套管对空温式气化器传热的影响

董 超， 陈叔平， 朱 鸣， 金树峰， 吴宗礼

(1.兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

空温式气化器在运行中存在气化能力达不到设计要求、结构不合理等问题，因传热恶化而导致工艺装置爆炸等严重后果，是液化天然气(LNG)在气化过程中务必重视和解决的难题。Chiu等[1]、刘珊珊等[2]对空温式气化器传热过程展开全面探索，建立空气侧传热系数公式并分析管内气化传热与气化流型，结果表明LNG在管内气化以核态沸腾为主。提升传热管传热效率一直是技术研发的重点，最早通过在传热管表面加装翅片进行强化传热[3]，并在此基础上进行设计和优化。邱燕[4]建立了气化器竖直纵向翅片管计算模型，分析翅片管长度、高度对气化器自然对流的换热特性。Lee等[5]实验分析了不同形式翅片在恒温条件下对换热性能的影响。Kong等[6]、Jeong等[7-8]分析了8fin50le和4fin75le两种类型翅片夹角、高度及厚度对传热性能的影响，表明翅片夹角越小，翅片高度、厚度、数目增加时传热面积越大、传热量越多，从而改善了传热性能。Haldar团队[9]将外部翅片管自由对流换热进行模拟，发现翅片厚度在翅片管的几何因素中对传热影响最大。焦凤等[10]通过改变圆形翅片管管束排列及管间距发现传热性能与速度场、温度场间协同角度大小、回流区面积及尾流涡尺度大小有关。陈叔平团队[11-12]采用数值模拟分析了气化器结构尺寸对空气侧自然对流换热的影响。

近几年，有关改变传热管结构及管内加装扰流结构以提高其传热性能的研究较多。Liu等[13]提出了螺旋缠绕管式的换热管道并研究了强制换热和蒸发换热。韩冬艳[14]将变径管束与双级烟管结合的强化传热措施应用于φ13 mm和φ15 mm换热管后，可分别减少10.3%和7.9%的传热面积。潘杰等[15]建立了传热管数学模型，分析了不同工况、结构对换热性能影响，结果表明内翅片和螺旋纽带结构传热管所需最小管长比无强化措施缩短42%。Deng等[16-17]对比分析了有无十字扰流杆2种换热管，发现十字形扰流杆显著提高了换热性能，并提出扰流杆的优化方案。武永和等[18]在管内插扰流元件，诱导管内产生二次流强化传热。焦凤等[19]在新型换热器中插入旋流片和折板，经分析表明，插入折板后壳程通道内综合传热性能最好，其次是插入旋流片，无插入物时最差。

有学者研究表明，开架式气化器传热管内加装套管可强化传热且抑制表面结冰[20]。鉴于此，笔者在已有研究基础上，提出在空温式气化器普通传热管内加装套管，通过套管管径变化[21]调节介质流量

配比，采用实验和数值模拟研究套管结构对流体出口温度、翅片表面温度等参数的影响，以探究该强化传热方法的可行性。

1 套管结构空温式气化器传热模型

套管结构空温式气化器如图1所示。选用液氮(LN2)作为低温介质，其下部为含套管的预热段和气化段，上部为单管结构的加热段。

图1 套管结构空温式气化器示意图Fig.1 Schematic diagram of ambient air vaporizer with double-wall heat transfer tube structure

对传热过程不同阶段分别建立计算模型：

(1)气化段(预热段)

LN2经过翅片管底部分别进入套管内部、套管与翅片管之间的环状空间。翅片管外热量经翅片管表面传至环状空间的低温液体，并迅速加热气化。套管内LN2预热至泡点温度后，被环状空间内N2继续加热，开始气化为N2，传热过程如图2所示。

LN2—Liquid nitrogen; N2—Nitrogen; x, y—The inlet and outlet sections of the unit; z—Length of the unit, m;Qf-o—Heat on the outside of the finned tube, kJ; Qf-i—Heat on the inside of the finned tube, kJ;Qt-o—Heat on the outside of the inner tube, kJ; Qt-i—Heat on the outside of the inner tube, kJ图2 套管结构空温式气化器传热过程示意图Fig.2 Schematic diagram of heat transfer of ambient air vaporizer with double-wall heat transfer tube structure

对翅片管空气侧能量衡算得到：

(1)

式(1)中:m为质量流量，kg/s；h为进出口流体的比焓值，J/kg；D为传热管直径，m；z为单元长度，m；α为对流换热系数，W/(m2·K)；T为温度，K；上标x、y分别表示单元进、出口截面；下标：a表示干空气，f表示翅片管壁，o表示外侧。

对环状空间内N2能量衡算得到：

(2)

式(2)中:下标t表示套管管壁;i表示管内侧。

对套管内LN2能量衡算得到：

(3)

综上得到：

(4)

(2)加热段

套管内气化结束后，环状空间和套管内N2混合后进入加热段。加热段的作用是将气化的N2加热至出口设计温度。

同理加热段各单元的传热模型为：

(5)

2 套管结构空温式气化器数值模拟

2.1 物理模型

根据图3、表1参数建立内径为φ6、φ8、φ10 mm的套管结构空温式翅片管气化器模型。

图3 翅片管几何结构示意图Fig.3 Geometry schematic diagram of the finned tube Same legends as Table 1

表1 单根翅片管几何参数Table 1 Geometrical parameters of single finned tube

2.2 边界条件及求解

qm=qv×ρ=Α×ν×ρ

(6)

式(6)中:qm为质量流量，kg/s；qv为体积流量，L/s。

由式(6)得到入口速度为0.0175 m/s，设置边界条件如图4所示。采用压力基求解器，压力和速度耦合采用SIMPLE方法，设置质量、动量、能量方程，选择Mixture模型，k-ε湍流，近壁处为标准壁面函数，沸腾相变模型选择Lee源项。编译UDF将能量、质量作为源项导入Mixture能量方程、气液相质量方程中，近似模拟冷流体在管内的相变过程。

图4 边界条件设置Fig.4 Boundary condition setup

3 套管结构空温式气化器传热实验

实验装置由供液系统、气化系统、数据采集系统3部分组成。供液系统为翅片管气化器提供恒定流量的液氮；气化系统将液氮完全气化并将其排放至室外；

数据采集系统采集翅片管进、出口处的介质温度、翅片壁面温度、气体流量及翅片管周围热流体温度、湿度等参数。设计流量为2.5 g/s时无套管，套管管径为φ6、φ8、φ10 mm的实验工况，研究套管对空温式气化器传热的影响，实验流程如图5所示。

1—Personal computer； 2—Cryogenic storage tank； 3—PH-Ⅱ handheld weather station； 4—Single finned tube； 5—Finned tube bundle； 6—Gas flow meter； 7—Temperature acquisition module； 8—Paperless recorder； T1-T5—Temperature of five points on the surface of the finned tube；Tin, Tout—Finned tube inlet and outlet temperature；p—Cryogenic storage tank pressure图5 套管结构空温式气化器传热实验流程图Fig.5 Flow chart of heat transfer experiment for ambient air vaporizer with double-wall heat transfer tube structure

实验步骤如下：

(1)实验开始前，连接管路和仪器，用乙醇溶液擦拭翅片表面，调试数据采集系统并检查管路气密性；

(2)打开低温储罐排液阀，根据气体流量计读数调节排液阀开度以达到实验工况参数；

(3)开启温度、流量、压力等数据采集仪器，实时记录数据；

(4)实验结束后关闭所有阀门，将翅片管表面及管路烘干，待气化器表面完全干燥恢复至室温后更换套管方可进行下组实验。

4 套管结构空温式气化器结果分析

4.1 速度场

图6为沿管长500 mm处截面速度云图。由于固体壁面的存在，流体沿管壁流动时，近壁面有一层极薄且流速极小的流体，中心区域流体具有较大流速，越接近中心流速越大。含有套管的传热管内部分流体在环状空间流动，在翅片管内壁有较大流速，且随套管管径增大，环状空间缩小，翅片管内壁流速也增大。

图7为传热管内平均流速沿管长变化情况。由图7可知:在0～550 mm段平均流速沿管长方向逐渐增大，且使用φ10 mm套管管内流速较大；550～650 mm段含套管的平均流速沿着管长方向大幅降低，这是由于管内流体进入加热段后，套管内较低流速和环状空间的流体融为一体并持续沿管长流动后所导致；650～1000 mm段平均流速沿着管长方向保持逐渐增大的趋势，且使用φ6 mm套管管内流速最小。

图7 翅片管管内流速(v)沿管长(L)的变化Fig.7 Variation of velocity (v) inside finned tube with tube length (L)

4.2 温度场

图8为空温式气化器截面温度云图。冷流体由翅片管底端流入，与翅片管外热流体热量传递后沿流动方向温度逐渐升高，达到饱和温度后开始气化，直至从翅片管顶端流出。图8中左侧为气化器轴向温度云图，翅片管内冷流体自下而上温度逐渐升高，翅片表面受冷热流体传热影响自下而上温度逐渐升高，离翅片管较远的热流体温度几乎未受到影响。右侧为沿翅片管长方向进口端(0)、250、500、750 mm处截面(图8中截面用Z表示)温度云图，热流体温度由翅片管最外侧向近壁面处逐渐降低，Z=0时翅片管外温度等值线呈抛物线状，且越贴近翅片管表面，温度等值线越紧密，翅片管表面与管外热流体温差较大；Z=250 mm和Z=500 mm处温度等值线间距较大，分布更稀疏；Z=750 mm处热流体温度等值线紧密贴近于翅片壁面，翅片管表面与管外热流体温差较小。

图8 空温式气化器温度云图Fig.8 Temperature contour of ambient air vaporizer

图9为模拟与实验均到稳态时翅片管表面温度沿管长的变化。由图9可知，沿管长方向翅片管表面温度不断升高，变化趋势从陡峭逐渐平缓，数值模拟与实验结果趋势基本吻合。对比无套管结构，各测点处套管结构传热管表面温度较高，且使用φ6 mm套管表面温度最高。

图9 翅片表面温度(T)沿管长(L)的变化Fig.9 Variation of fin surface temperature (T) with tube length (L)

根据数值模拟和实验可得翅片管气化器管内出口温度两者之间的误差百分比(E)为：

(7)

式(7)中：Tout,sim为出口温度数值模拟值，K；Tout,exp为出口温度实验值，K。

表2为出口温度的模拟值与实测值的相对误差百分比。由表2可知，管内出口温度的模拟结果与实验结果误差百分比E在4.75%～6.46%之间。同时根据文献[22]中实验达到稳态时，对翅片表面各点处温度的实测值与本模拟结果进行误差分析，如图10所示，模拟值与实测值平均误差在±7%内，误差较小，验证了所采用的假设、模型对于含套管结构的空温式气化器换热过程是合适的。

图10 出口温度的模拟值(Tout,sim)与实测值(Tout,exp)对比Fig.10 Comparison between simulated values (Tout,sim) and measured values (Tout,exp) of outlet temperature

表2 出口温度的模拟值与实测值的相对误差百分比(E)Table 2 Relative error percentage (E) between simulated and measured results of outlet temperature

4.3 管内气含率

图11为传热管内气含率轴向截面云图。传热管近壁面处气含率显著高于中心区域，近壁面LN2加热气化成N2，由于N2的导热率比LN2低，会影响气化管传热，但气-液混合后增强了壁面的扰动强化传热从而提高了气化效率。无套管结构直接通过翅片管壁加热气化，在含套管结构传热管中可清晰区分预热段、加热段、气化段，在加热段环状空间和套管内的N2混合后被翅片管外热流体持续加热，气含率显著高于无套管结构，且在3种规格套管中，使用φ6 mm套管管内气含率较高，φ8 mm套管次之，φ10 mm最低。

图11 管内气含率(φN2)轴向截面云图Fig.11 Axial section contour of gas holdup (φN2) inside tube

图12为管内气含率(N2的体积分数，φN2)随管长的变化。沿管长方向N2含量不断升高，且增幅逐渐减小趋于平缓。管长0～650 mm段无套管结构内气含率高于套管结构，管长650～1000 mm段套管结构气化段环状空间和套管内N2混合，气含率均高于无套管结构，对应无套管结构、φ6 mm、φ8 mm、φ10 mm出口截面气含率分别为0.846、0.886、0.880、0.873，3种规格套管中φ6 mm气含率最高，比无套管结构提高4%，由此套管结构对传热管的气化效率有一定的提升。

图12 管内气含率(φN2)随管长(L)的变化Fig.12 Variation of gas holdup (φN2) inside tube with tube length (L)

4.4 管内换热性能

管内换热性能与换热系数相关，换热系数越大换热性能越好。单位时间、单位面积流体与固体表面温差达到1 K时所需热量定义为换热系数(α，W/(m2·K))，计算公式如式(8)所示。

(8)

式(8)中：Q为总换热量，W；ΔT为流体与固体壁面之间的温差，K；A为换热面积，m2。

图13为翅片管壁面换热系数沿管长的变化。由图13可知，沿管长方向换热系数先升高后骤降至平缓，这是由于冷流体刚进入翅片管时，管内冷流体与管外热流体温差最大，随着冷流体流动受到翅片管壁持续加热，管内冷流体与管外热流体温差逐渐减小，换热系数开始减小。管长0～500 mm段无套管结构的换热系数比有套管结构的大，无套管结构换热系数在管长200 mm处出现峰值，而套管结构换热系数峰值在冷流体进口端附近，这是由于套管结构扰动流体流动，强化换热，套管结构的换热系数急剧升高，在管长0～500 mm段无套管结构换热性能优于套管结构换热管；管长大于500 mm时套管结构的换热系数出现小幅增长，均高于无套管结构，这是由于环状空间和套管内流体混合后流入传热管加热段温度升高，且在整个换热过程中，3种规格套管管径越小，换热系数越大。

图13 翅片管壁面换热系数(α)沿管长(L)的变化Fig.13 Variation of wall surface heat transfer coefficient (α) of finned tube with tube length (L)

5 结 论

建立了含套管结构的空温式气化器整体传热计算模型，利用离散化方程组分别描述传热管预热段、气化段和加热段传热过程，并采用CFD数值模拟气化器换热性能，通过实验结果进行误差分析验证数值模拟所采用假设的准确性，得出以下结论：

(1)空温式气化器沿翅片管管长方向换热系数整体呈先增加后减小趋势。相对于无套管结构，加装套管扰动了传热管管内流体流动，提高了翅片管表面温度，传热管加热段换热系数高于无套管结构，且在冷流体进口端出现峰值。

(2)空温式气化器的速度场、温度场、气含率及换热分析表明，加装套管对翅片管传热性能有显著影响。φ6 mm、φ8 mm、φ10 mm 3种规格套管中，随着套管管径越小，环状空间越大，管内气含率越高，翅片管表面温度越高，传热性能提升越明显。