組合管殼式熱管氣化器設計計算及應用

高原原，田朝陽，趙志紅，李秋杰，汪微微

（1.江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司，江蘇 南京 211112；2.江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 211112）

對以海水為熱源或者乙二醇水溶液作為循環(huán)冷媒來進行冷能利用的情況，大流量液化天然氣（LNG）條件下可以采用中間介質型（IFV）氣化器的結構[1]。對于小型的氣化站或者船用型氣化器，空間有限的情況下，IFV氣化器的占地空間大，不能滿足場地要求?，F(xiàn)有熱管熱交換器的殼體形狀大多為方形結構[2]，介質能夠承受的壓力較小，一般為微常壓，限制了熱管熱交換器的使用。LNG的設計壓力高，一般在4 MPa（G）以上，有的可以達到16 MPa（G）,所以LNG的氣化設備需要能夠承受高壓[3]。另外LNG入口溫度在-160～-100℃，用海水或乙二醇溶液作為熱源進行換熱，設計過程中需要考慮如何避免熱源結冰。組合管殼式熱管氣化器結合了管殼式熱交換器和熱管熱交換器的優(yōu)點，可承受較高的設計壓力。冷、熱流體分別在上、下管束的殼程中流動，換熱管內(nèi)充裝有中間工質，通過中間工質的蒸發(fā)和冷凝進行傳熱，傳熱效率高。

1 組合管殼式熱管氣化器結構特點及傳熱原理

1.1 結構特點

組合管殼式熱管氣化器是組合管殼式熱管換熱器[4]在氣化器領域的首次應用，為立式布置，總體由上、下2個殼體組成。上殼體設置冷流體進、出口，下殼體設置熱流體進、出口。每個殼體中含有1個U型管或直管型管束，管束的一端固定在管板上，另一端通過U型管或者堵頭進行密封，上、下管束的2塊管板直接相連或者分別安裝在連接筒體的兩端，在上管板與下管板之間形成一個連通上管束和下管束的氣液分離交換空間，在這個空間中裝有充裝和泄放口。組合管殼式熱管氣化器、熱管以及IFV氣化器都屬于中間介質型熱交換器、都利用另一種中間介質的蒸發(fā)和冷凝進行熱量傳遞。

與普通熱管熱交換器相比，組合管殼式熱管氣化器具有承壓能力強、加工制作簡單、傳熱更均勻的特點。普通的熱管[2]一般是由單根換熱管制作的獨立封閉腔體，整個熱管管束由若干獨立的熱管組成，每根熱管都需要單獨進行排氣充液，組合管殼式熱管氣化器只需要一次排氣充液即可完成整個熱交換器熱管的制作過程，因此可以極大降低加工難度。同時，上管束和下管束是分開加工的，可根據(jù)冷、熱流體的化學性質，選用不同的材質制作。此外，換熱管束中間部分相連通，可以實現(xiàn)自動分布氣體和液體功能，有利于均衡各根換熱管的熱負荷，避免干燒等現(xiàn)象。

組合管殼式熱管氣化器與IFV氣化器的不同之處在于，IFV氣化器的中間介質是在管束外部發(fā)生相變，是臥式的；而組合管殼式熱管氣化器的中間介質是在換熱管內(nèi)部發(fā)生的相變，是立式的。IFV殼體的中間介質在蒸發(fā)和冷凝過程中，需要一定高度的空間進行氣、液兩相的分離，中間介質充裝在殼程，需要的充裝量大。在空間有限的場合，組合管殼式熱管氣化器占地面積小，還可以如IFV氣化器那樣避免2種流體直接換熱，消除了結冰風險。

1.2 傳熱原理

組合管殼式熱管氣化器管內(nèi)的傳熱原理類似于重力熱管[5-7]，也被稱為閉式兩相熱虹吸管，沒有吸液芯，它的特點是蒸發(fā)段管束必須位于冷凝段管束的下方，冷凝液體通過重力回流到蒸發(fā)段，保持足夠的重力壓頭方能運行，因此熱流體必須要放置在下管束的殼程，反之則不能工作。組合管殼式熱管氣化器結構及傳熱原理見圖1。

圖1 組合管殼式熱管氣化器結構及傳熱原理示圖

首先要在2個管束內(nèi)部抽真空，并充入一定量的中間介質。運行時，熱流體對下管束進行加熱，使內(nèi)部介質氣化，通過壓力作用使蒸汽升入上管束內(nèi)。氣體在上管束內(nèi)部和管壁接觸遇冷后放熱冷凝，然后在重力作用下經(jīng)過中間腔體的絕熱段回流到蒸發(fā)段，完成一次循環(huán)。簡單來說，就是通過中間介質在2個管束內(nèi)部不斷地蒸發(fā)和冷凝，將熱量從熱流體傳給冷流體，單純地依靠重力自行內(nèi)部循環(huán)。上管束和下管束的管程空間通過中間腔體連通，形成一個完整的封閉腔體。管內(nèi)壓力是由中間介質蒸發(fā)后的蒸汽壓力決定，是與中間介質的相變溫度一一對應的飽和壓力。

在進行熱交換器設計時，需要選擇合適的中間介質相變溫度來確定上、下管束傳熱面積。實際運行中，中間介質的蒸汽壓力受冷、熱流體的溫度，傳熱系數(shù)及上、下管束的傳熱面積的共同影響。上管束、下管束管內(nèi)流體的操作溫度是相等的，而且是一個恒定值。該溫度介于冷流體的出口最高溫度和熱流體的最低進口溫度之間，因此，組合管殼式熱管氣化器只適用于冷、熱流體的進、出口溫度沒有交叉區(qū)間的場合。

管外的傳熱原理同管殼式熱交換器殼程的流體傳熱原理[8-10]，折流板可以采用單弓形折流板或雙弓形折流板，殼體可以選用E型、J型或者X型?？梢愿鶕?jù)殼程流體的傳熱要求選用合適的殼體形式，殼程流體的傳熱系數(shù)可使用管殼式熱交換器成熟的傳熱公式來計算。

制約組合管殼式熱管氣化器管內(nèi)傳熱能力的極限主要是聲速極限、攜帶極限、沸騰極限和干涸極限[11-14]。熱流密度過大，液膜蒸發(fā)過快，下降液膜可能在到達液池前就已干涸。這時局部壁溫升高，但熱管尚能運行，下降液膜出現(xiàn)厚度為0時對應的熱流密度即為干涸極限。另外，中間介質的充裝量對傳熱能力影響很大，要根據(jù)操作工況下的溫度、壓力以及熱流密度計算介質的充裝量，除使液體能在內(nèi)壁形成下降液膜外，還有部分積存于蒸發(fā)段底部形成液池，避免出現(xiàn)蒸發(fā)段底部干涸而不能工作的情況。

2 組合管殼式熱管氣化器工藝計算

2.1 上殼體傳熱計算模型

組合管殼式熱管氣化器的內(nèi)部傳熱過程包括兩相流和相變傳熱。上管束管內(nèi)的冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝2種方式，滴狀冷凝的傳熱系數(shù)是膜狀冷凝的數(shù)倍，但是滴狀冷凝比較難維持，僅存在于換熱管頂部的小部分區(qū)域，計算時可全部當作膜狀冷凝設計。它的理論研究是以Nusselt無限大平板的膜狀凝結為基礎，通過試驗對冷凝傳熱系數(shù)進行修正，得出經(jīng)驗公式，對于層流膜狀冷凝和湍流膜狀冷凝，可采用式（1）和式（2）計算[15]。

式 (1)～式 (2)中，α為凝結段的平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；hfg為冷凝潛熱，J/kg；ρι為液體的密度，kg/m3；λι為液體的導熱系數(shù),W/(m·K)；μι為液體的動力黏度，Pa·s；Lc為凝結段長度，m；qc為凝液段徑向熱流密度，W/m2；Re為凝結段液膜流動的雷諾數(shù)；g為重力加速度，g=9.8 m/s2。

2.2 下殼體傳熱計算模型

下管束管內(nèi)介質的沸騰包含有液膜蒸發(fā)和池式沸騰2種模式。液膜蒸發(fā)的傳熱模型可以使用豎管降膜蒸發(fā)的傳熱計算公式，池式沸騰比較少，只出現(xiàn)在底部U型彎處部分，可以忽略。傳熱系數(shù)的計算方法采用Nusselt數(shù)關聯(lián)式[16]計算，即：

式(3)～式(5)中，Nux為局部的 Nusselt數(shù)，NuNB為核態(tài)沸騰的 Nusselt數(shù)，Nucc為混合對流的Nusselt數(shù)；Rex為局部的雷諾數(shù)；Nuf為液體黏度 數(shù)；Prι為 液 相的普朗特數(shù)；p為飽和蒸氣壓，Pa；Im為氣泡尺度，；qe為蒸發(fā)段熱流密度，W/m2；σ 為液體表面張力，N/m；ρv為氣相密度，kg/m3；vι為液相的運動黏度，m2/s；k為修正系數(shù)，與介質種類相關。

2.3 模型應用計算實例

以某小型LNG船用氣化器為例分析說明組合管殼式熱管氣化器在LNG氣化工程中的實際應用。LNG進出口溫度-120～-55℃,乙二醇溶液的進出口溫度-35～-40℃，LNG在標準氣體狀態(tài)下的體積流量為80 m3/h。乙二醇溶液中乙二醇質量分數(shù)為60%，對應的乙二醇溶液的冰點溫度為-48.3℃。原采用的LNG與乙二醇溶液氣化設備為水浴盤管式氣化器，在使用過程中出現(xiàn)了乙二醇溶液的結冰。

為了避免結冰，必須對LNG氣化器的設計條件進行分析，對LNG氣化器進行設備優(yōu)選。該設計條件具有流量小、LNG溫度低及乙二醇操作溫度接近冰點溫度的特點。如果使-120℃的LNG直接和乙二醇溶液采用間壁方式換熱，不管是順流還是逆流都無法避免乙二醇溶液的結冰問題，而改用IFV氣化器或組合管殼式熱管氣化器在理論上可以避免二乙醇結冰。為此，基于此小型LNG船用氣化器的工藝參數(shù)，分別以組合管殼式熱管氣化器和IFV氣化器為設備類型，進行方案階段傳熱設備選型設計計算，結果見表1。

表1 組合管殼式熱管氣化器和IFV氣化器方案對比

由表1可以看出，組合管殼式熱管氣化器比IFV氣化器需要的換熱面積略大一些，傳熱效率基本一致，而組合管殼式熱交換器的占地面積只有0.2 m2，是 IFV氣化器占地面積的 7%，設備質量大約是IFV氣化器的60%。組合管殼式熱管氣化器同等直徑下可以布置的換熱面積更多，更加緊湊。而IFV氣化器需要留有足夠的氣液分離高度，殼體內(nèi)換熱管布置很空，設備直徑大，需要充裝的中間介質多，設備材料成本更高。

該設備采用組合管殼式熱管氣化器結構，實際運行效果良好，滿足設計要求，沒有出現(xiàn)乙二醇水溶液結冰問題。

3 結語

氣化器是實現(xiàn)LNG工業(yè)和民用的重要設備。氣化器選擇和設計不當易出現(xiàn)結冰。組合管殼式熱管氣化器結構獨特，相比于普通熱管氣化器加工難度低、安全系數(shù)高且承壓能力強。相比于IFV氣化器，雖傳熱效率略低，但其占地面積小，充裝的中間介質少，更適合在不能直接進行間壁換熱的小負荷工況使用，可降低材料成本。