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(合肥通用機械研究院， 安徽 合肥 230088)

試驗研究

開架式氣化器溫度特性實驗研究

周兵，倪利剛，崔云龍，姚志燕

(合肥通用機械研究院， 安徽 合肥 230088)

基于開架式氣化器(ORV)的特殊換熱管結(jié)構(gòu)，以液氮替代液化天然氣介質(zhì)，建立了一套ORV傳熱實驗系統(tǒng)，針對兩種換熱管型式進行了不同處理量氣化實驗，分別從全溫度測點均勻性評價、管內(nèi)外熱平衡、熱源水溫降等指標(biāo)驗證了系統(tǒng)的可靠性，考察了流量對氣化出口溫度的影響，獲得了液氮氣化沿程的主流溫度分布。計算結(jié)果表明，在不結(jié)冰工況下，傳統(tǒng)ORV較超級ORV的氣化性能更優(yōu)。

開架式氣化器； 氣化性能； 溫度分布； 實驗； 研究

開架式氣化器(open rack vaporizer，ORV)是大型液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)氣化站應(yīng)用最廣泛的氣化器類型之一，具有結(jié)構(gòu)安全開放、易于維護、運行成本低及無污染排放等優(yōu)點，其缺點是對基建和海水品質(zhì)的要求較高。此類設(shè)備長期依賴進口，其技術(shù)輸出方主要為日本的幾家供應(yīng)商[1-4]。近年來，國內(nèi)關(guān)于ORV的研究日益成為熱門，這些研究主要分為兩大類：一類是用戶單位針對ORV設(shè)備運行和維護相關(guān)技術(shù)的研究[5-9]。另一類是高等院校與科研機構(gòu)基于一定模型假設(shè)的傳熱數(shù)值計算和基于CFD技術(shù)的傳熱流動模擬研究[10-16]。此外，還有一些零星的實驗研究，但研究者通常僅關(guān)注于氣化出口溫度這類粗放型指標(biāo)，對于沿程氣化溫度分布等關(guān)鍵問題缺乏一定的研究，這對深入理解ORV的傳熱機理和產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計尤顯不足。

文中基于ORV結(jié)構(gòu)，開發(fā)出工業(yè)原比例換熱樣管，建立了一套ORV實驗系統(tǒng)，根據(jù)工業(yè)產(chǎn)品工藝需求完成了設(shè)定工況的實驗，重點關(guān)注氣化介質(zhì)沿程主流溫度分布，研究其一般性規(guī)律，對ORV產(chǎn)品設(shè)計提出針對性建議。

1 ORV工作原理

ORV基本換熱單元是特殊結(jié)構(gòu)的換熱管。若干換熱管并排焊在一對分布管之間構(gòu)成一組汽化面板，通過將若干組汽化面板的上、下分布管進行連接即構(gòu)成一組氣化模塊，一組ORV氣化面板的結(jié)構(gòu)原理示意圖見圖1。

1.上分布管 2.溢流水槽 3.海水分布管 4.汽化面板 5.下分布管 6.降流水膜N1.液化天然氣入口接管 N2.海水入口接管N3.天然氣出口接管圖1 一組ORV氣化面板結(jié)構(gòu)原理示圖

超臨界的LNG被均勻輸送進每一塊氣化面板，并通過氣化面板的下分布管均勻分配至每一根換熱管，在上升過程中被換熱管外部的降流水膜加熱氣化后，經(jīng)上分布管匯合輸出。鑒于ORV的模塊化結(jié)構(gòu)組成，可進行線性放樣設(shè)計，這給設(shè)計開發(fā)帶來了便利，針對單管氣化性能研究即可合理放大至整套裝置。

ORV換熱管設(shè)計要綜合考慮以下因素：①介質(zhì)在超臨界工況完成氣化，換熱管應(yīng)滿足超臨界壓力的強度需求。②通過換熱管壁的熱傳導(dǎo)是主要傳熱過程，換熱管材應(yīng)具有較高導(dǎo)熱系數(shù)。③換熱管內(nèi)外特殊發(fā)展表面設(shè)計，一方面應(yīng)起強化傳熱的作用，另一方面還應(yīng)促成換熱表面流體的有效覆蓋。④管材表面的噴涂材質(zhì)應(yīng)具有傳熱和防腐雙重功能。

在ORV運行過程中，換熱管底部不可避免出現(xiàn)海水結(jié)冰現(xiàn)象，造成傳熱惡化。為此，一種超級ORV(super-ORV)管型是很好的解決方案，傳統(tǒng)觀點認(rèn)為super-ORV具有整體更優(yōu)的氣化表現(xiàn)，super-ORV的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

1.ORV外管 2.螺旋擾流件 3.間隙流道 4.內(nèi)管圖2 super-ORV結(jié)構(gòu)示圖

在ORV外管下半段嵌入一截內(nèi)管，在內(nèi)、外管之間形成間隙流道，使氣化段傳熱形成級梯傳熱過程，同時在內(nèi)管上部設(shè)置一段螺旋擾流件進一步增強傳熱，以達(dá)到提高氣化出口溫度的目的。

2 super-ORV實驗系統(tǒng)設(shè)計

2.1實驗?zāi)康?/p>

以液氮代替LNG，基于工業(yè)用換熱管模型尺寸制作原比例傳熱試件，建立一套針對傳統(tǒng)ORV和super-ORV的傳熱性能實驗平臺，驗證實驗系統(tǒng)的可靠性。分別開展兩種方案的傳熱性能實驗，獲取沿程主流溫度分布，對ORV和super-ORV在實驗工況下進行氣化性能的對比分析。

2.2實驗參數(shù)

基于某LNG接收站氣源數(shù)據(jù)，按照相同單管熱負(fù)荷確定本實驗的參數(shù)范圍。該LNG接收站的LNG成分見表1。

表1 某接收站LNG組分(體積分?jǐn)?shù)) %

該接收站LNG設(shè)計進口溫度為-133.9 ℃，氣化出口溫度為1.0 ℃。利用HTRI軟件內(nèi)嵌的VMGthermo數(shù)據(jù)庫對該組分LNG物性進行模擬，對氣液兩相均采用Advanced Peng-Robinson方法計算進、出口焓差。該項目設(shè)計處理量為183.3 t/h，共包括1 204根換熱管。經(jīng)換算，對應(yīng)實驗的液氮單管質(zhì)量流量為244 kg/h，用水量為5.2 t/h。結(jié)合現(xiàn)場多次安裝調(diào)試經(jīng)驗，本次實驗的水流量和液氮處理量略小于該換算值。

2.3試件加工

ORV換熱管的不規(guī)則發(fā)展表面形狀尺寸以及材質(zhì)性能極大影響氣化質(zhì)量。開發(fā)出優(yōu)質(zhì)ORV模具，并完成了小批量試制。ORV換熱管管長6 m，材質(zhì)為鋁合金6063，退火狀態(tài)為T5，不進行表面處理。經(jīng)檢驗，產(chǎn)品樣管尺寸準(zhǔn)確，材料表面光潔平整，滿足實驗要求。本文在試件低端的內(nèi)部嵌入一半高度光管模擬super-ORV換熱管，上段未設(shè)置螺旋擾流件。

沿管長方向等距加工6組截面測點，分別測量截面外壁面、近內(nèi)壁面、管內(nèi)主流和間隙流道溫度。

2.4實驗系統(tǒng)設(shè)計

ORV?；瘜嶒炏到y(tǒng)流程見圖3。

圖3 ORV實驗系統(tǒng)流程圖

液氮經(jīng)液氮儲罐組匯并輸出后均勻進入2根待測試件底部，加熱水由待測試件頂部的加熱水槽通過一個液體均布結(jié)構(gòu)噴淋在試件表面，從而加熱氣化液氮。熱源水采用實驗室公共用水，使用后的熱源水進入公共排水渠道。由于氮氣出口溫度接近常溫，且流量相對不大。因此，選擇將氣化后的氮氣直接排空的設(shè)計。

使用一臺標(biāo)定合格的旋進流量計測量出口氮氣流量。

2.5實驗過程

(1)檢查裝置的密封和安全。運行數(shù)據(jù)采集模塊，開始記錄實驗過程所有動作數(shù)據(jù)，評價全區(qū)域溫度測點溫度均勻性，當(dāng)所有測點溫度與環(huán)境溫度接近一致時，方可進行后續(xù)實驗。

(2)開啟加熱水輸送流路，調(diào)節(jié)加熱水至額定流量，使傳統(tǒng)ORV試件外表面充分浸潤。

(3)按照設(shè)定流量目標(biāo)控制液氮，操作過程中應(yīng)密切關(guān)注液氮儲罐內(nèi)壓力值，使其維持基本穩(wěn)定，從而使液氮流量保持穩(wěn)定。根據(jù)旋進流量計適用范圍嚴(yán)格控制液氮流量，當(dāng)?shù)獨獬隹跍囟鹊陀?20 ℃時退出實驗。

(4)完成一組數(shù)據(jù)采集后暫停本次實驗，應(yīng)先關(guān)閉液氮儲罐，再停止加熱水輸送。重復(fù)步驟(1)～(3)可完成下一組加熱水流量工況實驗，按照3 t/h、5 t/h和7 t/h設(shè)定加熱水的質(zhì)量流量。

(5)當(dāng)傳統(tǒng)ORV實驗結(jié)束后，重復(fù)上述步驟完成super-ORV的系列工況實驗。

3 實驗測試數(shù)據(jù)分析

3.1全區(qū)域溫度測點均勻性檢測

某時刻ORV試件全區(qū)域的溫度分布見圖4。

圖4 實驗前ORV試件全區(qū)域溫度均勻性檢測

從圖4中可以看出，在實驗未開車條件下，包括壁面及通道內(nèi)空氣在內(nèi)的全測點溫度分布非常一致，接近環(huán)境溫度，且均處于(33.1±0.5)℃內(nèi)。由此表明，各測點安裝正確，測量相對穩(wěn)定，溫度精度在合適范圍，可以進行實驗。

3.2熱量匹配度衡算

利用進、出口焓差法計算介質(zhì)換熱量。焓差物性可以通過各種商業(yè)軟件的物性數(shù)據(jù)包計算，選用HTRI內(nèi)嵌的物性程序，計算得出實驗條件下液氮側(cè)焓值隨溫度的變化曲線，見圖5。

圖5 實驗條件下液氮焓值隨溫度變化曲線

從圖5中可以看出，在0.3 MPa實驗壓力條件下，液氮的蒸發(fā)溫度為-185.28 ℃，根據(jù)實驗測量出來的進、出口介質(zhì)溫度即可求出換熱量。

水質(zhì)量流量為5 t/h時，基于進、出口測點溫度，傳統(tǒng)ORV試件對應(yīng)不同液氮處理量下的冷、熱側(cè)換熱量見圖6。

分析認(rèn)為，本實驗中熱源水側(cè)曝露于周圍環(huán)境當(dāng)中，在流動過程中不可避免會發(fā)生滴濺，自身在降膜流動過程中也會與周圍環(huán)境發(fā)生熱量交換。因此，水側(cè)溫度的影響因素較為復(fù)雜。由于實驗時間為夏季，實驗環(huán)境溫度高于水溫，氣化過程中熱源水不斷吸收環(huán)境熱量，造成水側(cè)熱量小于液氮側(cè)值，這與測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)一致。

圖6 水質(zhì)量流量5 t/h時傳統(tǒng)ORV熱量衡算

不同水質(zhì)量流量下，傳統(tǒng)ORV和super-ORV加熱水的散點溫降數(shù)據(jù)圖見圖7。

圖7 不同水質(zhì)量流量下兩種ORV試件加熱水溫降

從圖7可以看出，隨著液氮處理量的增加，加熱水側(cè)溫降呈增大趨勢，且接近線性變化。而隨著加熱水質(zhì)量流量的增加，相同液氮處理量下加熱水溫降則呈降低趨勢，這一點在super-ORV試件實驗中表現(xiàn)更為突出。

3.3水質(zhì)量流量對氮氣出口溫度的影響

進一步考察液氮出口溫度隨管內(nèi)、外介質(zhì)流量的變化情況。傳統(tǒng)型ORV試件和super-ORV試件在不同加熱水質(zhì)量流量下的出口散點溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見圖8。

圖8 兩種試件在不同加熱水質(zhì)量流量下的出口散點溫度

從圖8可以看出，隨著液氮處理量的增加，氮氣出口溫度呈整體減小趨勢，且接近線性變化規(guī)律。同時隨著加熱水質(zhì)量流量的增加，相應(yīng)液氮處理量對應(yīng)的出口溫度呈現(xiàn)明顯的增加。

從以上實驗結(jié)果可知，本實驗系統(tǒng)運行可靠，實驗方法合理。

3.4沿程主流溫度變化

沿程主流溫度是進行氣化器性能評價和傳熱過程分析的重要依據(jù)之一。由于氣源存放和充裝條件不同，每次重新實驗入口狀態(tài)也有微小變化，因此不同時段的測試數(shù)據(jù)不宜作直接量化對比。

分析各工況氣化溫度曲線，可發(fā)現(xiàn)氣化過程大致依循兩個階段，即入口處的相變傳熱區(qū)和之后的對流傳熱區(qū)。在相變傳熱區(qū)，主流溫度近乎不變，而在對流傳熱區(qū)，主流溫度呈類對數(shù)增長趨勢，其溫升趨勢逐漸降低主要是因為傳熱動力(溫差)的降低，同時由于氣相占優(yōu)的流動對流傳熱強度較弱。

在實際裝置中，普遍采取在換熱管內(nèi)部上端嵌入擾流元件的方式來增強傳熱效果。

不同液氮處理量時傳統(tǒng)ORV試件和super-ORV試件的氣化主流溫度變化圖見圖9、圖10，其中橫坐標(biāo)為相應(yīng)測點距離試件底部的高度，縱坐標(biāo)為試件內(nèi)部主流流體溫度。

圖9 不同液氮處理量下傳統(tǒng)ORV試件液氮主流溫度

圖10 不同液氮處理量下super-ORV試件液氮主流溫度

從圖9和圖10中可以看出：

(1)當(dāng)水的質(zhì)量流量相對液氮處理量較大時，主流溫度曲線呈現(xiàn)出類對數(shù)增長趨勢，如9b中5 t/h水流量下處理量為100 kg/h的液氮主流溫度曲線，裝置呈現(xiàn)出充分的氣化能力。加熱水的質(zhì)量流量相對液氮處理量越大，氣化過程越充分，主流溫度曲線越呈現(xiàn)類對數(shù)化特征。而當(dāng)加熱水質(zhì)量流量較小或液氮處理量較大時，主流溫度曲線的類對數(shù)化增長表現(xiàn)雖然沒有消失，但溫度曲線出現(xiàn)了右移，這表明相變傳熱段長度增長，并顯示氣化動力不足。

(2)在氣化出口溫度約束條件下，傳統(tǒng)ORV試件能達(dá)到的最大處理量775 kg/h，而super-ORV處理量不足375 kg/h。這是由于super-ORV試件內(nèi)部流動截面積減少和入口局部阻力增大的原因，在一定輸出壓力下液氮處理量必然降低。

(3)相對傳統(tǒng)ORV試件，super-ORV試件的相變傳熱段更長，而且整體氣化溫度曲線更低，表明其氣化性能反而更差。對此可作如下解釋，即相對傳統(tǒng)ORV試件結(jié)構(gòu)，當(dāng)換熱管底端外壁無結(jié)冰生成時，super-ORV試件的傳熱熱阻由于嵌入式內(nèi)管的設(shè)置而大大提高，因此削弱了整體傳熱。當(dāng)有結(jié)冰生成時，由冰層造成的傳熱熱阻的增加程度大于super-ORV試件嵌入式內(nèi)管的傳熱熱阻增加，super-ORV試件表現(xiàn)出更好的傳熱性能。由于實驗條件的限制，對揭示super-ORV的優(yōu)越性方面顯得不足。

(4)傳統(tǒng)觀點一致認(rèn)為，基于嵌入內(nèi)管和螺旋擾流件結(jié)構(gòu)的super-ORV管型具有更好的氣化傳熱性能，通過實驗卻觀察到super-ORV方案在既定實驗條件下處理量下降和氣化性能下降的現(xiàn)象，這一點值得后續(xù)研究和設(shè)計人員的關(guān)注。

4 結(jié)語

實驗獲得了ORV沿程主流溫度分布曲線，依據(jù)曲線對氣化過程進行相變傳熱和對流傳熱區(qū)的劃分，觀察分析認(rèn)為在不結(jié)冰實驗操作工況下，super-ORV的氣化性能不及傳統(tǒng)ORV方案。

文中搭建的實驗平臺相對簡單，對研究實際工況的LNG氣化傳熱需求尚有一定的距離，如超臨界介質(zhì)傳熱、介質(zhì)與熱源水均勻分布設(shè)計等方面有待進一步研究。

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(許編)

ExperimentalStudyonTemperatureCharacteristicsofOpenRackVaporizer

ZHOUBing,NILi-gang,CUIYun-long,YAOZhi-yan

(Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230088, China)

Based on the unique structure of the heat exchange tube of open rack vaporizer(ORV), a set of heat transfer test system is set up using liquified N2instead of liquefied natural gas(LNG). Tests are done within tubes of two different types under different vaporization capacity and it shows the experimental platform has good reliability based on the homogenization evaluation of all measure points, heat balance between the outside and inside of the test tube and the temperature drop of the heating water. It is obtained the outlet vaporization temperature curve upon the flow rate and the temperature field of the in-tube main flow. The result shows that better performance is gained on traditional tubes rather than super-ORV tubes corresponding to no icing operation.

open rack vaporizer; vaporization capacity; temperature profile; experimental; study

TQ050.2； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.001

1000-7466(2017)04-0001-06①

2017-02-24

合肥通用機械研究院青年科技基金項目(2012011081)

周 兵(1986-)，男，安徽舒城人，助理工程師，碩士，主要從事?lián)Q熱設(shè)備傳熱工藝研究。