寧靜紅，王潤霞，劉華陽，孫朝陽，趙延峰

（天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津300134）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和環(huán)保意識的不斷增強，天然氣作為一種低碳能源，因其液化形態(tài)具有運輸便捷、清潔高效等優(yōu)點，在全世界得到了推廣和發(fā)展[1]。將液化天然氣（LNG）氣化到0 °C以上可釋放大約830~860 kJ/kg的冷能[2]。因此，LNG冷能回收利用技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力和市場空間。

學(xué)者對LNG的氣化方式以及換熱器結(jié)構(gòu)、流程參數(shù)等方面進行了大量的研究。在氣化方式方面，許少杰等[3]以空氣作為熱源加熱LNG使其氣化從而研究空溫式汽化器管內(nèi)外的傳熱特性；時國華等[4]提出并設(shè)計了一種基于太陽能熱泵的LNG氣化系統(tǒng)以提高空溫式汽化器氣化效果；Afrianto等[5]以水為高溫介質(zhì)，研究了流體質(zhì)量流量對傳熱性能的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)置方面，Yan等[6]研制了一種采用傘狀氣流循環(huán)裝置、煙氣循環(huán)系統(tǒng)等LNG快速氣化裝置，以提高效率、減少廢氣損失；Zhang等[7]將LNG低溫能量用于以CO2為工作流體的Rankine循環(huán)，聯(lián)合動力系統(tǒng)利用LNG氣化達到制冷效果；在流程參數(shù)方面，王玉娟等[8]對不同LNG入口壓力及入口流速下的海水氣化器傳熱特性進行模擬分析，并通過對比現(xiàn)場試驗給出了設(shè)備操作的優(yōu)化建議；王玉娟等[9]通過燃燒加熱使LNG氣化，并研究壓力、流速、溫度等參數(shù)對氣化器傳熱性能的影響。上述研究主要以空氣[3,4]、水[5-8]作為LNG氣化的熱側(cè)流體，前者屬于自然對流傳熱氣化效率低，后者流體凝固點高容易發(fā)生相變結(jié)霜，增加換熱熱阻。而乙二醇具有凝固點低、比熱容和潛熱大、腐蝕性小等優(yōu)點[10]，可實現(xiàn)低溫下?lián)Q熱載冷，且不易發(fā)生相變。

本文以乙二醇作為載冷劑，建立一種管殼式換熱器模型，并利用Comsol Multiphysics軟件進行數(shù)值模擬。在恒定壁溫下，研究進口LNG流速、乙二醇含量（質(zhì)量分數(shù)）和溫度以及進口直徑對換熱器傳熱特性的影響。研究結(jié)果可為換熱器設(shè)計和LNG冷能回收的進一步研究提供參考。

1 模型與模擬

甲烷在天然氣中質(zhì)量分數(shù)超過90%，作為天然氣中的主要成分，與天然氣物性十分接近，故管側(cè)選用甲烷替代LNG流體[11]，殼側(cè)乙二醇流體通過泵運送。換熱過程中LNG發(fā)生較大溫差產(chǎn)生相變，在進行數(shù)值模擬時，為使數(shù)學(xué)模型合理簡化，做如下基本假設(shè)：流體為不可壓縮的牛頓流體；忽略管內(nèi)流動阻力及流體與周圍環(huán)境的輻射換熱；流體通道兩側(cè)壁面為絕熱界面，流體在壁面上無滑移，換熱器管殼面邊界為等熱流密度邊界條件。

1.1 物理模型

LNG-乙二醇換熱器三維物理模型如圖1所示。

圖1 LNG-乙二醇換熱器三維物理模型

依據(jù)典型換熱器直徑[12,13]，設(shè)定換熱器外殼長、寬、高分別為1000 mm、200 mm、500 mm。LNG由左至右流經(jīng)直徑為40 mm的圓管；乙二醇由下至上流經(jīng)長為200 mm的圓管，其直徑可變。換熱器材料選用韌性高、加工性能好的304不銹鋼[14]。不銹鋼及各流體物理屬性如表1所示。注：*40%乙二醇是指含量為40%的乙二醇水溶液；**eta(T)表示該屬性為溫度的函數(shù)。

表1 換熱器材料及各流體的物理性質(zhì)[15]

1.2 數(shù)學(xué)模型

研究低溫LNG和乙二醇在穩(wěn)態(tài)條件下的換熱問題，其流動與傳熱特性有關(guān)的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程如式(1)~式(3)。

根據(jù)材料屬性以及模型設(shè)置的初始流速計算雷諾數(shù)（式(4)）。由實際氣化外輸流量統(tǒng)計，對應(yīng)的LNG進口流速為1 m/s左右[8]，此時Re＞2300，因此本流動模型設(shè)定為湍流。

LNG與乙二醇是否發(fā)生相變?nèi)Q于其當前狀態(tài)下各自溫度與沸點及凝固點的比較。LNG流動傳熱產(chǎn)生較大溫差，相變參考方程[16]如式(5)~式(9)。表2所示為LNG發(fā)生相變的相關(guān)參數(shù)。

表2 模型相變相關(guān)參數(shù)

傳熱系數(shù)根據(jù)傳熱量、溫度等計算[5,12]，具體方程如式(10)~式(16)。

兩種流體的進出口溫度直接反映換熱器的傳熱強烈程度，而熱效率是熱側(cè)溫差與理想熱交換器中熱側(cè)和冷側(cè)之間的最大溫差的比值[17]，因此以熱效率的高低間接反映換熱器的傳熱性能。對熱效率的具體計算如式(17)。

殼側(cè)壓降由殼側(cè)進出口壓力得到，如式(18)。

1.3 計算方法

模型結(jié)構(gòu)的物理場為：（1）湍流k-ε場：入口采用流速入口，并假定入口體積質(zhì)量分數(shù)均勻分布；出口采用壓力、無粘滯應(yīng)力出口，全流道內(nèi)與流體相接觸的壁面上均采用無滑移壁面條件。（2）流體傳熱場：入口采用開邊界，管程LNG溫度初始值為-180°C，反應(yīng)壓力為1 MPa，殼程乙二醇進口溫度為變值，反應(yīng)壓力為1 MPa，流道兩側(cè)設(shè)為絕熱邊界條件。

計算網(wǎng)格由Comsol Multiphysics劃分，對殼采用較粗化網(wǎng)格單元，對管采用較細化網(wǎng)格。為滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求，對網(wǎng)格不斷加密，直到計算結(jié)果基本不隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而變化。當完整網(wǎng)格包含14632個頂點，81663單元后，LNG與乙二醇出口溫度變化不大，再增加網(wǎng)格數(shù)對計算影響較小。當各方程的殘差值下降到10-6認為計算收斂，同時考慮到達到計算的準確性和達到穩(wěn)態(tài)的時間長短，采用81663個網(wǎng)格數(shù)進行模擬計算。最終，網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格形式，平均單元質(zhì)量為0.6408，其中四面體81663個，三角形11618個，邊單元13344個，頂點單元112個。

2 模擬結(jié)果與討論

由換熱器實際運行情況可知，流體的含量、進口流速、溫度以及換熱器自身直徑等參數(shù)對傳熱特性（傳熱系數(shù)、熱效率、殼側(cè)壓降、兩種流體出口溫度）具有較大影響，故針對上述可控參數(shù)進行模擬計算與分析。

以實際運行參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)實際條件以及殼管式換熱器的冷熱流體設(shè)置，換熱器內(nèi)流體的設(shè)計參數(shù)如表3所示。其中，為了使乙二醇換熱過程中不發(fā)生相變，以最低凝固點對應(yīng)含量附近的流體為研究對象。當乙二醇含量為60%時凝固點最低[15]。

表3 換熱器內(nèi)流體的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)

2.1 進口LNG流速對傳熱特性的影響

對LNG進口流速分別為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s的工況進行模擬計算，并對傳熱系數(shù)、熱效率以及壓降進行比較分析，計算結(jié)果如表4所示。如表4，當兩種流體的進口溫度保持不變時，傳熱系數(shù)、熱效率、壓降均隨著LNG流速的增加而增加。當LNG流速從0.5 m/s增長到1.5 m/s時，傳熱系數(shù)、熱效率、壓降分別增加了7.28%、75.15%、144.83%。這是由于隨著流速的增加熱傳遞增強，從而使傳熱系數(shù)增大；由于殼側(cè)吸收熱量的增加，乙二醇出口溫度降低，由式(11)可知，熱效率升高；LNG流速的增加，強化了傳熱，使流體擾動更劇烈，乙二醇在吸收LNG冷能后溫度下降，粘性阻力損失變大壓降升高。

表4 進口LNG流速對傳熱特性的影響

在實際應(yīng)用中，因LNG流量與流速成正比，LNG罐向換熱器輸送的LNG量隨著流速的增加而增加，不利于節(jié)能減排；同時要獲得更低的壓降，也需選擇較小的LNG流速。相反地，LNG流速適當增大可以使得兩種流體換熱充分，LNG氣化迅速，有利于投入生產(chǎn)。所以，LNG流速的選擇需根據(jù)低溫工況綜合考慮。

2.2 進口乙二醇含量對傳熱特性的影響

乙二醇作為載冷劑，其物理性質(zhì)是影響換熱器性能的重要因素之一。圖2為乙二醇進口溫度為20°C，進口流速保持0.05 m/s，Re在6230~23362之間，乙二醇含量為40%、50%、60%時換熱器傳熱特性的變化。

如圖2，當Re＜18000，隨著雷諾數(shù)的增大，傳熱系數(shù)增長幅度較??；當Re＞18000，傳熱系數(shù)增長較快。相反地，傳熱系數(shù)隨乙二醇含量的增大而降低，這是由于乙二醇含量增大時，其導(dǎo)熱系數(shù)降低[15]，影響了乙二醇和LNG流動傳熱，使得乙二醇和LNG出口溫度降低，從而降低傳熱系數(shù)。熱效率隨含量的增加而降低，壓降隨含量的增加而增加。傳熱系數(shù)的降低，減少了LNG與乙二醇之間的熱量交換，更多的冷量隨著LNG由出口散失。乙二醇出口溫度隨進口含量的升高而降低，使得換熱器熱效率降低。壓降升高是因為隨著含量的升高，乙二醇的粘度升高[15]，從而增加流動的阻力損失，因此壓降增加。

圖2 進口乙二醇含量對傳熱特性的影響

可見，乙二醇含量的升高不利于換熱器性能的改善，同時增加了系統(tǒng)初始投資。另外，若要獲得較低溫度的載冷介質(zhì)，則要選擇低凝固點對應(yīng)下的乙二醇含量。

2.3 進口乙二醇溫度對傳熱特性的影響

進口乙二醇溫度對換熱器傳熱特性的影響如圖3所示。如圖3，當乙二醇含量為60%、進口流速為0.05 m/s，隨著乙二醇進口溫度的增加，傳熱系數(shù)、熱效率以及壓降均降低。當LNG的進口溫度不變，隨著乙二醇進口溫度升高，殼側(cè)和管側(cè)的出口溫度均升高，由式(15)和(16)可知，換熱器內(nèi)出口最小溫差和入口最大溫差增大，對數(shù)平均溫差增加，熱交換量增加，而傳熱系數(shù)降低。同樣，熱效率升高和壓降降低也是由乙二醇進口溫度對出口溫度和粘度的影響所致，同2.2節(jié)，此處不再贅述?？梢?，應(yīng)該控制乙二醇進口溫度向較低點調(diào)整，以提高換熱器的整體傳熱效率。

圖3 進口乙二醇溫度對傳熱特性的影響

2.4 乙二醇進口直徑對傳熱特性的影響

乙二醇進口直徑也是影響換熱器換熱性能的一個重要因素，根據(jù)換熱器寬度設(shè)計直徑，設(shè)置為100 mm左右。改變直徑對換熱器傳熱系數(shù)、熱效率、壓降的影響如圖4所示。隨著進口直徑的增大，換熱器傳熱系數(shù)增加，這是因為進口直徑增大之后，乙二醇可以更充分和更均勻地與LNG進行換熱。直徑的增加使乙二醇出口溫度逐漸降低，導(dǎo)致其粘度增大，從而使熱效率升高，壓降升高?？梢姡瑸樘岣邠Q熱性能，在加工條件和壓降允許的情況下，盡可能增大乙二醇進口直徑。

圖4 乙二醇進口直徑對傳熱特性的影響

3 結(jié)論

本文對LNG、乙二醇流動傳熱進行了數(shù)值模擬，分析了LNG和乙二醇不同入口條件對換熱器傳熱性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：其他條件不變，單獨提高LNG流速可以提高傳熱系數(shù)和熱效率，但同時也增加了壓降；提高乙二醇含量，傳熱系數(shù)、傳熱效率降低，壓降升高；提高乙二醇進口溫度，傳熱系數(shù)、熱效率、壓降逐漸減??；增大乙二醇進口直徑，兩種流體換熱充分，使傳熱系數(shù)、熱效率、壓降均增大。

可見，在乙二醇不發(fā)生相變以及在壓降合適的前提下，較高的LNG流速、乙二醇含量、乙二醇進口直徑以及較低的進口溫度有利于LNG冷能回收。

符號說明

ρ為材料的密度，kg/m3；U為流速矢量，m/s；u、v、w為x、y、z三個方向的流速分量，m/s；μ為流體的動力黏度，Pa·s；p為流體微元體上的壓強，Pa；Su、Sv、Sw為廣義源項；h為焓值，J/kg；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；Φ為體積熱源項；Re為雷諾數(shù)；dh為通道的當量直徑，m；ρ1、ρ2為發(fā)生相變前后兩種材料的密度，kg/m3；θ1、θ2為兩種相變材料的體積分數(shù)，%；Cp為相變材料的比熱容，J/(kg·K)；L1→2為相變潛熱，J·kg-1；αm為質(zhì)量分數(shù)，%；k為相變材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；k1、k2為兩種相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；U0為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A0為盤管外表面面積，m2；qh、qc、q為乙二醇側(cè)、LNG側(cè)熱交換量、總熱 交 換 量，W；mh、mc為 乙 二 醇、LNG質(zhì) 量，kg；Cp,h、Cp,c為 乙 二醇、LNG的比熱容，J/(kg·K)；Th1、Th2為乙二醇的進口溫度、出口溫度，K；Tc1、Tc2為LNG的進口溫度、出口溫度，K；ΔTmax為入口最大溫差，K；ΔTLM為對數(shù)平均溫差，K；ΔTmin為出口最小溫差，K；p1、p2為殼側(cè)進口壓力、出口壓力，MPa。