吸收LNG冷能的丙烷冷凝器低溫傳熱性能

徐會(huì)金，羅 璇，黃善波，鞏 亮

（中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580）

吸收LNG冷能的丙烷冷凝器低溫傳熱性能

徐會(huì)金，羅 璇，黃善波，鞏 亮

（中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580）

利用丙烷作為中間介質(zhì)回收LNG冷量是解決LNG冷能利用過(guò)程中大溫差傳熱問(wèn)題的有效途徑。對(duì)超臨界LNG丙烷在冷凝器中的傳熱進(jìn)行理論研究。根據(jù)丙烷所處的狀態(tài)將LNG與丙烷的傳熱分為過(guò)熱區(qū)、兩相流區(qū)及過(guò)冷區(qū)。通過(guò)參數(shù)分析研究丙烷入口溫度、冷凝器尺寸、丙烷流量等對(duì)冷凝器整體傳熱結(jié)果的影響規(guī)律。結(jié)果表明：適量增大LNG流量、減小丙烷通道的尺寸有利于LNG冷量的回收，而過(guò)熱丙烷的入口溫度對(duì)LNG冷量的回收影響不大；提高冷凝器傳熱效能的途徑包括：找出最佳丙烷入口溫度、適當(dāng)減小丙烷流量以及減小丙烷通道尺寸。

天然氣；氣化；超臨界流體；傳熱；優(yōu)化設(shè)計(jì)

液化天然氣（LNG，111 K）在汽化過(guò)程中吸收大量熱量。LNG冷能回收可產(chǎn)生較好節(jié)能效果，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。目前LNG冷能利用途徑較多，包括發(fā)電、空氣分離、海水淡化、食品冷凍等。國(guó)內(nèi)外針對(duì)LNG冷能利用途徑進(jìn)行了研究［1-13］。對(duì)于LNG汽化這類低溫傳熱過(guò)程，國(guó)內(nèi)外也進(jìn)行了一定程度的研究［14-20］。目前LNG低溫傳熱領(lǐng)域的工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化的研究在公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中較少涉及。超臨界流體狀態(tài)介于液態(tài)和氣態(tài)之間，擴(kuò)散性更接近氣體，密度類似液體，王英杰等［21-23］對(duì)超臨界流體性質(zhì)與流動(dòng)換熱特性進(jìn)行了研究。采用具有合適相變物性參數(shù)的中間介質(zhì)吸收LNG冷能是減小低溫傳熱過(guò)程溫差的一種可行方法，丙烷是一種常用的中間介質(zhì)［24］。針對(duì)利用LNG冷能的ORC中的丙烷冷凝器，筆者對(duì)高壓LNG超臨界流體與具有過(guò)熱、兩相及過(guò)冷3個(gè)狀態(tài)的丙烷工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的整體傳熱過(guò)程進(jìn)行研究。通過(guò)計(jì)算換熱器效能得出提高冷凝器傳熱效能的途徑。

1 物理模型

圖1為利用LNG冷能的丙烷冷凝器的物理模型。該冷凝器是一種平板換熱器［25］，整體是一個(gè)長(zhǎng)方體。圖1中1表示丙烷通道，2表示LNG通道。圖1（b）為冷凝器剖面圖，流體從左至右流動(dòng)。取丙烷通道的中線到LNG通道的中線為一個(gè)研究單位（圖1（c））進(jìn)行研究，圖中b1、b2分別為丙烷通道和LNG通道的半高。換熱器長(zhǎng)為l（10 m），a（2 m）和b分別為換熱器截面的寬和高，中間壁厚為0.01 m。冷凝器的4個(gè)壁面均絕熱，LNG與丙烷的流動(dòng)方式采用順流。丙烷的入口壓力p1=0.3 MPa；LNG的入口壓力p2=12 MPa，入口溫度T2=111 K，屬于超臨界流體。在計(jì)算過(guò)程中兩種流體的壓力與LNG入口溫度保持不變，流體物性隨溫度發(fā)生變化。

圖1 丙烷冷凝器傳熱模型Fig.1 Heat transfer model of propane condenser

2 數(shù)學(xué)描述過(guò)程

采用超臨界狀態(tài)下的LNG和0.3 MPa下的丙烷進(jìn)行流動(dòng)與傳熱計(jì)算，LNG處于超臨界狀態(tài)，因此超臨界LNG在整個(gè)傳熱過(guò)程中不發(fā)生相變，而丙烷在冷凝器內(nèi)由于向低溫LNG放熱而發(fā)生凝結(jié)換熱過(guò)程?？紤]到低溫和高壓條件，換熱器的材料選用奧氏體不銹鋼耐壓鋼板［26］。

2.1 工質(zhì)熱物性計(jì)算及關(guān)聯(lián)式選取

通過(guò)NIST軟件計(jì)算LNG以及丙烷的物性參數(shù)值。為方便對(duì)丙烷及LNG物性參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用最小二乘法對(duì)丙烷和LNG物性進(jìn)行了擬合，得到了相應(yīng)的擬合關(guān)聯(lián)式。其中針對(duì)丙烷的過(guò)熱、過(guò)冷狀態(tài)，得到了0.3 MPa的丙烷在100～300 K下過(guò)熱丙烷蒸汽密度、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力黏度、比定壓熱容及比焓等各項(xiàng)物性參數(shù)隨溫度變化的關(guān)聯(lián)式。隨溫度的升高，其密度減小、導(dǎo)熱系數(shù)減小、動(dòng)力黏度減小、比定壓熱容和比焓都增大。擬合了12 MPa壓力下LNG的比焓、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、動(dòng)力黏度、比定壓熱容等參數(shù)與溫度的關(guān)系式。隨溫度的升高，LNG的比焓增大、導(dǎo)熱系數(shù)減小、密度減小、動(dòng)力黏度減小、比定壓熱容先增大后減小。

根據(jù)丙烷所處的狀態(tài)將傳熱分為3個(gè)區(qū)域：（1）過(guò)熱丙烷蒸汽與LNG傳熱；（2）丙烷兩相流體與LNG傳熱；（3）丙烷液體與LNG傳熱。LNG和丙烷單相對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式采用Dittus-Boelter和Gnielinshi公式，丙烷凝結(jié)換熱采用膜狀凝結(jié)關(guān)聯(lián)式［27］。

2.2 傳熱模型及冷凝器效能

根據(jù)整體能量平衡方程，可以得到

φ=m1（h1i-h1o）=m2（h2o-h2i）=kAΔT.（1）式中，φ為丙烷及LNG進(jìn)出口間的焓差，W；h1i、h1o分別為冷凝器中丙烷入口及出口比焓，J/kg；h2i、h2o分別為冷凝器中LNG入口及出口比焓，J/kg；m1、m2分別為丙烷與LNG的質(zhì)量流量，kg/s；k為整體傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；A為整體傳熱面積，m2；T為L(zhǎng)NG與丙烷間整體傳熱溫差，K。

對(duì)圖1所示的幾何結(jié)構(gòu)采取沿流動(dòng)方向進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可將其劃分為數(shù)段傳熱微元進(jìn)行傳熱計(jì)算。

（1）第i個(gè)微元體內(nèi)焓差方程為

式中，φ1［i］為第i個(gè)微元體內(nèi)丙烷與LNG進(jìn)出口的焓差，W；h1［i］、h2［i］為i處丙烷與LNG焓值，J/kg。

（2）第i個(gè)微元體位于第一、三區(qū)域和第二區(qū)域，傳熱方程分別為

式中，φ2［i］為第i個(gè)微元體內(nèi)丙烷與LNG之間的傳熱量，W；A［i］為第i個(gè)微元體內(nèi)丙烷與LNG之間的傳熱面積，m2；T1f［i］、T2f［i］分別為第i個(gè)微元體內(nèi)丙烷側(cè)以及LNG側(cè)流體的平均溫度，K；T2w［i］為第i個(gè)微元體內(nèi)中間管壁的壁面溫度，K；k1［i］為處于第一、三區(qū)域中的i微元體內(nèi)丙烷與LNG之間的傳熱系數(shù)，其值由丙烷、LNG側(cè)換熱熱阻以及中間壁的導(dǎo)熱熱阻決定；k2［i］為處于第二區(qū)域中的i微元體內(nèi)丙烷與LNG之間的傳熱系數(shù)，由丙烷換熱熱阻以及中間壁的導(dǎo)熱熱阻決定。

（3）在第i個(gè)微元體內(nèi)，能量守恒方程為

式中，φ1［i］、φ2［i］分別為用能量方程和傳熱方程求得的熱流量，W。

為對(duì)丙烷冷凝器的傳熱性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文中將換熱器的效能定義為換熱器的實(shí)際傳熱效果與最大可能傳熱效果之比，表示為

式中，（mc）max與（mc）min分別為質(zhì)量與比熱容乘積中的大者與小者；k為總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；A為總傳熱面積，m2。

對(duì)于本文中涉及的兩流體換熱器，為了區(qū)分丙烷側(cè)和LNG側(cè)的物理量，假定下標(biāo)1代表丙烷側(cè)，下標(biāo)2代表天然氣側(cè)。

3 結(jié)果及其分析

3.1 丙烷入口溫度T1對(duì)傳熱的影響

圖2給出了丙烷入口溫度對(duì)沿程丙烷干度、丙烷溫度以及LNG溫度的影響（T1=265 K，m1=1 kg ·s-1，m2=4 kg·s-1）。由圖2可以看出，丙烷入口溫度越高，丙烷開(kāi)始液化的起始位置越靠后，但第二階段的長(zhǎng)度是一樣的。不同丙烷入口溫度下LNG溫度分布差別很小，焓增值差別也很小，可見(jiàn)LNG焓增主要來(lái)自丙烷液化放出的潛熱。由此可見(jiàn)，丙烷入口溫度對(duì)LNG冷量回收的影響不大。

圖2 丙烷入口溫度對(duì)傳熱的影響Fig.2 Effect of inlet temperature on heat transfer

3.2 丙烷流量m1對(duì)傳熱的影響

圖3給出了丙烷流量對(duì)沿程丙烷干度、丙烷溫度以及LNG溫度的影響（T1=265 K，b1=0.01 m，m2=8 kg·s-1）。由圖3可知，丙烷流量對(duì)其開(kāi)始凝結(jié)的位置影響不大，但變?yōu)轱柡鸵后w的位置隨流量增加而推后。這是由于流量增多導(dǎo)致丙烷冷凝所需要的冷量增加。圖3（d）中，LNG的焓增值隨流量的增大而增加，增長(zhǎng)趨勢(shì)隨著流量的增加變得緩慢。這是由于流量增多，其兩相流區(qū)域的長(zhǎng)度增加，在一定的換熱通道長(zhǎng)度下，過(guò)冷丙烷與LNG傳熱的沿程長(zhǎng)度變短，第三區(qū)域的傳熱量減少。在一定范圍內(nèi)，回收LNG冷量的值隨丙烷流量的增大而增多。

圖3 丙烷流量對(duì)傳熱的影響Fig.3 Effect of propane mass flow on heat transfer

3.3 丙烷通道尺寸b1對(duì)傳熱的影響

圖4給出了丙烷通道尺寸對(duì)沿程丙烷干度、丙烷溫度以及LNG溫度的影響（b2=0.02 m，m1=1 kg ·s-1，m2=4 kg·s-1）。

圖4 丙烷通道尺寸對(duì)傳熱的影響Fig.4 Effect of channel size on heat transfer

由圖4發(fā)現(xiàn)，丙烷通道尺寸越大，丙烷開(kāi)始凝結(jié)的位置越靠后，變?yōu)轱柡鸵后w的位置也越靠后。這是由于丙烷通道尺寸增大后，丙烷流動(dòng)截面積增大，流速降低，因此傳熱量也相應(yīng)減少。在圖4（d）中，LNG焓增隨丙烷流動(dòng)通道參數(shù)b1的增大而減少，減少的趨勢(shì)隨流量的增加變得緩慢。這是由于丙烷流動(dòng)通道參數(shù)b1增大后，流體間的換熱變?nèi)酰鋬上嗔麟A段所需長(zhǎng)度增加，在一定的換熱通道長(zhǎng)度下，相應(yīng)的第三階段的長(zhǎng)度變短，第三階段的換熱量也減少。由此可見(jiàn)，其他條件相同時(shí)，丙烷流動(dòng)通道參數(shù)b1越小，回收LNG的冷量越多。

3.4 丙烷冷凝器的傳熱性能評(píng)價(jià)

圖5給出了丙烷入口溫度T1、流量m1及通道尺寸b1對(duì)換熱器效能的影響。由圖5（a）發(fā)現(xiàn)，冷凝器效能隨丙烷入口溫度的增大先增大后減小，存在一個(gè)最佳丙烷入口溫度（292.1 K）使得冷凝器的效能（0.739）最大。由圖5（b）可以看出，隨著丙烷流量增大，冷凝器的效能減小，可以通過(guò)減小丙烷流量提高冷凝器的傳熱效能。由圖5（c）可以看出，隨著丙烷通道尺寸增大，冷凝器的效能也減小，因此可以通過(guò)減小丙烷通道尺寸提高冷凝器的傳熱效能。

圖5 基本參數(shù)對(duì)丙烷冷凝器效能的影響Fig.5 Effect of key parameters on effectiveness of propane condenser

4 結(jié) 論

（1）丙烷入口溫度越高，丙烷開(kāi)始液化的起始位置越靠后，但對(duì)LNG冷量回收的影響不大。

（2）丙烷流量對(duì)其凝結(jié)的起始位置影響不大，但丙烷變?yōu)轱柡鸵后w的位置隨流量的增加而推后。隨丙烷流量增大，LNG出口溫度升高，升高趨勢(shì)逐漸放緩。在一定范圍內(nèi)，回收LNG冷量的值隨丙烷流量的增大而增多。

（3）其他條件相同時(shí)，丙烷通道尺寸越大，丙烷開(kāi)始凝結(jié)的位置和變?yōu)轱柡鸵后w的位置越靠后。LNG出口溫度隨丙烷通道尺寸的增大而降低，但降低的趨勢(shì)隨著流量的增加變得緩慢。丙烷通道尺寸越小，回收LNG的冷量越多。

（4）存在使冷凝器效能最大的最佳丙烷入口溫度，減小丙烷流量及丙烷通道尺寸可以有效地改善冷凝器的效能。

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（編輯 沈玉英）

Low-temperature thermal performance of propane condenser for recovering LNG cryogenic energy

XU Huijin，LUO Xuan，HUANG Shanbo，GONG Liang
（College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Using propane to recover LNG cold energy is an effective way to avoid the problem of heat transfer with large temperature difference.The heat transfer between supercritical LNG and propane in the condenser was theoretically investigated，which is significant for the utilization of LNG cold energy.According to the propane state，LNG-propane heat transfer area can be divided into overheating region，two-phase region and sub-cooling liquid region.By means of parameter analysis method，the effects of some main parameters（propane inlet temperature，condenser size，propane flow rate）on the overall heat transfer performance of condenser were discussed.The results show that properly increasing LNG mass flow rate and decreasing channel width are beneficial to the recovery of LNG cold energy，while the effect of inlet temperature of propane gas on the recovery of LNG cold energy turns out to be little.The approaches that can improve the condenser effectiveness include determining the optimal propane inlet temperature，properly decreasing the propane mass flow rate and decreasing the width of propane-side channel.

natural gas；gasification；supercritical fluid；heat transfer；optimization design

TE 124

A

1673-5005（2015）04-0140-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.04.019

2015-01-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（13CX05023A）

徐會(huì)金（1984-），男，講師，博士，研究方向?yàn)長(zhǎng)NG冷能利用、多孔介質(zhì)傳熱流動(dòng)特性等。E-mail：hjxu@upc.edu.cn。

引用格式：徐會(huì)金，羅璇，黃善波，等.吸收LNG冷能的丙烷冷凝器低溫傳熱性能［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，39（4）：140-146.

XU Huijin，LUO Xuan，HUANG Shanbo，et al.Low-temperature thermal performance of propane condenser for recovering LNG cryogenic energy［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（4）：140-146.