可以看出，在靠近LNG入口处的换热管温度较低，从切面A到切面E，换热管束温度逐渐增加，靠近微冻液入口处的温度达到最大，约为212 K，接近微冻液入口温度。管内LNG沿管长的减速升温；管外微冻液进出口处速度较大，在管束内流体沿管长减速降温，微冻液在E切面右上部管束速度快于其他管束中，结合图5（b）中E切面，此切面右上部换热强度较大，此区域沿管道半径方向温度梯度较为平缓；从图5中也能看出，管束中部分微冻液流体存在未参与换热的情况，不同换热管内LNG流体和管束之间的微冻液流体都存在流体分配不均的现象，从而使得每根换热管内外冷热流体速度和温度分布各不相同，管间距和流速的大小是主要的影响因素。

图5 小型LNG换热器不同切面的流速与温度图像

LNG换热器纵截面速度和温度示意图如图6所示，从图6（a）中可以看出，两种流体的进出口速度均快于换热管段，壳程微冻液在折流板的折流区域速度高于其他区域，因为流体发生折流加强了湍流强度[5]。由图6（b）可知，LNG在入口封头内温度较低，随后逐渐升温，进入出口封头后完成热交换，温度基本不变；壳侧微冻液从入口到出口不断降温。LNG的出口平均温度为196.7 K，温度升高了23.7 K；微冻液的出口平均温度为209.6 K，温度降低了3.4 K。

图6 LNG换热器纵截面速度和温度示意图

5 结语

本文设计开发了一种利用微冻液换热的冷能回收方案，并设计了一款模块化的LNG冷能回收换热器，通过对模型的数值计算，换热器内的流动和换热较为均匀，管间距和流体流速是影响换热效果的重要因素，换热器的总体换热效率高，方便运输和安装拆卸，具有良好的应用前景。