• 液化天然气空温式气化器传热性能分析

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    • 发布时间:2017-9-2 0:00:00

    液化天然气空温式气化器传热性能分析-南宫星燃气体设备

    随着能源的日益短缺及环境保护政策的大力实施,空温式气化器以其清洁、能耗低的优势在液化天然气(简称 LNG)气化站内得到广泛应用。然而,我国自主设计的空温式气化器缺乏自主创新和优化设计,多数是依据现有的经验进行制造和设计,缺乏理论基础。空温式气化器的传热性能研究是一项十分重要的技术基础性工作,可为空温式气化器的合理选型及经济评价提供理论依据,也可作为工程设计的参考,具有现实意义。


      一、空温式气化器的工作原理

      空温式气化器是依靠常温下的空气对管内低温LNG进行加热,气化器附近区域内的空气形成自然对流,强化了气化器的传热过程。该类气化器的结构简单,运行维护费用低且不依靠额外的动力或能源系统,适用于气化量较低的基本负荷型 LNG 气化站供气系统,因此在我国的中小型 LNG 气化站应用较多。

      空温式气化器是一种星形翅片管结构,目前主要有4翅片结构、8翅片结构和12翅片结构,由于铸造工艺水平的限制,国内多为8翅片以下结构。空温式气化器是 LNG 气化站的核心设备,按照用途可分为增压式和供气式两类,本文研究供气式空温式气化器,此类空温式气化器将 LNG 气化为具有一定过热度的天然气以满足城市燃气管网要求。

      二、热物性参数拟合计算

      天然气的热物性参数是空温式气化器在设计、研究及操作运行中不可缺少的基础数据。LNG 在气化过程中,温度、压力和相态等会发生变化,精确计算天然气的热物性参数是气化过程模拟计算的基础,热物性参数的精度对数值模拟准确性的影响是不可忽略的。因此,必须准确计算天然气热物性参数以提高模拟的准确性。应依据不同的热物性混合规则分别对液化天然气、气态天然气和空气的动力粘度、导热系数、摩尔定压比热容和密度进行计算及公式拟合,并依据定义式计算对应压力下的 LNG 的泡点和露点温度,才能为后期数值计算打下基础。

      在实际操作中应首先分析并确定液化天然气的组分,针对各个热物性参数选定相应的混合规则及计算模型,对 LNG 和 NG 的热物性参数进行计算并拟合随温度变化的多项式函数。具体内容包括:确定本课题中 LNG 的气样组成;分别使用 Li模型、Teja-Rice 法、 《低温工程技术》中的方法和摩尔加成法对液化天然气的导热系数、动力粘度、密度和摩尔定压比热容进行了计算和公式的拟合,使用 Ribblett法、Lucas 法、P-R 方程和理想气体法对气态天然气的导热系数、动力粘度、密度以及摩尔定压比热容进行了计算和公式的拟合。 另外,依据泡点和露点的定义式,结合烃类物质相平衡常数的求解方法,编程计算对应压力下 LNG 的泡点和露点温度。


      三、LNG 空温式气化器传热传质特性分析

      液化天然气在空温式翅片管气化器中的气化过程是管内流动沸腾相变和空气侧自然对流传热过程的耦合。低温液化天然气在翅片管内流动,在温差的驱动下热量由空气经过翅片、基管传给管内液化天然气,管内液化天然气温度升高至泡点后开始气化并升温,与此同时,翅片管外侧近壁处空气温度降低,密度增大,产生自然对流。常用的空温式翅片管气化器的进口设在气化器底部,出口设在气化器上部,启动时,LNG 从底部流入气化器,在流道内吸热气化,温度沿管长方向不断上升,最终从出口流出。

      四、LNG 空温式气化器单根翅片管数值模拟

      LNG 在空温式气化器内气化的整个过程为自然对流、导热、强迫对流及沸腾相变的耦合问题,有实际意义的物理问题大多无法获得解析解,只能采用数值计算的方法。数值模拟将数学分析理论、物理模型、装置设计等结合起来,以计算机为操作平台,短时间内可对物理几何参数分布广的模型进行计算,有助于对客观物理规律的研究,而且具有研究周期短、节省费用的优势,在工程设计和研究中有着积极的作用。

      在实际操作中应利用数值模拟方法,在空气侧自然对流和管内相变条件下对影响空温式气化器单根翅片管传热性能的几何参数、空气温度及流速进行研究。在对LNG空温式气化器单根翅片管的传热传质过程进行数值模拟时,首先,可利用Fluent软件(一种求解流动与传热等问题的大型数值模拟软件)进行计算并应用数学模型进行模拟, 使用 Gambit 建立几何模型并进行合理的网格划分,确定模型中边界条件的类型及输入参数,编写 UDF 自定义程序描述 LNG 沸腾相变过程,可得到温度场和速度场等势图,以及管内气化率和温度沿管长的分布,最后要注意分析下翅片外侧空气温度和翅片管内 LNG 入口流速对空温式气化器单根翅片管传热性能的影响。

      五、结论及注意事项

      1、空温式气化器不消耗外加能源,气化能耗费用低,在我国南方地区得到广泛认可与应用。

      2、将翅片管外侧空气自然对流、固体导热和翅片管内 LNG 气化相变过程进行耦合,采用切割 shadow 面的方法确保流固耦合界面热边界条件的一致性,可以更合理地模拟了 LNG 空温式翅片管气化器的传热传质过程,使计算更趋精确化。

      3、通过对翅片管传热传质过程进行数值模拟,可得到翅片管横截面的温度场和速度场分布、管内截面平均气化率和温度沿管长的变化以及传热系数等,能更直观地描述 LNG 在翅片管内气化的整个传热传质过程。

      4、要注意空气温度变化对翅片管传热性能的影响。在 280K-300K 范围内,随着空气温度升高,总换热量增大,纯液相段长度缩短,天然气出口温度增大,即空气温度越高,翅片管的传热性能越好,扩大了空温式气化器的应用范围。

      5、要注意分析 LNG 入口流速对翅片管传热性能的影响。流速在 0.03-0.09m/s 范围内,随着流速的增大,翅片管总换热量和内管对流传热系数增加,但进出口焓差减小,气态天然气的出口温度降低,应综合考虑多个换热指标的变化趋势,来确定哪一个结构尺寸的翅片管的最佳入口流速。

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