過冷中間流體氣化器換熱過程實(shí)驗(yàn)

紀(jì)馨，陳雙雙，宋陽(yáng)，林文勝

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240）

引 言

中間流體氣化器 （intermediate fluid vaporizer，IFV）是 FSRU［1］（floating storage re－gasification unit）再氣化模塊中經(jīng)常使用的一種氣化器?，F(xiàn)有的IFV［2］通常由3個(gè)單元組成：蒸發(fā)器、冷凝器和調(diào)溫器，一般采用丙烷為中間流體。

丙烷的相變換熱流程有效利用了丙烷的相變潛熱，減少了丙烷的儲(chǔ)存量和循環(huán)量。但由于氣態(tài)丙烷的比容遠(yuǎn)大于液態(tài)，因此，雖然這種流程的丙烷循環(huán)量較小，但換熱器的整體體積仍然較大。根據(jù)FSRU特點(diǎn)，其系泊在海上，船體空間有限，為了探討減小換熱器體積的可能性，使系統(tǒng)盡可能安全，提出了過冷丙烷換熱流程［3］，其換熱流程如圖1所示。

圖1 過冷中間流體換熱流程Fig.1 Heat transfer process of super cooled liquid

在E－100換熱器中，丙烷提供足夠的熱量，LNG被液態(tài)丙烷加熱至常溫后輸出。丙烷與LNG換熱后溫度降低，隨后經(jīng)過泵P－101輸送至E－101換熱器，被海水加熱至常溫后，回到E－100，完成丙烷的循環(huán)。丙烷在整個(gè)循環(huán)中均在一定壓力下工作，從而維持在過冷的液體狀態(tài)。

以過冷中間流體換熱器的理論計(jì)算為基礎(chǔ)，對(duì)該換熱過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究換熱流程中流體的換熱特性，及結(jié)合實(shí)際FSRU運(yùn)行背景討論對(duì)該換熱過程的影響因素。考慮到LNG－IFV在海上工作，海面晃動(dòng)會(huì)造成設(shè)備傾斜，本文進(jìn)行了靜態(tài)條件下傾斜角度對(duì)換熱過程影響的實(shí)驗(yàn)研究；研究了海水質(zhì)量流量對(duì)換熱過程的影響；考慮到海水溫度隨地理位置和季節(jié)變化的不同，研究了海水入口溫度對(duì)換熱過程的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

對(duì)丙烷作為制冷劑的換熱特性已經(jīng)開展了較多研究［4－10］，雖然這些研究基本上都是考察蒸發(fā)或冷凝的相變傳熱過程的，很少涉及到無(wú)相變傳熱特性。參考現(xiàn)有文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了本文過冷中間流體換熱過程實(shí)驗(yàn)裝置。

從安全角度出發(fā)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用液氮代替LNG作為冷源，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，丙烷由丙烷泵8從儲(chǔ)罐9中抽出后流經(jīng)流量計(jì)5后進(jìn)入換熱段6，吸收水的熱量，由于其壓力較高，丙烷吸收熱量后不會(huì)發(fā)生蒸發(fā)相變過程，其仍然為液態(tài)，換熱后溫度較高的丙烷流入換熱段4與液氮進(jìn)行換熱，丙烷熱量被液氮吸收，其溫度降低，經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥后流入丙烷儲(chǔ)罐9中完成其循環(huán)回路。

水經(jīng)過冷水機(jī)組15進(jìn)行溫度調(diào)控，經(jīng)過流量計(jì)10后流入換熱段6與丙烷換熱，將其熱量傳遞給丙烷后流入冷水機(jī)組，完成其循環(huán)回路。

液氮由儲(chǔ)罐1經(jīng)過閥2調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入換熱段4，吸收丙烷的熱量，降低丙烷溫度，換熱后直接排空。

結(jié)合FSRU海上運(yùn)行背景，必須考慮到海平面的晃動(dòng)對(duì)換熱的影響，故研究在靜態(tài)條件下，不同傾斜角度0°、5°、10°下的換熱特性。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Diagram of experimental set up

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

過冷丙烷換熱流程實(shí)驗(yàn)中，將重點(diǎn)研究丙烷／水換熱段換熱特性，丙烷／水換熱段的示意圖如圖3所示。

圖3 換熱段示意圖Fig.3 Diagram of heat transfer process

丙烷與水為逆流換熱，前后端分別留有430 mm作為充分混合流動(dòng)段，換熱測(cè)試段每段為228 mm，則每一段的換熱量由式 （1）和式 （2）求解

第i段換熱段的水與內(nèi)壁面的局部傳熱系數(shù)的求解按照式 （3）～式 （5）求解

整個(gè)換熱段內(nèi)水與內(nèi)壁面的平均傳熱系數(shù)hw，avg由式 （6）求解所得

對(duì)于丙烷側(cè)傳熱系數(shù)的求解原理與求解水側(cè)傳熱系數(shù)一致，按照式 （7）～式 （9）求解

對(duì)于整個(gè)換熱過程中的總傳熱系數(shù)Kavg由式（10）求解

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 流體換熱特性

圓管內(nèi)水的換熱關(guān)聯(lián)式的研究較為成熟，實(shí)驗(yàn)中將對(duì)殼程丙烷側(cè)換熱特性進(jìn)行研究，通過整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到丙烷側(cè)傳熱系數(shù)，將該實(shí)驗(yàn)值與Dittus－Boelter、Sieder－Tate、Miheev公式［11］和文獻(xiàn) ［12］推薦的適用于管殼式換熱器的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對(duì)比。

2.1.1 水平換熱段的換熱特性 結(jié)合實(shí)際FSRU冬天的運(yùn)行背景，海水的水溫較低，故實(shí)驗(yàn)中入口水溫設(shè)置為7℃，在不同的丙烷流速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其Nusselt數(shù)與Reynolds數(shù)的關(guān)系曲線如圖4所示，并將實(shí)驗(yàn)值與各個(gè)經(jīng)驗(yàn)換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對(duì)比。

從圖中可見，D－B、S－T、Miheev、適用于管殼式換熱器的關(guān)聯(lián)式計(jì)算值曲線隨著流速的增加均線性增長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)值曲線也幾乎隨著流速的增加而線性增加，這是由于在整個(gè)換熱過程中，為了維持丙烷一直處于過冷液體，則丙烷的壓力較高，根據(jù)其物性，在不同的溫度下，其熱力參數(shù)幾乎不變化。

圖4 丙烷側(cè)換熱實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式值對(duì)比Fig.4 Comparison between experimental data and empirical formula calculations

實(shí)驗(yàn)值與D－B、S－T、Miheev換熱關(guān)聯(lián)式之間的誤差較大，在高流速時(shí)相對(duì)誤差更大。原因?yàn)楸閭?cè)的換熱為殼程的換熱，其特征長(zhǎng)度不是管內(nèi)徑，而D－B、S－T、Miheev方程均適用于管內(nèi)流體的換熱，其特征長(zhǎng)度即為管內(nèi)徑，故前文中的換熱器理論計(jì)算不能使用這3種經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

實(shí)驗(yàn)值與管殼式換熱器計(jì)算值之間的誤差較小，而且隨著流速的增大反而減小，在低流速時(shí)相對(duì)誤差也在容許的誤差范圍之內(nèi)，故前文中的換熱器理論計(jì)算應(yīng)采用該關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 傾斜角度下?lián)Q熱特性 在傾斜角度θ＝10°時(shí)，進(jìn)行丙烷流動(dòng)速度變化實(shí)驗(yàn)，丙烷側(cè)Nusselt數(shù)與Reynolds數(shù)的關(guān)系曲線如圖5所示，并將實(shí)驗(yàn)值與各個(gè)經(jīng)驗(yàn)換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對(duì)比。

從圖中可見，D－B、S－T、Miheev方程計(jì)算值隨著流速的增加而線性增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)值曲線幾乎平行于適用于管殼式換熱器的換熱關(guān)聯(lián)式曲線，與其相對(duì)誤差最小，而在θ＝0°實(shí)驗(yàn)工況下，實(shí)驗(yàn)值與管殼式關(guān)聯(lián)式計(jì)算值曲線相互交叉幾乎重合。

在θ＝10°時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與各個(gè)關(guān)聯(lián)式之間的相對(duì)誤差均有所增大，而且隨著流速的增大而增大，在小流動(dòng)速度下與Miheev方程之間的相對(duì)誤差最小，而在θ＝0°實(shí)驗(yàn)工況下，實(shí)驗(yàn)值與管殼式關(guān)聯(lián)式之間的誤差最小，與各個(gè)關(guān)聯(lián)式計(jì)算值之間的相對(duì)誤差較小。

圖5 丙烷側(cè)換熱實(shí)驗(yàn)值與經(jīng)驗(yàn)公式值對(duì)比Fig.5 Comparison between experimental data and empirical formula calculations

2.2 過冷中間流體換熱過程的影響因素

2.2.1 傾斜角度對(duì)換熱的影響 在Tw＝7℃、uw＝2.8m·s－1、up＝2.2m·s－1時(shí)，不同傾斜角度0°、5°、10°下，水側(cè)Nusselt數(shù)沿著管長(zhǎng)方向的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 不同傾斜角度下水側(cè)Nusselt數(shù)沿著管長(zhǎng)的變化Fig.6 Water’s local Nuunder differentθ

從圖中可以看出，當(dāng)傾斜角度從0°增加到5°時(shí)，傳熱系數(shù)略微增大，但增大幅度不大，當(dāng)傾斜角度從5°增加到10°時(shí)，傳熱系數(shù)幾乎沒有發(fā)生改變，兩條曲線幾乎重合。

相同實(shí)驗(yàn)工況下，圖7為丙烷側(cè)Nusselt數(shù)沿著管長(zhǎng)方向的變化規(guī)律。

圖中可以看出，隨著傾斜角度的增大，丙烷側(cè)的傳熱系數(shù)有所增加，從0°增加到5°時(shí)，傳熱系數(shù)的增幅較大，在5°到10°時(shí)增加的幅度減小。相對(duì)于水側(cè)換熱情況，丙烷側(cè)傳熱系數(shù)隨著傾斜角度的變大其增加幅度較大，說明傾斜對(duì)丙烷側(cè)的換熱影響較大。

圖7 不同傾斜角度下丙烷側(cè)Nusselt數(shù)沿著管長(zhǎng)的變化Fig.7 Propane’s local Nuunder differentθ

2.2.2 水流動(dòng)速度對(duì)換熱的影響 整個(gè)過冷中間流體換熱流程中，海水作為熱源，提供中間流體熱量，中間流體再將這部分熱量傳遞給LNG，而每天處理的LNG氣化量不一樣，則換熱流程中水的流量也不一樣，則研究水的流動(dòng)速度對(duì)換熱過程的影響。

在不同傾斜角度θ＝0°、10°下，Nusselt數(shù)隨著流動(dòng)速度的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 流動(dòng)速度對(duì)換熱的影響Fig.8 Effect of velocity of water on heat transfer

從圖8中的兩條曲線可以看出，不管在水平還是傾斜換熱段中，水側(cè)Nusselt數(shù)均隨著水流動(dòng)速度的增加而增加。流動(dòng)速度的增加導(dǎo)致黏性底層的厚度變小，從而使得換熱強(qiáng)度變大，傳熱系數(shù)增加。

2.2.3 水入口溫度對(duì)換熱的影響 結(jié)合實(shí)際FSRU應(yīng)用背景，LNG的氣化過程中所采用的熱源為海水，海水的溫度隨著季節(jié)的變化而變化，考慮到實(shí)際情況下，海水的溫度變化在7～22℃下進(jìn)行變化，實(shí)驗(yàn)中研究水溫對(duì)換熱段的影響。

不同傾斜角度θ＝0°、10°下，不同入口水溫時(shí)水的進(jìn)出口溫度差如圖9所示。

圖9 進(jìn)口水溫對(duì)水溫差的影響Fig.9 Effect of water’s temperature on water

從圖中可以看出，水的進(jìn)出口溫度差隨著進(jìn)口水溫的變化幾乎不發(fā)生改變，當(dāng)進(jìn)口水溫從7～22℃變化時(shí)，在傾斜角度下的水溫變化幅度差略微比水平角度下水溫差變化幅度大一些，但是增幅非常非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。在同一個(gè)水溫下，發(fā)現(xiàn)傾斜角度10°下的水溫差明顯高于水平換熱段，增加幅度小于1℃。根據(jù)前文中傾斜角度對(duì)換熱的影響可知，隨著傾斜角度的增加，水側(cè)的換熱強(qiáng)度增強(qiáng)，傳熱系數(shù)增大，則相應(yīng)的進(jìn)出口的水溫差也比水平換熱段大。

丙烷作為中間流體，吸收海水的熱量后將這部分熱量傳遞給LNG使其氣化，丙烷／水換熱段中丙烷進(jìn)出口溫差代表了丙烷所能夠提供LNG氣化所需的熱量，圖10為不同傾斜角度下，不同進(jìn)口水溫時(shí)丙烷進(jìn)出口溫差。

圖10 進(jìn)口水溫對(duì)丙烷溫差的影響Fig.10 Effect of water’s temperature on propane

從圖中可以看出，當(dāng)水溫度在7～22℃變化時(shí)，丙烷進(jìn)出口溫差隨著進(jìn)口水溫的升高而變大。結(jié)合水進(jìn)出口溫差變化曲線，丙烷進(jìn)出口溫差變化趨勢(shì)和水的進(jìn)出口溫差變化趨勢(shì)相符合，因?yàn)楸椋畵Q熱段中兩種流體的換熱量應(yīng)該相等。同一進(jìn)口水溫下，傾斜角度下丙烷進(jìn)出口溫差比水平換熱段中的大，根據(jù)傾斜角度對(duì)換熱的影響來看，隨著傾斜角度的增大，換熱增強(qiáng)，則丙烷進(jìn)出口溫度差也相應(yīng)變大。

根據(jù)丙烷／水換熱段中換熱量相等

利用水側(cè)的進(jìn)出口溫度差，求解得到丙烷進(jìn)出口理論溫度差，圖11和圖12分別為θ＝0°和θ＝10°下，丙烷進(jìn)出口理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。

圖11 θ＝0°實(shí)驗(yàn)值與理論值的對(duì)比Fig.11 Comparison of experimental data and calculated data underθ＝0°

圖12 θ＝10°實(shí)驗(yàn)值與理論值的對(duì)比Fig.12 Comparison of experimental data and calculated data underθ＝10°

從圖11和圖12中可以看出，在水平換熱段中，根據(jù)換熱公式計(jì)算出的丙烷進(jìn)出口溫差和實(shí)驗(yàn)值相差不大，兩條曲線幾乎重合，說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量較為準(zhǔn)確，而在傾斜角度θ＝10°下所計(jì)算的理論值與實(shí)驗(yàn)值相差較為明顯，兩條曲線之間的差距在1.3℃左右，可能是由于換熱段傾斜，從而造成丙烷的入口溫度偏低，丙烷進(jìn)出口溫度差變大，也可能是由于換熱段的傾斜，使得測(cè)量丙烷溫度的鉑電阻誤差變大，也可能是由于傾斜角度下，流體的混合更為充分，對(duì)溫度有所影響。

3 結(jié) 論

（1）進(jìn)行過冷中間流體換熱實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證換熱器理論計(jì)算時(shí)殼程流體換熱特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適用于管殼式換熱器設(shè)計(jì)的換熱關(guān)聯(lián)式能夠較好地描述其換熱特性。

（2）結(jié)合FSRU實(shí)際應(yīng)用背景，充分考慮海平面的晃動(dòng)，從而進(jìn)行靜態(tài)條件下，傾斜角度對(duì)換熱過程的影響實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傾斜角度的增加有利于換熱。

（3）結(jié)合FSRU實(shí)際應(yīng)用背景，研究海水的質(zhì)量流量對(duì)換熱過程的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著海水流速的增大，換熱增強(qiáng)，海水的進(jìn)出口溫度差減小。

（4）結(jié)合FSRU實(shí)際應(yīng)用背景，一年四季海水溫度不同，研究海水入口溫度對(duì)換熱過程的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著海水入口溫度的升高，丙烷進(jìn)出口溫度差變大，在傾斜角度下更為明顯，則說明提供給LNG的熱量更多。

符 號(hào) 說 明

cp——比定壓熱容，kJ·kg－1·K－1

G——質(zhì)量流量，kg·s－1

h——傳熱系數(shù)，W·m－2·K－1

Q——換熱段的換熱量，kW

q——熱通量，W·m－2

T——溫度，K

Δz——換熱段長(zhǎng)度，m

λ——熱導(dǎo)率，W·m－1·K－1

下角標(biāo)

avg——平均量

i——第i換熱段

in——入口處

loc——局部換熱段

out——出口處

p——丙烷

w——水

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