（化工过程机械专业论文）lng沉浸式汽化器流动传热过程数值模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 液化天然气作为一种清洁能源，近年来，受到了社会各界的普遍关注，有关l n g 专用贮存设备和汽化设备的研究也已成为学术界的热点。l n g 沉浸式汽化器是一种高 效换热器，主要用于调峰系统中。虽然针对折流板管壳式等换热器的的研究已较为深入， 而对于l n g 沉浸式汽化器这种专门用于低温液体汽化的换热器结构及流场模拟方面的 研究鲜见报道。研究l n g 汽化器的流动和传热规律，探讨更为合理的结构和操作参数， 具有工程实际价值。 本文使用f l i 烈t 流体计算软件对l n g 沉浸式汽化器的流动和传热过程进了三维 数值模拟。提出了采用倾斜换热管的结构，计算了不同射流气体r e 下壳程湍动水浴的 平均速度、湍动能量以及汽化器的传热系数。主要的工作与结论如下： 建立了l n g 汽化器内流动与传热过程的物理和数值模型，用标准七一占湍流模型描 述流体的湍流流动，用混合物模型处理多相流动，用离散相模型描述射流气体与水浴的 相间耦合计算，用u d f 函数添加源项的方法描述液体汽化的过程。 通过数值模拟方法，得到了l n g 沉浸式汽化器中流体的流动和传热过程的速度场、 温度场、压力场的分布，获得了沿管长方向截面平均含气率的分布，描述了管程流体气、 液相分布和流动情况，给出了管程阻力损失曲线。 数值模拟结果表明，水平换热管用于l n g 汽化器会产生气体沉积现象，为此提出 了采用倾斜换热管结构。通过对水平管、倾角声= l 。、1 5 。、2 。、3 。的倾斜管内流动 过程进行数值模拟，获得了管内截面含气率曲线；倾斜角度越大，越有利于消除气体沉 积，但倾斜角的增大又影响了汽化器结构的稳定性。综合考虑以上两种因素，本文提出 了最佳倾斜角度为口= 2 。 通过对燃气加热和水浴传热过程进行数值计算，考察了喷射气体在不同雷诺数下对 水浴湍流以及对总传热系数的影响。当r e 在1 1 0 4 5 1 0 4 间变化时，水浴的平均流 速、平均湍动能和汽化器总传热系数显著提高；继续增大雷诺数，水浴的平均流速和平 均湍动能仍可以逐渐增大，但总传热系数受到管内传热膜系数的影响，变化已经不太明 显。得到最佳喷射气体雷诺数为r e = 5 1 0 4 。 关键词：汽化器；数值模拟；倾斜换热管；湍动能 l n g 沉浸式汽化器流动传热过程模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nl n g s u b m e r g e d - - c o m b u s t i o nv a p o r i z e r a b s t r a c t a sac l e a ne n e r g y , l i q u e f i e dn a t u r a lg a sh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf r o mp u b l i cs o c i e t y i nr e c e n ty e a r s r e s e a r c ho ne q u i p m c n to fu q gs t o r a g ea n dv a p o r i z a t i o nh a sa l s ob e c o m e h o t s p o ti nr e s e a r c hf i e l d l n gs u b m e r g e d - c o m b u s t i o nv a p o r i z e ri sak i n do fh e a te x c h a n g e r w i t hh i 曲t h e r m a le f f i c i e n c y i tm a i n l yu s e df o rp e a l 【l o a ds y s t e m a l t h o u g ht h es h e l la n dt u b e h e a te x c h a n g e rw i t hb a f f l e sh a sb e e nf u r t h e rd i s c u a s e d t h es t u r c t u r ca n ds i m u l a t i o no fl n g s u b m e r g e d - c o m b u s t i o nv a p o r i z e rw h i c hs p e c i a l i z e sf o rt h ev a p o r i z a t i o no f 1 0 wt e m p e r a t u r e f l u i di sr a r e l yr e p o r t e d s t u d yt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc o n d i t i o na n dd i s c u s sm o r e r e a s o n a b l es t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r s t h e s ea r eo fg r e a tp r a c t i c a lv a l u e an u m e r i c a ls i m u l a t i o no f f l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s si nl n g s u b m e r g e d - c o m b u s t i o n v a p o r i z e ri sd o n eb yc f ds o f t w a r ef l u e n t as t r u c t u r ew i t hi n c l i n e dh e a te x c h a n g e rt u b ei s s u g g e s t e d a v e r a g ev e l o c i t ya n dt u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g yo f t u r b u l e n tw a t e ri ns h e l la n dh e a t t r a n s f e rc o e 箍c i e n to f v a p o r i z e ra r ea l s og o t n 蟛m a i nf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： ap h y s i c a ln u m e r i c a lm o d e lo fl n gs u b m e r g e d - c o m b u s t i o nv a p o r i z e ri sb u i l t , w i t h s t a n d a r dk - em o d e ld e s c r i b i n gt h et u r b u l e n tf l o w , m i x t u r em o d e ld e a l i n gw i t hm u l t i p h a s e f l o w ，d i s c r e t ep h a b em o d e ld e s c r i b i n gt h ec o u p l ec a l c u l a t i o nb e t w e e nt h eg a sp h a s ea n dt h e w a t e rp h a s e u d ff u n c t i o nt oa d ds o u r c et e r me x p r e s s i n gt h ep r o c e s so f v a p o r i z a t i o n b yt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n , t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n a n dp r e s s u r ed i s t i l b u t i o no fl n g s u b m e r g e d - c o m b u s t i o nv a p o r i z e ra r eg o tt od e s c r i b et h e f l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s si nt h ev a p o r i z e r ；v o i df r a c t i o n d i s t r i b u t i o na l o n et h et u b el e n g t h i sg o tt od e s c r i b ef l o wc o n d i t i o n , g a bp h a s ed i s t r i b u t i o na n dl i q u i dp h a s ed i s t r i b u t i o n ；c u r v eo f t h er e s i s t a n c el o s si s 西v e 玑 n l en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ew i l lb ev a p o rd e p o s i t i o ni nh o r i z o n t a l h e a te x c h a n g e rt u b ew h e nt h eh o r i z o n t a lt u b ei su s e di nl n g v a p o r i z e r f o rt h i sr e a s o n , t h e p a p e rr e f e r st ou s ei n c l i n e dt u b ef r a c t i o n t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o wa n dh e a t t r a n s f e rp r o c e s sw i t hh o r i z o n t a lt u b e ，i n c l i n e dt u b eo fv a r i o u st i l ta n g l e so f1 ，1 5 ，2 ，3 r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c eo f t i l ta n g l eh a sb e e ng o t 他er e s u l t ss h o w t h a tt h el a r g e rt i l ta n g l e i s ，t h em o r eh e l p f u lt oe l i m i n a t ev a p o rd e p o s i t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，i n c r e a s i n gf l i ta n g l ew i l l a f f e c tt h es t r u c t u r a ls t a b i l i t yo fv a p o r i z e r c o n s i d e r i n gt h et w of a c t sm e n t i o n e da b o v e ，t h e b e s tt i l ta n g l ei s2 一i i 大连耀工大学硬士学位论文 髓ei n f l u e n c eo fg a si 垮e c 嬲t ot u r b u l e n tw a t e ra n dt o t a lh e a tt r a n s f e rf a c t o ri nv a r i o u s r e y n o l dn u m b e ri si n v e s t i g a t e d 。w h e nr e ) m o l dn u m b e ri si nt h er a n g eo f1 0 4 , 一5 l 扩。 a v e r a g ev e l o c i t ya n da v e r a g et u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g yo f w a t e ra n dt o t a lh e a tt r a n s f e rf a c t o r o fv a p o r i z e ri n c r e a s eg r e a t l y ；k e e p i n gi n c r e a s i n gr e y n o l dn u m b e r , a v e r a g ev e l o c i t ya n d a v e r a g et u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g yo fw a t e rc a l ls t i l li n c r e a s e ，w h i l et o t a lh e a tt r a n s f e rf a c t o r h a s h tr e m a r k a b l ec h a n g ea n ym o r eb e c a u s eo f t h ei n f l u e n c eo f h e a tt r a n s f e rf i l mc o c f f i c l e n t i n s i d et h et u b e t h bb e s tr e y n o l dn u m b e r o f g a si n j e c t e di s5 l o k e y w a r d s ：v a p o r i z e r , n u m e r i c a ls i m u l a 矗o n ；l a c l i n e dt u b e ；t u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：坚兰：堡日期：塑翌：丝 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者虢坚墨堡作者签名：丝! ：至 大连理工大学硕士学位论文 引言 液化天然气作为一种清洁能源，越来越多的被人们开发和利用。2 0 0 0 年以来，我国 的l n g 工业迅速发展，在珠江三角洲、东南沿海等地区引进l n g ，兴建l n g 接收终 端。在高等院校，也展开了对液化天然气的应用基础研究。上海交通大学在液化天然气 工艺流程研究、新型天然气液化流程的热力学研究、液化天然气贮存非稳性研究、液化 天然气的蒸发机理及失稳性研究、液化天然气汽车的研究和开发等方面进行了研究工 作。目前国内自行生产的l n g 专用汽化器大都是空温式汽化器和电加热水浴式汽化器， 对于沉浸式汽化器这种高效率的调峰汽化设备的研究很少。 在换热器的实验研究和数值模拟研究方面，国内外学者对传统的折流板管壳式换热 器作了很多研究工作。提出了体积多孔度、表面渗透度、分布阻力和分布热源等概念， 不断对计算模型进行改进，已经能够较为准确的计算它的流动和传热过程，较完备的分 析其影响参数和性能参数，并提出了一些新型换热器结构。近年来，一些学者对纵流式 换热器这种新型结构的性能进行了较深入的研究。l n g 沉浸式汽化器这种低温液体专 用汽化器结构的研究还未见报道。 l n g 沉浸式汽化器的主要特点是利用燃烧产生的高温气体来加热水浴，再通过换 热管交换热量使管内的液化天然气汽化。它的结构类似于管壳式换热器，又较之有些不 同的地方：传统管壳式汽化器采用水平换热管壳程设有折流板，沉浸式汽化器采用蛇形 盘管由壳程湍动的水浴进行加热，l n g 从管子下端流入，被加热汽化后的气体由上端 流出，流体在管内发生相变。 本文采用f l u e n t 软件对l n g 沉浸式汽化器的流动换热过程进行了数值模拟。文 中第一章为文献综述，简单阐述与本文模拟计算相关的基本概念，国内外的研究发展状 况，以及本文的主要研究内容。第二章叙述本文模拟计算所建立的的数学模型，选用 f l u e n t 程序中已有的模型和自定义的模型，所涉及的各个模型的理论算法。第三章进 行l n g 沉浸式汽化器流动传热的基础数值模拟，来描述汽化器中流体的流动状态和温 度分布，在模拟过程中考察一些重要参数的变化主要针对壳程水浴的湍流状态，分析 其规律性，得出结论。第四章对沉浸式汽化器实际例子进行计算并提出设计参数改进方 法。 l i n g 沉浸式汽化器流动传热过程模拟 1 文献综述 1 1l n g 接收终端 接收海运l n g 的终端设施称为l n g 接收终端。它接收用船从基本负荷型天然气液化 工厂运来的液化天然气，将其储存和再汽化然后分配给用户。 1 至l j 2 0 0 0 年，全球在运行 的有11 个国家和地区的共4 0 个接收终端。其中日本有2 5 个。表1 1 列出了各国和地区的接 收终端的数量及其l n g 的储存能力和汽化能力。1 2 4 表1 1l n g 接收终端 t a b l ll n gt e r m i n a l s 2 0 0 5 年，我国在深圳市大鹏湾秤头角地区投产建造国内第一个l n g 接收终端，工程 总体项目包括l n g 接收站、输气干线项目、配套新建电厂建设、城市网管建设。【5 j 一期 每年进e l l n g3 0 0 1 0 4t ，二期达到每年5 0 0 x1 0 4t 规模。确定澳大利亚为接收终端的 l n g 供应方。每年提供3 0 0 x 1 0 4 t l n g ，期限为2 5 年。福建湄洲湾的l n g 接收站项目正 大连理工大学硕士学位论文 在全面开展设计工作，该项目总接收能力为4 6 0 x 1 0 4 t ，分两期进行，一期规模为2 0 0 i 0 4 t a ；江苏如东、浙江宁波等地的l n g 接收站也在抓紧进行前期准备工作。 l n g 接受终端工艺流程见图1 1 【吲，由l n g 卸船、储存、再气化夕 输、蒸发气处 理、防真空补气和火炬放空6 部分工艺系统( 有的终端还有冷量利用系统) 组成。 图1 1l n g 接收终端工艺流程图 f i g i 1 f l o wc h a r to f l n gt e r m i n a l s ( 1 ) l n o 卸船系统 由卸料臂、卸船管线、蒸发气回流臂、l n g 取样器、蒸发气回流管线及l n g 循环 保冷管线组成。 l n g 运输船靠泊码头后，码头上卸料臂将船上l n g 输出管线与岸上卸船管线连接 起来，由船上储罐内的输送泵( 潜液泵) 将l n g 输送到终端的储罐内。随着l n g 不断输 出，船上储罐内气相压力逐渐下降，为维持其值一定，将岸上储罐内一部分蒸发气加压 后经回流管线及回流臂送至船上储罐内。 ( 2 ) l n g 储存系统 由低温储罐、附属管线及控制仪表组成。l n g 低温储罐采用绝热保冷设计。由于 有外界热量或其它能量导入，例如储罐绝热层、附属管件等的漏热、储罐内压力变化及 输送泵的散热等，故会引起储罐内少量l n g 的蒸发。正常运行时，罐内l n g 的日蒸发 率约为0 0 6 一0 0 8 。卸船时，由于船上储罐内输送泵运行时散热、船上储罐与终端 l n g 沉浸式汽化嚣流动传热过程模拟 储罐的匿差、爨料譬潺热及l n g 滚体毫蒸发气的嚣换等，蒸发气爨可数倍增艇。隽了 激丈程度减少都船霹豹蒸发气量，应尽爨提高诧时镄罐内懿压力。 一般说来，接受终端至少应有2 个镣容积的储罐。 ( 3 ) 【n o 再气化夕 输系统 毽稻l n g 德罐蠹输送聚( 渗滚泵) 、镛罐多 瓣蹇蕊多 赣泵，辩粲式零瀑蒸发器、浸 没燃烧式蒸发器及计量设施等。 储罐内l n g 经罐内输邀泵加压后进入再冷凝器，使来自储罐顶部的蒸发气液化。 扶霉冷凝器中流出匏l n g 霹根据不羁耀户要求，分剃蕊压至不鄹匿力。镪如，本方案 一部分l n g 缀低压乡 输象热压至4 0m p a 惹，进入低匿永洛蒸发器中蒸发。窳淋蒸发 器在基本负稀下运行时，漫没燃烧式蒸发器作为备用设备，在水淋蒸发器维修时逯行或 禚需要增加气蹙调峰时并联运行；另一部分l n g 经商服外输泵加鹾麓7m p a 后，进入高 纛承漆蒸发嚣蒸发，浚供遴疆褒鼷产侵麓。毫压蠢( 港蒸发器毽琵鸯漫没煞烧式蒸发器备 用。 再气化后的高、低压天然气( 外输气) 经计量设施分别计量后输谯用户。为保证罐内 输送泵、罐外低压和高压外输泵正常运撑，泵出口均设寿露流管线。姿l n g 竣送量变 豫辩，冒裁雳潮流警线调节流量。在搏业输出辩，霹稍雳西流管线豁循繇，敬绦证泵处 予低温状态。 ( 4 ) 蒸发气处理系统 惫搀蒸发气冷餐器、分滚罐、垂缝檄及霉冷凝爨等。魏系统艨保证l n g 赣罐在一 定压力范围内磁常工作。储罐的压力取决予罐内气稠( 蒸发气) 的压力。当储罐处予不同 麓作状态，例如储罐有l n o 外输、正在接受l n g 或既不外输也不接受l n g 时，其蒸 发气量均有较太差掰，如不逑当处理，就是法控制气鞠压力。因此，德罐中应设爨压力 辩关，荠分弱竣定凡个等缀耱超疆毽及欠援值，当嚣力超过或低予各级设定僮辩，蒸发 气处理系统按照压力开关进行相应动作，以控制储罐气相压力。 ( 5 ) 储罐防真空补气祭统 舞茨, i - l n g 馕罐在运行孛产生真窆，在浚疆孛熬毒防囊空蛰气系统。毒 茂煞气源 遴常为蒸发器出口管汇引出豹天然气。有些储罐也采取安全润誊接连通大气的做法，当 储罐产生真空时，大气可直接由阀进入罐内补气。 ( 6 ) 火g 蹙，放空系统 一4 一 丈连理工大学硕士学位论文 当l n g 姥罐蠹气穗空阂超歪，蒸发气医绩掇誉缝控刳虽蓬力越过涟敖溺设定傻霹， 罐内多余蒸发气将通过澄敷溷进入火缀中烧摔。当笈生诸如翻滚现象等事效时，大量气 体不能及时烧掉，则必须采取放空措施排泄。 1 2l n g 汽化器隅1 0 l 滚筵天然气是- 主琵兹繇溢流体，嚣要汽纯簧才戆经蔫。黧魏在汽纯遗糕孛，霭要 “供给大量的热能使l n g 汽化，通常是利用海水的热鬃或燃烧燃气产生的热量，由于加热 方式不同，汽化器的结构形式也不一样汽化器是必然气供应流程中的重要设备。 。 ( 1 ) 按茭热源黥不掰分类 热热澄汽纯器。汽化装置的热徽来源与燃料燃烧、电力、锅炉或内燃机废燕。加 热汽化器有熬体加热汽化器和远程加热汽化器两种必型。整体加热汽化器采用热源整体 加热法使低溆液体汽化，黻典型的是浸没式燃烧汽化器。远程加热汽化器中的童要热源 专窦琢汽亿交换器分嚣，势采壤莱移溅俸箨势孛阕偿稳奔覆，耄巾麓奔囊与l n g 抉热， 使l n g 汽化。 环境汽化器。汽化的热量来自囱然环境的热源，如大气，海水，地热水。如果自 然热源与实际汽化嚣是分嚣戆劳使用了霹控制的铸热余震，煲瘦认为这秘汽纯器是远程 糯热汽话嚣，应符舍加热汽亿器的规怒。 工芑汽化器。汽化的热量来源予另外的热动力过程或化学过程，或有效利用液 化天然气的制冷过程。实际上，在各种l n g 冷能利用的综合流獠，如发电、化工、空 分等滚程孛，将嚣要接涂熬譬熬过程每l n g 懿吸热汽纯过程续会起寒，霹苏繁终震予 l n g 汽他的熊量，同时使备工艺过程的能量利用效率得到提高。 ( 2 ) 按其使用率分类 基本受褥型系统。对予基本受耱溅系统使餍的汽化器，使爝效率高( 邋常在8 0 戳主) ，汽壬 ：溪丈。蓄先考虑豹应该是设备静运行藏零，最抒是穰爝廉徐静低菇位熬添， 如从环境空气或水中获取热量，以降低运行费用。以空气或水做热源的汽化器，结构最 简单，几乎没有运转部件，运行和维护的费用很低，比较适合予纂本负荷型的系统。 调垮羹系绫。对予溪蜂型系统缓煺懿汽毒 二嚣，楚必7 蛰充建气骞峰孵供气不是熬 装置，其工作特点是使用攀低，工作时间是随机经的。应用予调蟓系统的汽化器，要求 扇动速度快，汽化速率高，维护简单，可靠性高，具有紧急启动的功能。由予使用率相 对较低，因败要求设备初投资尽可能低，藤对运行费用则不大苛求。 l n g 汽纯器静常冤；绪稳有舞鬃式汽纯器、沉漫凌汽纯器、串瓣媒傣型汽纯嚣农空温 式汽化器。下面对这几种汽化器的结构特点、工作原理进行简单的介绍。i l l - 1 4 ( 1 ) 开架式汽化器( o r v 型汽化器) 一5 l n g 沉浸式汽化器流动传热过程模拟 用途及特点 o r v 垄汽化器，用海水佟为l n g 汽讫的热源，海水喷淋在蒸发器外表面，l n g 在管内 吸收海水的热墩。设计简单，操作和维护都很方便。适仓予基本负荷型的l n g 终端站的 运行。最大天然气流量可达1 8 0 t h ，是当今世界上最常用的一种汽化器。 缝擒及工经潦瑾 开架式汽化器用铝合金支架固定安装。汽化器的慧本单元是传热管，有若千传热管 组成板状排列，两端与集气臀戚集液管焊接形成一个管板，再由若千个管板组成汽化器。 l n g 扶下部总答避入，在管窳扳内由下随童垂直流动，与海东换热汽化嚣成常滋气体送 澎，警束板一般由7 0 l o o 搬管组成；海承刚在管束教) t - 自上两下喷灌，麸上部进入后 缎分布器分配，成薄膜状均匀沿管束下降，使管内l n g 受热汽化。 为避免影响周围海区生态平衡，海水进、出口温麓不得超过7 ，实际常控制在不 越过4 5 。c 。o r v 逡豹l n g 管一般慕麓在糕遗下有楚磐辍攘挂爨、簿接瞧憝、抟蒸性 好鼠对海水有优良耐腐蚀谯的铝合金材料，且要涂锌簸理。 蠢农出口 图1 2 开架式汽化器 f i g 1 2 o r v v a p o r i z a t i o a 问题及解决 这种汽化器工作时，虽然水的流动是不停止的，饭有些部位可能结冰。使传热系数 窍黢降低。为了避免农在管外结溶稆提惑汽倪嚣斡铸热馕戆，使汽纯嚣约结梅曼热紧凑， 有关生产商避行了不断的改遴。通过改进健燕管静结构，加强单位篱长豹换热能力和避 免外表结冰。水膜在沿管板下落的过程中具有很高的传热系数，可达到5 8 0 咿“脚2 的。 大连理工大学硕士学位论文 在传热管内侧，l n g 蒸发时的传热系数相对较低，新型的汽化器对传热管进行了强 化设计。传热管分成汽化区和加热区，采用管内肋片来增加换热面积和改变流道的形状， 增加流体在流动过程的扰动，达到增强换热的目的。 管外如果产生结冰，也会影响传热性能。为了改善管外结冰的问题，采用具有双层 结构的传热管，l n g 从底部的分配器先进入内管，然后进入内外管之间的夹套。夹套内 的l n g 直接被海水加热并立即汽化，然而在内管内流动的l n g 是通过夹套中已经汽化的 l n g 蒸汽来加热，汽化是逐渐进行。夹套虽然厚度较薄，但能提高传热管外表面的温度， 所以能抑制传热管外表面结冰，保持所有的传热面积都是有效的，因此提高了海水与 l n g 之间的传热效率。 ( 2 ) 沉浸式汽化器( s m v 型汽化器) 用途及特点 s m v 型汽化器是利用燃气燃烧时产生的热量加热水，l n g 汽化器放置在水中被加 热。燃烧器浸没在水中，燃烧室产生的热气直接加热水槽中的水。这种形式的气化器具 有热量输送量大、占地面积适中等特点，汽化器容量通常在1 0 0 g j h 以上，开停车迅速方 便，但因消耗天然气而使运行成本较高，一般不作为基本负荷型汽化器，主要用于调峰 型装置和紧急使用的情况。这种汽化器的热效率可达9 5 以上，且安全可靠。 结构及工作原理 沉浸式汽化器包括换热管、水浴、沉浸式燃烧器、燃烧室和鼓风机等。燃烧器在水 浴水面上燃烧，热烟气通过下排气管由喷雾器排入水浴的水中，使水产生高度湍动。换 热管内的l n g 与管外高度湍动的水充分换热，从而使l n g 加热、汽化。由于燃气与水直 接接触，燃气激烈地搅动水，使传热效率非常高。运用气体提升的原理，可以在传热管 外部获得激烈的循环水流，管外的传热系数可以达到5 8 0 0 s 0 0 0 w ( m 2 嚣) 。 图1 3 沉浸式汽化器 f i g 1 3 s m v v a p o r i z a t i o n l n g 茨浸式汽纯器浚魂传热过程模攘 ( 3 ) 中闻媒体型汽化器( 确e x 黧汽化器) 月途及特点 采用中间传热流体的方法可以改游结冰带来的影响，通常采用丙烷、丁烷或氟利昂 等奔黢传孛阕黉热滚莽。t r i - e x 受_ 汽纯器占璩瑟积小，巍够褥到稳定豹汽纯爨，戴岁 ， 海水和l n g 都没有结冰的危险，其最大的优点是可以利用它来进行l n g 冷热发电节衡费 用。遮狰汽纯器已经广泛应蠲在基本受薷墼豹己n g 汽倦系统，最大天然气滚爨这1 5 秘l l 。 结构及工作原理 1 狰- e x 墼汽化器是一种管壳式汽化器，落是利粥海承作燕深，但海承不怒矗接麓煞 l n g ，两是炎加热一种中间流体，蒸发产生的气体再加热l n g 。l n g 受热蒸发。中间流体 的蒸汽被l n g 冷凝，重新变成液态，实际上是个蒸发冷凝器。l n g 汽化丽再迸入另一热交 换器与海水疆接进行热交换。 鳖1 4 中闻媒体墅汽亿器 f i g 1 4 t r i - e xv a p o r i z a t i o n ( 4 ) 空温式汽化器 用途及特点 窆 基式汽化器是剩网液化露浊气( 糟g ) 、滚化天然气( 烈g ) 等燃气减压汽化的特性 实现气体汽化的新型高效环保节能气化装置。空温式汽化器是依自身鼹热和吸收外界大 气嚣境熬鬟覆窦臻汽纯姥糍夔，其维褥篱蕈，运行费用低。由予空气黧热熬憝藿毙竣，l 、， 因此仅适用于汽化量较小的系统。 绪鞠及工律原毽 空温式汽化器根据用途分为增压式和供气式磁类。供气式空温式汽化器给出具有一 定过燕度的带压气体满照用户的需要，所以其包含蒸发部与加热部两段；如瀚1 5 所示， 大连理工大学硕士学位论文 增压式空温式汽化器只是为了提供输液的压力，并且不能给槽车储罐带来额外冷损，所 以其只具有蒸发部，以饱和温度气体进入槽车储罐。空温式汽化器导热管是将散热片和 管材挤压成型的，导热管的横截面为星形翅片。 其核心部分即是换热装置，在尽可能小的空间内从大气中获取最大的热能。目前国 内厂家生产的空温式气化器的换热装置多采用防锈铝合金翅片管。 ；j a 图1 5 星形翅片空温式汽化器 f i g 1 5a t m o s p h e r eh e a tv a p o r i z a t i o n 1 3 汽化器换热计算 ( 1 ) 汽化器传热面积的确定( 1 5 - 1 6 l 汽化器的传热面积按下式计算： 。 4 = 上竺- ( 1 1 ) k a t 式中，彳为汽化器的换热面积( ) ；w 为汽化器的汽化能力( k g s ) ；q 为汽化单 位质量液化天然气所需的热量( k j k g ) ，q = h 2 - h l ；h i 为进入汽化器时液化天然气的比焓 ( m ，培) ；h 2 为离开汽化器时气态天然气的比焓( 材豫) ；k 为汽化器的传热系数 【k w ( m 2 足) 】；a t 为加热介质与液化天然气的平均温差( k ) 。 ( 2 ) 汽化器传热系数的计算【1 7 。2 0 】 l n g 在管内被加热的过程有三个阶段：过冷液体阶段、相变阶段、过热气体阶段。 整个过程可视为定压加热。过冷液体阶段，过冷的l n g 液体被加热至饱和液体，只 温度发生改变，没有相变过程。此过程中l n g 的物性参数取定性温度下的值，管内流 体的表面传热系数按无相变圆形直管强制对流传热计算。相变阶段，l n g 由饱和液 体逐渐蒸发成饱和气体，温度恒定不变，只发生相的转变。管内流体的表面传热系数按 l n g 沉浸式汽化器流动传热过程模拟 液体在管内沸腾传热计算，具体方法将在计算中说明。过热气体阶段，已经被蒸发成 饱和气体的天然气被继续加热至所需温度( 一般在0 c 以上) ，过程中温度发生变化， 物性参数取定性温度下的值。管内流体的表面传热系数按无相变圆形直管强制对流传热 计算。 对于不同形式的汽化器，加热介质及介质的流动方式有所区别，按各自相应的对流 传热方式计算各种汽化器的总表面传热系数。 ( 3 ) 四种汽化器中所涉及的传热方式计算 无相变圆直管内湍流流动表面传热系数 当流体满足也 1 0 4 , 0 6 只 5 0 ，流体粘度 r 2 x 1 0 - 3 p a s 时，呈湍流流动，其表面传热系数为 舵s 詈降 ( 等 ” 2 ， 流体被加热时：n = o 4 ，流体被冷却时：r e = o 3 。 两相流管内表面传热系数 液化天然气饱和液体在管内沸腾，形成气相和液相混合流动，即两相流动。管内沸 腾时两相在不同的区段会产生不同的流动样式，从传热的特点进行分类，分为四重典型 样式：气泡流；块状流；环状流；喷雾流。 用两个参数来判别两相流的流动样式。一个参数是管内气液两相的质量流率： g 。：毕 ( 1 3 ) a p 另一个参数是由气液相的物性所组成的一个无因次数j 。，m a r t i n e l l i 数： 瓦= ”榭5 俐1 ma ， 根据参数瓯租以，流动样式可由流动样式判别图判别。 大连理工文学硬士学位论文 翔1 ，6 气一滚舞耀濠流动撵姣到剽整 f i g 1 6 f l o wm o d ee s t i m a t i o no r g y - l i q u i df l o w 两相流动沸腾放热的机理是泡态沸腾和两相受迫流动放热的缀合，将两相流动的放 热弼下蓑表忝； a = 4 穗h + 0 口l ( 1 5 ) 式中：a 管内两棚流动传热系数 ( m 2 鬣) 】； 瓴逡态溺瓣臻熬系数矿枷2 - 趸楚，霹枣丈空麓牵豹瀣态游辫公式诗 簿； a 泡态沸腾修正系数； 对气滤浚a = l ；对块状流o 球 1 0 9 时，c 取 o 1 3 ，栉取1 3 ，特征尺寸为管长，。 通过汽化器换热计算，确定出满足所需汽化能力的汽化器基本结构尺寸。包括换热 管径( 对于肋片管还应确定肋片的尺寸) 、管长、管根数、管间距、加热介质流量、流 速等。 1 4 换热器数值模拟的发展现状 大连理= 】二大学硕士学位论文 随着诗冀濂体力学耧数蘧接煞学戆蓬戆发震，数缓模攒方法蠢残鸯按热瓣研究懿重 蒹手段。采掰数擅模越方法不仅壹蕊、灵活、费掰低、瘸耱短，耨盈还薤够熬疆较复杂 的情况，并嶷有重复性。采用数值模撒方法可以对不同换热器的流场、温度场及压力场 嚣进行研究，能够详尽的预测各种因素对流动传热过程的影响，露利于换热练会性能的 提衰齑耨黧鼷热续麴鲍搿笈。 1 4 国内外有关管壳武换热器蠡勺研究概况 一 ( 1 ) 豳外有关管壳斌撩热器壳程数值模拟情况 1 9 7 4 冬，荚匡的svp a t a n k a r 弱dbs p a l d i n g 经过缓设簿饿，辩一令长方黠藏匿戆 写影舞瀛教管宠式揍熬嚣遴行了流场诗箨，在三缭瞽卡象坐标系下，建立了换熬器壳覆 流体流动和传热的数值模激。【2 1 1 连续方糕： 掣十掣。0 搴小3 ) ( 1 1 3 ) c *渤 动量方程。 掣+ 掣= 毒p 刳一詈坼，0 = 1 3 ，功 能量方程： 1 p l 。， 百o t s + q “等+ v 孑十w 等) 鸭留”掣) ( 1 1 5 ) 式孛：岔体积多攀l 度o p 流体密蕊，堙l m 3o u 。坐标系中3 个垂直方向的速度分键0 ；3 1 m s 。 麓体积力分爨# g 流露定嚣毙熬，潞- 。c 知 g 。流体定服比热，盘，鲰。c ) ； 群绘热系数，矽， 辫2 o c ； r 换熬警黪鐾漫，； r 壳程侧温度，o c 。 一1 3 l n g 沉没式汽纯器流瀚悖熬过程模揪 氇嚣搭喾轰交换热器终一定靛篱焦稷设。黪骥磷窕豹窆怒疆羚鞣臻嚣采霆毒袈差分 稳主述方程缝帮稷蓑边器条髂等离熬纯为数学骞疆，经求躲褥戮流翡豢瀑麓浜。瑟鸯挟 热器壳橼中心纵截丽的流场，图l + 1 0 为位于壳橼避口、中心殿出口位置横截面上的速臆 分布。琏j 漤可见，鼠然该方法不能缝确地分辨出嚣个局部绷带，程壳程流体流动韵总趋 势暑卡羚漳楚； ， ， ； ， ， 、 鼍 鼍 、 ， 聿 、 、 啼h 、 、 ， fl 、 叁 ；喜 女j ， 匿l 尽按热器壳程牵- 躐截面静漆褥 f i g 1 9v e l o c i t yd i s t r i b u t i n g o f c e n t e rs e c t t o a j 贼i i i i 圈圈 ， 毒 i l 毒 毒霉 、 l ll 奉毒 瞬l ，t o 换热器硪释进口、中心艘啦口位置横截颜的流场 f i g 1 1 0 v e l o c i t y d i s t r i b u t i n g o f i n l e ts e o f i o n ，m z n t e rs c o t i o n a n d o u t l e ts e c t i o n t 9 8 2 年，wts h a 在p a t a n k a r 耱s p a l d i n g 黪基磋上谈羚管桊多毪壤不是吝彝阕穗 的，如熊仅利用分布隰力系数和体积多孔度不能获得真实的流场。1 2 2 因此，进一步提出 了表聪渗逐度豹概念，认为必须缘含应用分布隧力、体积务孑0 度、表凰渗遴廑才能拿麟 楚考寨巍程霜露襄嚣瓣滚蒋嚣霪灏。霪蘸薅竣多羚麦露表嚣渗透凄魏嚣豢，嚣冀赛煞滚 体动爨陡实际动量小，忽略分布黼力计算出的聪力降比实际臌力降，j 、，潜认为在紊瀛溅 大连理工大学硕士学位论文 动的情形下，由于紊流脉动而造成的粘性力应予以考虑，因此在壳程流体的动量方程中 加入了粘性力项。他采用一方程模型计算麒，对控制方程进行有限差分，用隐式的连续 流体欧拉法对液态金属换热器和蒸汽发生器等进行了数值计算，并通过实验得到了验 证。 1 9 9 8 年，mp r i t h i v i r a j 和mja n d r e w s 2 3 1 用三维、完全隐式、同体坐标控制体积技 术模拟了弓形折流板管壳式换热器壳程的流体流动和传热。物理模型仍采用在p a t a n k a r 和s p a l d i n g 提出的分布阻力、体积多孔度以及s h a 提出的表面渗透度来处理管束及折流 板等固体物对壳程内流体流动和传热的影响，并考察了管束引起的湍流产生和耗散作 用，用附加源项表示，从而得到修正的k 一占模型来用于模拟湍流的影响，壳壁和折流 板壁用壁面函数法处理。根据上述物理模型建立了管壳式换热器的数学模型。用表示 任意变量，对于给定的控制容积得到积分形式的控制方程： f 詈( 阮+ l , o f b 瓦n f s d d = 一面z 翻+ f 以办d y ( 1 1 6 ) 定义；巧= 力d 矿，a ，= 兀以 ( 1 1 7 ) 式中：力体积多孔度； 疋表面渗透度。 根据高斯散度定理，表示成微分形式： 昙( 励) + v 恼尹一玛v ) = i s , ( 1 1 8 ) 式中：l 扩散系数 源项，针对不同的变量给出了相应的扩散系数和源项 用h e a t x 方法求解控制方程，得到了平均速度场和总压降及内部压降，计算结果 与实验数据吻合较好，并通过分析得出以下结论： 尽管没有实验数据证实流场预测的细节信息，但从速度矢量曲线图可以确定高速 区( 即易于发生流体诱导振动区) 和低速区( 即易于结垢和低传热区) ； 壳程质量流率增大，总压降和传热系数也随之增大，图1 1 1 显示出换热器壳程不 同位置压降的计算值与实验值； l ，n g 沉浸式汽化器流动传热过程模拟 屯 q 口 图1 11 换热器壳程不同位置压降的计算值与实验值 f i g 1 11 p r e s s u r ed r o pc a l c u l a t ev a l u ea n de x p e r i m e n tv a l u e 对于一个几何尺寸一定的全管束换热器，压降随着折流板弓型缺口的减小而增 大； 换热管与折流板之间、折流板与壳体之间的间隙泄漏量增大，总压降和传热效果 随之降低，间隙泄漏对压降的影响更大。 经过2 0 多年的探索，国外已开发出p h o e n i c s 、f l u e n t 、f l o w 3 d 、a n s y s 等 大型通用计算流体动力学软件，能够解决一维、二维、三维及层流或湍流、单相或多相、 稳态或瞬态的传热和流体流动问题，并已应用于蒸汽发生器、冷却塔、电站冷凝器、工 业回热炉等方面。【2 一l i ( 2 ) 国内有关管壳式换热器壳程数值模拟情况 近年来，我国学者在国外数值模拟研究的基础上，在换热器数值模拟方面做了一些 探索性工作。 1 9 9 9 年，华东理工大学王定标 2 s - 2 6 等对折流杆支撑纵流壳程换热器进行了数值模拟 研究。首先利用相似理论建立换热器的数学模型，采用8 1 2 节点三维等参单元及相应 的形函数，建立有限元法改进的离散格式，采用算子分裂法改进其收敛性，导出二阶时 间离散格式来提高计算精度，用