LNG開架式氣化器流動(dòng)和傳熱特性的研究進(jìn)展

董 曉，朱玉琴

（1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安陜西 710065；2.西安市高碳資源低碳化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安陜西 710065）

隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，全球范圍內(nèi)迅速展開了一場(chǎng)前所未有的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，天然氣(NG)作為能源轉(zhuǎn)型中的橋梁，將發(fā)揮更加重要的作用。到2040年，天然氣將成為世界上增長(zhǎng)最快的主要能源。因此，未來(lái)天然氣市場(chǎng)仍將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)[1-4]。

作為燃?xì)夤?yīng)鏈中不可或缺的設(shè)備，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)氣化器能夠?qū)⒌蜏氐腖NG 加熱并氣化為NG，以滿足供熱、發(fā)電等領(lǐng)域的需求。開架式氣化器(Open Rack Vaporizer，ORV)因結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行成本低，在世界LNG 接收站中越來(lái)越流行[5-7]。

在LNG 開架式氣化器流動(dòng)傳熱的數(shù)值模擬中，CFD 方法可以用來(lái)分析LNG 在設(shè)備中的流動(dòng)、傳熱和溫度分布等問(wèn)題，獲得流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的局部和全局信息，有助于深入了解流動(dòng)和傳熱特性，為設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)[8-9]。

ORV 以海水為熱源對(duì)LNG 進(jìn)行氣化，主要作用是將LNG 氣化并加熱至常溫后輸送至下游用戶。隨著全球能源轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)，LNG 在能源領(lǐng)域的地位逐漸提高，因此LNG 氣化器的研究受到了廣泛關(guān)注，尤其是對(duì)大型海水開架式氣化器性能提升的研究。因此，對(duì)開架式氣化器的傳熱特性展開研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[10-11]。

1 數(shù)值模擬方法

采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)模擬方法，對(duì)換熱管中LNG 氣化的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析LNG 在氣化器中的流動(dòng)及傳熱過(guò)程，可以揭示LNG 氣化傳熱的機(jī)理和擾流桿強(qiáng)化傳熱的效果。

1.1 流動(dòng)模型

流體流動(dòng)模型可描述流體的速度分布、流動(dòng)方向、流動(dòng)路徑以及可能存在的湍流效應(yīng)等。這些模型通?；诨镜牧黧w力學(xué)方程，對(duì)這些方程進(jìn)行數(shù)值離散化求解，可以得到流體流動(dòng)的速度分布和流場(chǎng)特性[12]。流動(dòng)模型可分為單相流模型和多相流模型，下面詳細(xì)介紹這2種模型[13]。

1.1.1 單相流模型

單相流體的對(duì)流換熱適用于氣化段內(nèi)套管中的過(guò)冷LNG 液體，以及環(huán)狀間隙及加熱段中的NG氣體，主要用于研究ORV傳熱管中LNG的流動(dòng)和傳熱特性。

假設(shè)換熱過(guò)程中無(wú)氣化或冷凝相變，呂國(guó)政研究了開架式氣化器加熱段的流動(dòng)和傳熱特性，獲得了插入不同參數(shù)擾流桿的對(duì)流換熱強(qiáng)度努塞爾數(shù)Nu和阻力特征的摩擦因子f的經(jīng)驗(yàn)公式。在超臨界壓力下，楊帆[14]和鄧志安[15]在普通換熱管的基礎(chǔ)上，研究了十字螺旋擾流桿的傳熱管換熱效果，發(fā)現(xiàn)帶擾流桿的新型傳熱管，可使換熱管的換熱能力有所提高。賀美玲[16]研究了傳熱管內(nèi)低溫LNG 的湍流流場(chǎng)及溫度分布特性，發(fā)現(xiàn)內(nèi)外翅片以及螺旋紐帶等結(jié)構(gòu)，對(duì)管內(nèi)的對(duì)流傳熱有顯著的強(qiáng)化作用。He Cheng[17]研究了不同的操作參數(shù)對(duì)超臨界氮?dú)庠诶吖軆?nèi)的傳熱特性的影響，利用所建立的關(guān)系式，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)新型肋管內(nèi)超臨界流體的換熱系數(shù)。

1.1.2 多相流模型

多相流模型在涉及2個(gè)或多個(gè)相互作用的流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中發(fā)揮著重要作用。在ORV 的換熱管中，LNG 經(jīng)歷的氣化相變過(guò)程涉及液相和氣相。為了準(zhǔn)確描述這種多相流行為，在使用Fluent 軟件進(jìn)行模擬時(shí)，可以選擇3 種多相流模型，即VOF 模型(Volume of Fluid)、混合物模型(Mixture Model)或歐拉模型(Eulerian Model)。

1）VOF 模型。VOF 模型通過(guò)追蹤流體相的體積分?jǐn)?shù)來(lái)描述界面位置。使用VOF 模型進(jìn)行多相流體模擬時(shí)，通常會(huì)使用質(zhì)量守恒和體積守恒方程來(lái)描述流體的運(yùn)動(dòng)和界面的變化。以下是VOF 模型中常用的質(zhì)量守恒和體積守恒方程。

質(zhì)量守恒方程：

該方程表示每個(gè)流體相的質(zhì)量守恒，即每個(gè)相內(nèi)的質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生或消失，只會(huì)通過(guò)流體流動(dòng)進(jìn)行重新分配。

體積守恒方程：

該方程描述了VOF 函數(shù)的變化，保證了流體的體積在模擬過(guò)程中保持不變。

2）Mixture 多相流模型。Mixture 多相流模型是一種常用的數(shù)值模擬方法，用于描述多種不同相態(tài)流體的混合流動(dòng)行為。在Mixture多相流模型中，不同相態(tài)的流體被視為一個(gè)整體混合流，以簡(jiǎn)化問(wèn)題的復(fù)雜性。該模型基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等基本方程，通過(guò)對(duì)這些方程進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕坪图僭O(shè)來(lái)推導(dǎo)出模型的具體形式。以下是Mixture多相流模型中常用的一些方程和假設(shè)：

質(zhì)量守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

該方程描述了壓力梯度、剪切力、重力等對(duì)流體流動(dòng)的影響。

能量守恒方程：

該方程描述了傳導(dǎo)熱、流體運(yùn)動(dòng)對(duì)能量的輸運(yùn)以及熱源或熱損耗的影響。

式(1)~式(5)中，ρ為流體密度；α為VOF 函數(shù)，表示在每個(gè)單元中每種流體相的體積分?jǐn)?shù)；t為時(shí)間；u為速度矢量；?為散度運(yùn)算符，用于描述物質(zhì)的流動(dòng)；τ為應(yīng)力張量，表示流體內(nèi)部的剪切力和壓力；S為源項(xiàng)，代表可能存在的物質(zhì)生成或消耗；?為張量積，描述多維量之間關(guān)系的運(yùn)算符；H為混合流體的比焓；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；T為溫度；Φ為熱源項(xiàng)，代表可能存在的熱源或熱損耗。

3）歐拉模型(Eulerian Model)。歐拉模型是Fluent中最復(fù)雜的多相流模型，它通過(guò)建立n個(gè)動(dòng)量方程和連續(xù)方程來(lái)求解每個(gè)相的行為。歐拉模型適用于高速流動(dòng)、大尺度流動(dòng)以及流體內(nèi)部溫度和壓力變化較小的情況。在湍流流動(dòng)中，歐拉模型可能無(wú)法提供準(zhǔn)確的結(jié)果，因此需要使用更復(fù)雜的模型。

基于Mixture 多相流模型，曾誠(chéng)[18]研究了2 種氣化管內(nèi)，速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和截面含氣率的分布情況，發(fā)現(xiàn)螺紋管的傳熱強(qiáng)化效果明顯。張尚文[19]對(duì)比了有無(wú)擾流桿的氣化器，發(fā)現(xiàn)在氣化段內(nèi)，無(wú)擾流桿換熱管的氣化率要優(yōu)于帶擾流桿換熱管；在加熱段內(nèi)，帶擾流桿換熱管的氣化率要優(yōu)于無(wú)擾流桿換熱管。

基于VOF 模型，孫啟迪等人[20]研究了4 組不同海水液膜厚度下的換熱管模型，發(fā)現(xiàn)換熱管外海水的結(jié)冰受到液膜厚度及海水入口流速的影響很大。李松[21]研究了整體傳熱模型對(duì)管內(nèi)流體溫度的影響，發(fā)現(xiàn)誤差在3K 以內(nèi)，表明計(jì)算較精確。蘇厚德[22]首次建立了擾流桿貫穿全管的數(shù)值模型，研究了管外海水膜流動(dòng)的液膜厚度結(jié)冰模型，發(fā)現(xiàn)液膜內(nèi)的溫度場(chǎng)越接近換熱管外壁，溫度梯度越大。任金平等人[23]、張琪等人[24]研究了換熱管從環(huán)境溫度降至低溫的預(yù)冷過(guò)程，發(fā)現(xiàn)海水膜厚度越厚，換熱管內(nèi)流體的平均溫度和平均速度越高。

1.2 模型合理性的驗(yàn)證

盡管數(shù)值模擬在科學(xué)和工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但它也存在一些限制性因素，可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，或?qū)⒂山?jīng)驗(yàn)公式得到的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)參數(shù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，是一種重要的驗(yàn)證手段。曾誠(chéng)、蘇厚德用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了模型的可行性。余美玲[25]建立了直筒圓管模型，并對(duì)比了換熱管的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)。比較三者的努塞爾數(shù)之后發(fā)現(xiàn)，誤差在10%之內(nèi)。陳帥[26]對(duì)最小海水流量至額定海水流量的3 種工況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲得了實(shí)際運(yùn)行中壓力、溫度、管束結(jié)冰高度等數(shù)值的測(cè)試結(jié)果，與計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差僅為0.94%。楊帆、鄧志安、賀美玲建立了直筒圓管模型，研究了不同熱流密度和壓力條件下，溫度、換熱系數(shù)隨焓值的變化情況，結(jié)果與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。李松、He Cheng 建立了含外翅片的換熱管模型，模擬結(jié)果與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。表1 是一些研究者建立的模型，以及他們進(jìn)行模型驗(yàn)證時(shí)采用的方法。

表1 模型概述表

2 操作條件對(duì)傳熱性能的影響

操作條件的改變對(duì)傳熱過(guò)程會(huì)有一定的影響。改變操作條件，分析換熱管內(nèi)的傳熱過(guò)程，研究其對(duì)傳熱系數(shù)或管外海水結(jié)冰的影響，可獲得適合氣化器的運(yùn)行參數(shù)。表2列舉了改變LNG和海水的入口流速、溫度、海水液膜厚度等參數(shù)，對(duì)傳熱系數(shù)的影響。

表2 影響傳熱的操作條件

孫啟迪研究了不同的海水液膜厚度以及不同的海水入口流速對(duì)換熱管外海水結(jié)冰的影響。隨著海水液膜厚度和海水入口流速的增大，換熱管外結(jié)冰的長(zhǎng)度縮短，有利于換熱管傳熱。鄧志安、張尚文分別對(duì)不同的LNG 進(jìn)口流速進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)LNG 的進(jìn)口速度越低，LNG 的氣化過(guò)程越充分。許燕[27]研究了LNG 流量、海水溫度等因素發(fā)生變化時(shí)，天然氣出口溫度、海水出口溫度等主要操作參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)趨勢(shì)。He Cheng[28]研究了甲烷進(jìn)口壓力和質(zhì)量流量對(duì)換熱管的傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)流換熱系數(shù)隨甲烷質(zhì)量流量的增加而顯著增加，海水的進(jìn)口溫度對(duì)管道傳熱性能的影響較小。王玉娟[29]研究了不同的LNG 入口流速對(duì)開架式氣化器性能的影響，當(dāng)LNG 的入口流速增大時(shí)，傳熱管外壁的結(jié)冰高度呈增大趨勢(shì)，整體傳熱效率增加。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響

近年來(lái)，LNG 接收站作為進(jìn)口LNG 的接收終端，在我國(guó)東部沿海進(jìn)行了大規(guī)模建設(shè)，ORV 因氣化效果好、能耗低、運(yùn)行維護(hù)便捷，成為接收站氣化單元的首選。但ORV 的結(jié)構(gòu)和傳熱機(jī)理復(fù)雜，且多采用國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，關(guān)鍵技術(shù)難以完全掌握，在缺乏理論指導(dǎo)的情況下，優(yōu)化難度較大。

余美玲研究了不同參數(shù)的螺距、螺旋高度以及不同材質(zhì)的換熱管，對(duì)新型內(nèi)螺旋強(qiáng)化管的傳熱特性和阻力特性的影響，發(fā)現(xiàn)螺距對(duì)強(qiáng)化傳熱綜合性能的影響趨勢(shì)是先增大后減小，隨著螺旋高度增大，強(qiáng)化傳熱綜合性能也逐漸增大，當(dāng)螺距為25mm，螺旋高度為6.3mm時(shí)，與鋁相比，銅制管材的強(qiáng)化傳熱綜合性能更好。曾誠(chéng)采用正交試驗(yàn)方法對(duì)螺紋氣化管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案為：螺旋氣化管的小徑為8mm，螺旋肋寬度為55°，螺距為120mm。許成康[31]探究了傳熱管的內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，即螺距大小和梅花個(gè)數(shù)對(duì)傳熱性能的影響，并對(duì)內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，確定螺距大小為40mm 時(shí)，總對(duì)流傳熱系數(shù)最大。內(nèi)側(cè)梅花個(gè)數(shù)為18時(shí)，傳熱性能最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于CFD 模擬方法，對(duì)開架式氣化器傳熱性能的模擬研究成果進(jìn)行了綜述，介紹了用于換熱管流動(dòng)傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬方法，并對(duì)模型驗(yàn)證和氣化器設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)行了總結(jié)。分析總結(jié)了影響傳熱性能的因素，重點(diǎn)討論了操作條件和模型結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管內(nèi)流動(dòng)傳熱的影響，可為進(jìn)一步改進(jìn)氣化器性能和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，以促進(jìn)氣化器的實(shí)際應(yīng)用。相關(guān)研究的不足之處，是大多數(shù)研究只選取了換熱管中的某一長(zhǎng)度進(jìn)行研究，若對(duì)整段換熱管中的流體進(jìn)行研究，計(jì)算誤差可能會(huì)更小。