吳維武， 王東寶， 趙黎明， 袁振欽

(1.上海利策科技股份有限公司， 上海 200233；2.上海海洋油氣生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心， 上海 200233)

印刷電路板式LNG氣化器分段設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究

吳維武1，2， 王東寶1，2， 趙黎明1， 袁振欽1

(1.上海利策科技股份有限公司， 上海 200233；2.上海海洋油氣生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心， 上海 200233)

隨著海上液化天然氣(LNG)生產(chǎn)的快速發(fā)展，作為L(zhǎng)NG浮式儲(chǔ)存和再氣化裝置(FSRU)再氣化模塊的關(guān)鍵設(shè)備，換熱器面臨更多挑戰(zhàn)。印刷電路板換熱器(PCHE)作為一種緊湊式微通道換熱器，具有體積小、換熱效率高等特點(diǎn)，在LNG-FSRU上具有廣闊的應(yīng)用前景?？紤]到LNG氣化過(guò)程中的相變現(xiàn)象和超臨界流體，基于傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)平均溫差法，提出采用分段計(jì)算的換熱設(shè)計(jì)方法，利用邊界條件和傳熱關(guān)系式獲得各段出口和入口溫度，確定各段傳熱面積，完成LNG氣化換熱器的熱力設(shè)計(jì)。采用該計(jì)算方法對(duì)LNG氣化器縮比樣機(jī)實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果較實(shí)驗(yàn)有7.9%裕度。

LNG氣化器；印刷電路板換熱器；超臨界流體；相變換熱

0 引 言

隨著我國(guó)天然氣需求的快速增加和液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，LNG接收站將急劇增加，海上LNG浮式儲(chǔ)存和再氣化裝置(FSRU)也將得到日益廣泛的應(yīng)用。換熱器是LNG產(chǎn)業(yè)鏈上一個(gè)非常重要的設(shè)備。隨著天然氣開(kāi)采向深水發(fā)展，浮式LNG接收站不斷興建，對(duì)換熱器的換熱效率、設(shè)備體積和重量提出了更高的要求，常規(guī)換熱器的體積和重量往往都無(wú)法滿足浮式LNG海上的使用要求，而且換熱器性能容易受到液體晃蕩的影響。

由英國(guó)Heatric公司設(shè)計(jì)制造的印刷電路板式換熱器(PCHE)是一種傳熱性能優(yōu)良的緊湊式換熱器，廣泛地應(yīng)用于油氣行業(yè)、化學(xué)工業(yè)、燃料加工、電力能、制冷等領(lǐng)域。PCHE的流體通道是在金屬板上采用光電化學(xué)刻蝕工藝形成的，通道截面形狀通常為直徑0.5～5.0 mm的半圓，不同板塊之間通過(guò)擴(kuò)散黏合疊置在一起組裝成換熱器芯體[1]。PCHE具有極高的換熱效率和耐高溫高壓能力，在相同的熱載荷和壓降下，PCHE的體積為傳統(tǒng)管殼式換熱器的1/6～1/4，平均單位質(zhì)量熱載荷達(dá)到了200 kg/MW[2]，其可以承受的最大壓力超過(guò)60 MPa，最高溫度可達(dá)900 ℃，并且具有極高的安全性和可靠性，是浮式LNG換熱器首選，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于接收站和LNG-FSRU[3]。

將PCHE作為L(zhǎng)NG氣化器時(shí)的換熱過(guò)程涉及微流道流動(dòng)、超臨界流體LNG物性的變化及熱側(cè)流體的冷凝相變等問(wèn)題，流動(dòng)換熱機(jī)理及影響因素非常復(fù)雜。由于LNG的物性在氣化溫度范圍內(nèi)變化較大，特別是在臨界點(diǎn)附近有劇烈的波動(dòng)，使得傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)方法不再適用，因此有必要針對(duì)LNG氣化過(guò)程開(kāi)發(fā)合適的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

陳長(zhǎng)青[4]針對(duì)變物性小溫差換熱器提出了積分溫差計(jì)算方法，根據(jù)熱負(fù)荷將換熱器分成N段，認(rèn)為每段的傳熱溫差為常量，從而計(jì)算出換熱器的積分溫差，用于計(jì)算換熱面積，但是傳熱系數(shù)K仍需按常量處理。宋繼偉等[5]討論了分段計(jì)算方法在變物性換熱器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，但是沒(méi)有考慮分段數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。白宇恒等[6]采用分段方法對(duì)IFV管殼式換熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，但是計(jì)算結(jié)果并沒(méi)有體現(xiàn)出LNG物性的劇烈變化對(duì)溫度和傳熱系數(shù)沿程分布的影響，可見(jiàn)計(jì)算方法仍有不完善之處。

本文針對(duì)PCHE作為L(zhǎng)NG氣化器的情況，對(duì)LNG氣化的換熱過(guò)程進(jìn)行了分析，考慮到LNG超臨界氣化和熱側(cè)中間介質(zhì)冷凝的特點(diǎn)，對(duì)PCHE換熱器的換熱面積計(jì)算方法進(jìn)行討論，基于Gnielinski換熱關(guān)系式[7]，采用面積積分的方法，建立了PCHE應(yīng)用于超臨界流體及相變換熱的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和流程，并將該計(jì)算方法用于PCHE式LNG氣化器縮比樣機(jī)的計(jì)算。

1 LNG氣化器

1.1 PCHE式 LNG氣化器

LNG氣化器作為L(zhǎng)NG-FSRU再氣化模塊的主換熱器，換熱介質(zhì)為超臨界狀態(tài)的LNG和氣態(tài)丙烷，其目的是將低溫的LNG氣化后經(jīng)過(guò)調(diào)溫外輸?shù)接脩舳恕CHE用作LNG氣化器，需要根據(jù)LNG的處理量和進(jìn)出口溫度要求進(jìn)行換熱器的設(shè)計(jì)。

PCHE的板片通常是采用光化學(xué)刻蝕工藝在厚度為0.5～5.0 mm的鋼板上刻蝕出半圓形的流道，然后采用擴(kuò)散焊工藝焊接板片形成換熱芯體。綜合考慮板片加工條件的限制和LNG氣化器的壓力載荷，制備出厚度為1.6 mm、通道深度為0.9 mm的Z型流道板片，如圖1(a)所示。結(jié)合LNG氣化器的換熱能力要求，根據(jù)所需換熱面積確定板片數(shù)量，最終通過(guò)擴(kuò)散焊焊接成換熱芯體，如圖1(b)所示。

圖1 LNG氣化印刷電路板換熱器Fig.1 Printed circuit heat exchanger for LNG vaporization

1.2 LNG氣化器工質(zhì)

LNG氣化器的作用是將LNG從-160 ℃加熱到氣態(tài)，要求出口溫度高于-30 ℃。LNG的主要成分為甲烷，為簡(jiǎn)化分析，可將LNG當(dāng)作甲烷處理。根據(jù)LNG氣化器的使用要求，入口壓力一般高于甲烷的臨界壓力4.6 MPa，因此隨著LNG溫度的升高，甲烷將達(dá)到臨界點(diǎn)，最終以超臨界氣體的狀態(tài)離開(kāi)換熱器。

甲烷在臨界點(diǎn)附近狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，從液態(tài)變成超臨界氣體狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)也發(fā)生突變。圖2所示為甲烷在臨界溫度附近的定壓熱容(Cp)和普朗特?cái)?shù)(Pr)隨溫度的變化。因此，在計(jì)算甲烷的流動(dòng)與換熱現(xiàn)象時(shí)，不能將甲烷物性參數(shù)作為常數(shù)考慮。為了準(zhǔn)確計(jì)算甲烷側(cè)的換熱能力，可行的辦法是進(jìn)行分段計(jì)算[5]，根據(jù)溫度或換熱量將換熱過(guò)程分成若干小段，每一小段的溫差很小，可認(rèn)為在該溫度范圍內(nèi)物性參數(shù)為常數(shù)，取平均溫度作為定性溫度。

丙烷氣體作為熱側(cè)介質(zhì)為L(zhǎng)NG氣化提供熱量，隨著溫度的降低丙烷將發(fā)生冷凝相變。圖3所示為丙烷物性參數(shù)隨溫度的變化，可見(jiàn)丙烷氣態(tài)和液態(tài)的流體屬性有較大差別。

圖2 甲烷流體屬性Fig.2 Fluid properties of methane

圖3 丙烷流體屬性Fig.3 Fluid properties of propane

1.3 LNG氣化器換熱過(guò)程

LNG氣化器的總換熱過(guò)程如圖4所示，其中LNG側(cè)入口為液相，被加熱成超臨界氣態(tài)離開(kāi)換熱器，B表示LNG的臨界點(diǎn)；丙烷經(jīng)過(guò)過(guò)熱蒸氣、冷凝、過(guò)冷液體三個(gè)階段，A和C分別為丙烷的飽和蒸氣狀態(tài)和飽和液體狀態(tài)(對(duì)應(yīng)溫度為丙烷在當(dāng)前壓力下的飽和溫度)。根據(jù)兩側(cè)流體的狀態(tài)，LNG氣化器的傳熱過(guò)程可以分為4個(gè)階段，計(jì)算過(guò)程中根據(jù)各階段流體狀態(tài)選用不同的傳熱關(guān)系式。

LNG氣化器內(nèi)的對(duì)流換熱為管內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流換熱，表面換熱系數(shù)可采用Gnielinski公式進(jìn)行計(jì)算。Adams等[8]在對(duì)微通道強(qiáng)制對(duì)流換熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究之后，對(duì)Gnielinski公式進(jìn)行了修正，可用于微通道對(duì)流換熱的計(jì)算。Krasnoschekov等[9]對(duì)Gnielinski公式進(jìn)行修正，得到了超臨界流體的傳熱關(guān)系式，具有較高精度。

丙烷在氣化器內(nèi)需經(jīng)歷氣相對(duì)流換熱、冷凝相變換熱、液相對(duì)流換熱三個(gè)階段，其中丙烷氣相對(duì)流換熱和液相對(duì)流換熱階段可采用Adams等修正的Gnielinski公式進(jìn)行計(jì)算。丙烷冷凝可采用Shan等[10]提出的管內(nèi)冷凝放熱綜合關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算。

圖4 LNG氣化器換熱過(guò)程Fig.4 Heat transfer process of LNG vaporizer

2 換熱設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 分段計(jì)算方法

(1)

(2)

ΔTi=Th,i-Tc,i,

(3)

(4)

根據(jù)式(2)可得各微元段的溫度狀態(tài)，從而求解微元段的溫差；結(jié)合每個(gè)微元段的流動(dòng)狀態(tài)和對(duì)流換熱關(guān)系式，可計(jì)算冷熱兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，從而得到每段傳熱系數(shù)Ki；再根據(jù)每段出入口溫度(PCHE的出入口溫度根據(jù)工況給定，每個(gè)微段出入口溫度根據(jù)分段數(shù)直接給定)計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差Δtmi，則可得每段所需換熱面積，根據(jù)式(1)得到換熱器總換熱面積。

圖5 換熱器分段計(jì)算原理Fig.5 Principle of segmented design method for heat exchanger

2.2 換熱關(guān)系式

由于PCHE的流道尺寸較小，考慮到減小流道直徑對(duì)換熱效果的強(qiáng)化作用，可采用Adams等[8]基于Gnielinski關(guān)系式提出的修正傳熱關(guān)系式：

(5)

f=(1.82lgRe-1.64)-2,

(6)

式中：NuG為本體的努塞爾數(shù)；f為管內(nèi)湍流流動(dòng)的Darcy阻力系數(shù)；Prf為普朗特?cái)?shù)；Re為雷諾數(shù)。

由于LNG氣化過(guò)程中甲烷經(jīng)歷超臨界氣體狀態(tài)，而超臨界流體的傳熱機(jī)理與常規(guī)流體不同，因此需要對(duì)甲烷的超臨界對(duì)流換熱現(xiàn)象單獨(dú)進(jìn)行分析。Krasnoschekov等[9]對(duì)超臨界流體的對(duì)流換熱進(jìn)行研究，提出了修正后的傳熱關(guān)系式：

(7)

本文將采用該公式進(jìn)行超臨界流體對(duì)流換熱的計(jì)算。該公式適用的范圍為Re=2300～106，Prf=0.6～105。

Shan等[10]基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了適用于水平管、豎管和傾斜管的管內(nèi)冷凝放熱綜合關(guān)系式。根據(jù)該關(guān)系式，管內(nèi)凝結(jié)時(shí)的兩相流動(dòng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)應(yīng)等于管內(nèi)為單相液體流動(dòng)時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)乘以兩相流動(dòng)的修正系數(shù)，并且該修正系數(shù)與蒸氣的相對(duì)含量以及蒸氣的對(duì)比態(tài)壓力有關(guān)。當(dāng)發(fā)生管內(nèi)部分凝結(jié)時(shí)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α的修正關(guān)系式為

(8)

式中：X表示平均干度，為出入口干度的平均值；R表示蒸氣的對(duì)比態(tài)壓力，為飽和蒸氣壓與臨界壓力的比值；αl表示工質(zhì)飽和液體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，采用修正后的Gnielinski公式進(jìn)行計(jì)算。式(8)適用的范圍是R=0.02～0.44，Prf=1～13。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算算例

3.1 分段計(jì)算工況

為驗(yàn)證以上分段計(jì)算方法的準(zhǔn)確性及PCHE換熱性能，針對(duì)PCHE縮比樣機(jī)，開(kāi)展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)研究[11]，實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)如表1所示。以實(shí)驗(yàn)工況作為分段計(jì)算工況輸入(分段計(jì)算輸入?yún)?shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)一致)，進(jìn)行氣化器的設(shè)計(jì)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表1 LNG氣化器縮比樣機(jī)實(shí)驗(yàn)工況

3.2 分段計(jì)算結(jié)果

采用前文介紹的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)指定的設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行計(jì)算，并改變分段數(shù)N，獲得了不同分段數(shù)對(duì)應(yīng)的換熱面積，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，當(dāng)分段數(shù)較低時(shí)，得到的換熱面積波動(dòng)較大，隨著N的增加，換熱面積逐漸收斂于一固定值，可以認(rèn)為此時(shí)工質(zhì)的物性得到充分考慮，分段數(shù)的進(jìn)一步增加對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響。結(jié)果表明當(dāng)分段數(shù)足夠大時(shí)，該計(jì)算方法能得到足夠高的計(jì)算精度。通過(guò)計(jì)算，為達(dá)到設(shè)計(jì)輸入要求，冷側(cè)需要的換熱面積為6.66 m2。

圖6 換熱面積與計(jì)算分段數(shù)的關(guān)系Fig.6 Heat exchanger area versus section number N

圖7給出了冷熱兩側(cè)工質(zhì)溫度的分布，橫坐標(biāo)為無(wú)量綱位置，對(duì)應(yīng)凝結(jié)器熱側(cè)介質(zhì)丙烷的流道。由圖7可見(jiàn)，LNG進(jìn)入凝結(jié)器后溫度先以一定的斜率上升，此過(guò)程對(duì)應(yīng)LNG的液相狀態(tài)，物性參數(shù)變化不大；當(dāng)LNG溫度達(dá)到臨界溫度190.5 K左右時(shí)，LNG溫度的上升趨勢(shì)變緩，這是因?yàn)樵谂R界點(diǎn)附近，甲烷的Cp特別大，在相同的熱負(fù)荷下，LNG的溫度變化較??；隨著甲烷進(jìn)入超臨界氣體狀態(tài)，Cp下降到與液相相當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，LNG的溫度再次以較大斜率上升。在整個(gè)換熱過(guò)程中LNG的溫度變化曲線很好地詮釋了甲烷的物性對(duì)換熱過(guò)程的影響。熱側(cè)介質(zhì)丙烷在換熱過(guò)程中發(fā)生相變，因此對(duì)應(yīng)的溫度曲線是一條直線。

圖7 冷熱兩側(cè)工質(zhì)溫度的沿程分布Fig.7 Temperature distribution of the working fluid on both cold and hot sides

圖8為總傳熱系數(shù)的沿程分布，橫坐標(biāo)為無(wú)量綱化的位置，對(duì)應(yīng)熱側(cè)介質(zhì)丙烷的流道。計(jì)算結(jié)果表明，傳熱系數(shù)隨著流動(dòng)狀態(tài)的變化有明顯的沿程波動(dòng)。在丙烷入口處，氣相丙烷溫度降低后發(fā)生冷凝，傳熱系數(shù)明顯上升，隨后逐漸下降，當(dāng)丙烷全部冷凝后由于雷諾數(shù)Re較小，液相丙烷的傳熱系數(shù)非常低；LNG側(cè)的傳熱系數(shù)在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，其極大值在甲烷的臨界點(diǎn)附近；總傳熱系數(shù)K與LNG側(cè)的傳熱系數(shù)變化趨勢(shì)一致，這是因?yàn)楸閭?cè)發(fā)生冷凝相變，傳熱系數(shù)較高，熱阻較小，總傳熱系數(shù)主要受LNG側(cè)傳熱系數(shù)的影響。

將實(shí)驗(yàn)工況下測(cè)得的LNG的出入口溫度、丙烷的入口溫度、兩側(cè)的流量和壓力作為分段計(jì)算的輸入，采用如上所述的分段計(jì)算方法，對(duì)LNG氣化器的換熱能力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，由分段設(shè)計(jì)計(jì)算方法確定的換熱面積較實(shí)際情況有7.9%的余量，說(shuō)明采用該方法能夠滿足PCHE換熱面積設(shè)計(jì)計(jì)算要求。

圖8 傳熱系數(shù)的沿程分布Fig.8 Distribution of heat transfer coefficient

參數(shù)換熱量/kW對(duì)數(shù)溫差/K換熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)換熱面積/m2誤差/%計(jì)算520.146.981633.06.66試驗(yàn)517.342.751960.96.177.9

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)LNG氣化器的換熱過(guò)程，將PCHE作為L(zhǎng)NG氣化的主換熱設(shè)備，并提出換熱器分段設(shè)計(jì)計(jì)算方法。將設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論：

(1) 通過(guò)與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，證明該設(shè)計(jì)方法具有一定的安全裕度，能夠滿足LNG氣化器換熱能力的設(shè)計(jì)計(jì)算要求。

(2) 該計(jì)算方法也可用于其他工質(zhì)屬性變化大或存在相變等現(xiàn)象的換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算。

由于本文所研究的內(nèi)容涉及微通道流動(dòng)、超臨界流體、相變換熱等流動(dòng)與傳熱研究領(lǐng)域的難題，在目前研究手段受限的情況下，還存在很多不深入和不完善的地方。未來(lái)將從微通道流動(dòng)對(duì)傳熱性能的影響、LNG氣化及液化傳熱關(guān)聯(lián)式等方面進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究。

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SegmentedDesignandCalculationMethodforPrintedCircuitHeatExchangerasLNGVaporizer

WU Wei-wu1，2, WANG Dong-bao1，2, ZHAO Li-ming1, YUAN Zhen-qin1

(1.Shanghai Richtech Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China;2.Shanghai Engineering Research Center of Offshore Oil & Gas Production Platform Design,Shanghai 200233, China)

The development of offshore liquefied natural gas (LNG) production puts forward higher demand for heat exchanger, since it is the key component in LNG floating storage and regasification unit (FSRU). As a compact micro-channel heat exchanger, printed circuit heat exchanger (PCHE) has a wide application prospect in LNG-FSRU because of its characteristics of small volume and high heat transfer efficiency. Considering the phase change phenomenon and the supercritical fluid in LNG vaporizer, a segmented thermal design method for PCHE is presented based on (LMTD) method. The temperature and the area of every segment could be calculated with boundary conditions and heat transfer correlations, and then the total heat transfer area of the vaporizer could be obtained. This method is proven to be reliable with 7.9% margin by contrasting the numerical result with the experimental one.

LNG vaporizer; printed circuit heat exchanger; supercritical fluid; phase change heat transfer

2015-12-23

上海市徐匯區(qū)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目“高效微孔式換熱器研制”

吳維武(1980—)，男，博士，主要從事海洋油氣裝備的設(shè)計(jì)及產(chǎn)品與技術(shù)開(kāi)發(fā)。

TE8

A

2095-7297(2016)02-0093-06