嚴(yán) 樂

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境問題也日益嚴(yán)重，發(fā)展新能源成為一項(xiàng)重要的舉措。新能源主要包括太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芎秃四艿?。而隨著能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化升級(jí)，煤炭，石油等一次能源所占比重逐漸減少，天然氣作為一種清潔優(yōu)質(zhì)能源，由于其高效。無污染的優(yōu)勢(shì)進(jìn)入人們的視野。我國煤炭資源豐富，石油資源短缺，天燃?xì)鈪T乏，使許多大中城市出現(xiàn)了“氣荒”。為了解決供需矛盾的問題，從國外進(jìn)口天然氣成為主要途徑之一。目前我國進(jìn)口天然氣主要有兩個(gè)途徑：一是通過輸氣管道從俄羅斯和中東國家進(jìn)口，二是在東南沿海等地以液化天然氣的方式進(jìn)口[1]。而氣化器是將LNG 氣化的核心裝置，只有經(jīng)過氣化器才可以將-162℃的LNG 氣化，供給用戶使用。目前空溫式氣化器是市場(chǎng)上常見的一種氣化器。

1 空溫式氣化器的優(yōu)點(diǎn)

空溫式氣化器的優(yōu)點(diǎn)有：

1） 空溫式氣化器用空氣作為熱源來氣化LNG，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，適用于具有較大場(chǎng)地的小型氣化站[2]。2） 氣化率高，氣化器由豎直星形翅片管和輔助加熱裝置構(gòu)成。保證在環(huán)境空氣溫度-5℃以上能將-162℃的LNG 氣化成-10℃的NG，供給用戶正常使用。3） 運(yùn)行成本低廉，故障率低?？諟厥綒饣鞯倪\(yùn)行費(fèi)用為零，當(dāng)環(huán)境溫度降低導(dǎo)致氣化量減少時(shí)，可啟用輔助加熱裝置，但此時(shí)所產(chǎn)生的費(fèi)用只有電熱式的費(fèi)用1/5 左右。4） 空溫式氣化器是依靠自身顯熱和吸收環(huán)境空氣熱量來實(shí)現(xiàn)氣化[3]。

2 空溫式氣化器的缺點(diǎn)

1） 空溫式氣化器由于受到其熱源是空氣的影響，所以受到地域和季節(jié)的影響也比較大。當(dāng)外界空氣溫度過低時(shí)，其出口的天然氣溫度也會(huì)更低，不能滿足用戶的正常需要。因此空溫式氣化器適用于氣溫溫和的地方，如我國南方沿海城市。2） 空溫式氣化器只適用于小型氣化站，因?yàn)樵摎饣魇怯蓴?shù)根豎直翅片管組成，占地面積比較大，在土地資源少的區(qū)域容易受到限制。3） 結(jié)霜問題都是空溫式氣化器運(yùn)行過程中的主要困擾。結(jié)霜這種平淡無奇的自然現(xiàn)象卻包含了導(dǎo)熱和對(duì)流等傳熱過程，以及凝華和升華、凝固和融化等傳質(zhì)過程。因此在空氣溫度較低的環(huán)境，需要增加一個(gè)加熱器進(jìn)行補(bǔ)充加熱。在霧天空溫式氣化器翅片管表面會(huì)結(jié)冰，使其的氣化效率更加低。4） 由于結(jié)霜問題，氣化站在采用空溫式氣化器時(shí)，應(yīng)選用一用一備的模式，防止正在使用的氣化器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致整個(gè)氣化站出現(xiàn)氣化總量下降的問題。5) 目前國內(nèi)所生產(chǎn)的翅片管大部分都是鋁合金材質(zhì)，并且由于我國氣化器研發(fā)時(shí)間較晚，所以處處受制于國外，沒有對(duì)翅片管進(jìn)行很好的優(yōu)化。

3 空溫式氣化器管外結(jié)霜

由于困擾空溫式氣化器運(yùn)行的問題除了地域和季節(jié)限制，最主要的就是翅片管的外表面結(jié)霜，因此從理論上預(yù)測(cè)翅片管外霜層增長成為大多數(shù)學(xué)者研究的問題。本文通過平板結(jié)霜的計(jì)算來進(jìn)行翅片管外的結(jié)霜預(yù)測(cè)。

在結(jié)霜的過程中，質(zhì)量一部分用來增加霜層厚度，一部分用來增加霜層密度，熱流密度分為顯熱和潛熱，顯熱即是空氣側(cè)和接觸面結(jié)霜側(cè)的溫度差，潛熱分為兩個(gè)部分：一部分是從近壁面空氣側(cè)空氣中的水蒸氣凝華放出的熱量，還有一部分是用來增加霜層密度的水蒸氣在霜層內(nèi)部釋放出來的熱量。

霜層物性的計(jì)算如下：

式中：ρice為冰的密度（kg/m3）；ρa(bǔ)為空氣的密度（kg/m3）；ψ 為霜層的孔隙率；λice為冰的導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））；Tm為霜層平均溫度，K。取霜層表面溫度和壁面溫度的算術(shù)平均值；Tm= (Tfro+Tw) /2；λa為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））。

通過霜層物性的計(jì)算可以進(jìn)行霜層厚度增長的計(jì)算，可以為翅片管外結(jié)霜提供理論依據(jù)。

4 空溫式氣化器的模擬計(jì)算

氣化站最常見的氣化器主要還是以直接接觸式空溫式氣化器為主，該氣化器主要由豎直星形翅片管構(gòu)成，目前最常見的是8 翅片結(jié)構(gòu)的，當(dāng)然也有12 翅片、6 翅片和4 翅片結(jié)構(gòu)的。翅片管的材料主要是由鋁合金構(gòu)成，且一般都是單程式翅片主要是為了增加空氣側(cè)的換熱面積。

研究方向：

1） 確定氣化器結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)。

2） 劃分空氣與LNG 的換熱過程換熱區(qū)間，并建立傳熱模型；根據(jù)LNG 流體的溫度變化，劃分換熱單元，對(duì)流型和狀態(tài)進(jìn)行判斷。根據(jù)小單元的能量守衡，計(jì)算出單元出口的溫度等數(shù)據(jù)，將其數(shù)據(jù)作為下個(gè)單元入口的已知量，依次計(jì)算。

3） 分析對(duì)縱向翅片管傳熱性能的影響因素。為簡(jiǎn)化計(jì)算，提高效率。本文作出以下假設(shè)：

1） 在整個(gè)計(jì)算過程中，霜層的物性參數(shù)沿厚度方向上是均勻的（密度除外）；

2） 只考慮霜層厚度方向上參數(shù)的變化，將霜層生長過程看做是一維的；

3） 霜層的生長過程是動(dòng)態(tài)變化的，但是在某一極短的時(shí)間段內(nèi)可以看作是穩(wěn)態(tài)的；

4） 空氣溫度恒定不變；

5） 管外空氣側(cè)換熱按大空間自然對(duì)流換熱處理；

6） 認(rèn)為氣化器運(yùn)行時(shí)壓力保持不變。

根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒建立了翅片管特性預(yù)測(cè)模型。換熱依次經(jīng)過：環(huán)境空氣到霜層外側(cè)的自然對(duì)流換熱，霜層外側(cè)到翅片管外側(cè)的導(dǎo)熱，翅片管外側(cè)到翅片管內(nèi)側(cè)的導(dǎo)熱，翅片管內(nèi)側(cè)到流體的對(duì)流換熱，針對(duì)流體的能量變化方程。針對(duì)管內(nèi)流體在不同流態(tài)下選擇不同的換熱經(jīng)驗(yàn)公式用來計(jì)算管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)。認(rèn)為霜層是由冰晶和空氣構(gòu)成的蓬松孔隙結(jié)構(gòu)，針對(duì)管外霜層的增長一方面認(rèn)為其增長了霜層厚度，一方面認(rèn)為其增長了霜層密度。此外，在熱對(duì)流的基礎(chǔ)上，環(huán)境空氣和空溫式氣化器翅片管能量轉(zhuǎn)換之間還包括輻射換熱和其中水蒸氣的潛熱放熱。

通過FORTRAN 程序的編寫，給出物性參數(shù)，包括：結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的輸入，利用泡點(diǎn)、露點(diǎn)區(qū)分出單相液段、兩相段、單相氣段。將翅片管延管長分為若干個(gè)微元段，計(jì)算不同微元段的霜層厚度，換熱系數(shù)，有效熱阻等參數(shù)，依次迭代，即可以計(jì)算出求解參數(shù)延管長的分布。通過時(shí)間迭代，即可算出空溫式氣化器在運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。得出整個(gè)空溫式氣化器翅片管在動(dòng)態(tài)運(yùn)行的過程中的換熱結(jié)霜規(guī)律。通過改變參數(shù)，則可以在允許范圍內(nèi)有效的提高空溫式氣化器的氣化效率。

能量方程：通過霜層的能量=空氣側(cè)對(duì)流換熱+水蒸氣的凝華潛熱+霜層的輻射換熱

通過霜層的能量=通過翅片管管壁的導(dǎo)熱=LNG 的氣化吸熱

質(zhì)量守恒方程：水蒸氣一部分用來增長霜層厚度，一部分用來增長霜層密度

計(jì)算流程：

1） 輸入氣化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，環(huán)境空氣參數(shù)，運(yùn)行參數(shù)。

2） 確定微元段數(shù)目，從而確定長度步長；確定時(shí)間步長。

3） 根據(jù)LNG 組分由方程確定其泡點(diǎn)和露點(diǎn)。

4） t 時(shí)刻，根據(jù)入口LNG 溫度，計(jì)算第一個(gè)微元段內(nèi)的LNG 物性參數(shù)（LNG 溫度、LNG 導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、定壓比熱容），由液化天然氣的物性參數(shù)求出管內(nèi)液化天然氣的換熱系數(shù)，代入能量守恒方程求出霜層密度、霜層厚度、霜層導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)，然后管內(nèi)外耦合求出的上一微元段的出口溫度即為下一段的進(jìn)口溫度。

5） 由時(shí)間迭代，計(jì)算在一定時(shí)間段內(nèi)空溫式氣化器的整體換熱。

5 結(jié)語

在國家提倡發(fā)展新能源的今天，天然氣將為成為我國未來能源的主要支柱之一。在國家的大力發(fā)展液化天然氣的前提下，液化天然氣接收站技術(shù)與設(shè)備得到了大發(fā)展，空溫式氣化器由于其突出的顯著優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低廉，操作簡(jiǎn)單，利用環(huán)境中的空氣為熱源氣化LNG，更貼合綠色，環(huán)保，新能源的當(dāng)代主題。