第一作者單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

摘自 2021 年 6 月期的《燃?xì)馀c熱力》

1 概述

目前，LNG空熱氣化爐（以下簡稱空熱氣化爐）的數(shù)值研究主要集中在以下幾個(gè)方面：應(yīng)用數(shù)學(xué)理論和數(shù)值模擬分析管外霜層的生長，以及霜層內(nèi)的溫度處于不穩(wěn)定狀態(tài)。 分布，基于焓法LB相變模型，相關(guān)疏水壁面抑霜數(shù)值模擬研究，管外環(huán)境及氣化爐結(jié)構(gòu)對氣化爐結(jié)構(gòu)影響的三維數(shù)值模擬研究空氣自然對流換熱、氣化器管內(nèi)低溫液態(tài)工質(zhì)相變換熱及其影響因素的數(shù)值研究[1]. 空熱式氣化爐設(shè)備的安裝高度尚無報(bào)道。

風(fēng)熱式氣化爐設(shè)備底部（翅片管下端所在平面）距地面的高度為設(shè)備基礎(chǔ)暴露于地面的高度與設(shè)備支腿高度之和，即在本文中稱為腿的高度。 常溫蒸發(fā)器的支腿高度決定了底部換熱空間的大小，換熱空間的大小影響設(shè)備底部的換熱效果。 理論上，如果支腿高度過低，空氣加熱氣化爐底部的溫度分布會過低，從而加劇空氣加熱氣化爐周圍的起霧。 霧氣會降低風(fēng)熱汽化器周圍的能見度冷霧管8mm，不利于工人操作。 霧大時(shí)，甚至?xí)l(fā)生凍傷事故。 在常溫氣化器不斷大型化的背景下，支腿高度過高，在設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面需要加大投入。 因此，選擇合適的常溫氣化爐腿高對LNG氣化站的建設(shè)和運(yùn)行管理具有重要意義。

2 問題描述和假設(shè)

空熱式環(huán)境空氣通過翅片管壁與管內(nèi)低溫LNG進(jìn)行熱交換，達(dá)到氣化LNG的目的。 由于與LNG進(jìn)行熱交換，設(shè)備周圍的空氣溫度降低，密度增加，遠(yuǎn)離設(shè)備的空氣存在密度差。 在密度差的驅(qū)動(dòng)下，空氣形成自上而下的流動(dòng)。 研究了腿高h(yuǎn)為0.8～2.0 m條件下空熱氣化爐周圍溫度場的分布情況，提出了底部溫度場的評價(jià)指標(biāo)。 分析研究有利于空熱式氣化爐氣化爐換熱支腿高度的最佳取值范圍。

為了研究空熱氣化爐底部空間的溫度場，需要建立包括空熱氣化爐在內(nèi)的空間傳熱數(shù)值模擬模型。 在本文中，簡化建?；谝韵录僭O(shè)[2]：

① 整個(gè)換熱過程是一個(gè)充分發(fā)展的穩(wěn)態(tài)自然對流換熱。

② 只研究了翅片管與空氣側(cè)之間的自然對流換熱，沒有研究翅片管內(nèi)部的換熱和管壁的熱傳導(dǎo)。

③空熱式氣化爐單根翅片管的結(jié)構(gòu)尺寸較大，計(jì)算面積很小，可簡化為一個(gè)邊長與翅片管相切的長方體。

④ 空溫汽化器在與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換時(shí)，翅片管外壁的溫度視為一個(gè)恒定值。

⑤ 忽略介質(zhì)的輻射傳熱和粘性散熱。

⑥ 不考慮空氣中水蒸氣凝結(jié)、結(jié)霜等相變熱的影響，將環(huán)境流動(dòng)介質(zhì)視為干燥空氣，初始溫度分布均勻。

⑦ 忽略設(shè)備基礎(chǔ)和設(shè)備支腿所占空間。

3 幾何模型

本文以QQ-5000G-01常溫汽化器為例，僅研究翅片管外壁與周圍空氣的自然對流換熱。 常溫汽化器立式安裝，長3.287m，寬2.715m，高9.387m。 它由120根星形鋁合金翅片管按10×12排列組成。 單個(gè)翅片管的翅片數(shù)量為8片，翅片高度為63mm，翅片厚度為2mm，翅片長度為8m，兩翅片夾角θ1和θ2分別為分別為36.87°和53.13°，圓管外徑為32mm，圓管壁厚為2mm。 考慮到本文主要研究氣化爐底部的溫度場，而翅片管的實(shí)際傳熱過程十分復(fù)雜，如果不對翅片管進(jìn)行簡化，將給數(shù)值模擬帶來很大困難。 因此，基于上述假設(shè)③，將每根翅片管簡化為一個(gè)長方體，單個(gè)翅片管的簡化頂視圖如圖1所示。長方體長0.141 m，寬0.141 m，長方體高度等于翅片管的高度，即 8 m。 空氣溫度蒸發(fā)器的簡化俯視圖如圖2所示，相鄰長方體最近的外壁之間的距離為0.145 m。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了簡化氣化爐底部流體域的溫度分布符合實(shí)際，數(shù)值模擬結(jié)果是可行的。

圖1 單翅片管頂視圖

圖 2 常溫氣化器頂視圖

使用19.0建立幾何模型，包括常溫氣化器形成的固體域和周圍空氣形成的流體域。 流體域包括翅片管之間的空氣和空氣加熱氣化器外部的空氣。 坐標(biāo)系的xOz平面位于立體域底端面上，底端面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，底端面外輪廓為矩形，x軸沿矩形長邊方向，z軸沿矩形短邊方向，y軸沿實(shí)體域高度方向，y軸正方向?yàn)橄蛏稀?傳熱幾何模型如圖3所示。圖3中藍(lán)色部分為流體域，紅色部分為固體域。 流體域的頂部比固體域的頂部高1 m，流體域的底部比固體域的底部低等于腿高的距離。 常溫氣化爐的腿高最初取14個(gè)值：0.8m、0.9m，從0.9m到1.4m、1.5m、2.0m取高度0.05m。 經(jīng)分析，距氣化爐底部2.0m以上的空間對氣化爐底部傳熱影響不大。 因此，為減少計(jì)算量冷霧管8mm，對于y大于等于2.0 m的流體域，其周圍邊距固體域最外表面3.0 m； 對于y小于2.0 m的流體域，其長度和寬度分別取其長度和寬度的6倍，該范圍內(nèi)流體域的長度和寬度分別為19.722 m和16.290 m。

圖3 傳熱幾何模型

4 網(wǎng)格劃分

將構(gòu)建的幾何模型導(dǎo)入ICEM 19.0，創(chuàng)建整體塊，根據(jù)該傳熱幾何模型的特點(diǎn)對塊進(jìn)行分割，并刪除實(shí)體域所在區(qū)域的塊，形成幾何模型與模型之間的映射塊，并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。 僅對流體域和固體域的外表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)模型采用六面體網(wǎng)格，但減小了圍繞固體域的流體域塊邊界節(jié)點(diǎn)之間的距離，并進(jìn)行了局部致密化。 經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性試驗(yàn)，確定了傳熱幾何模型的網(wǎng)格劃分方案，z=0平面幾何模型的網(wǎng)格如圖4所示。

圖 4 z=0 平面幾何模型網(wǎng)格

5種不同的設(shè)置

采用ANSYS 19.0軟件進(jìn)行計(jì)算，求解器設(shè)置為，（2），3D-。

模型設(shè)置：求解動(dòng)量和能量控制方程，湍流模型為k-ε模型，近壁面為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

材料設(shè)置：空氣的熱物理參數(shù)，包括密度、比熱容、動(dòng)力粘度和導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]通過多項(xiàng)式擬合進(jìn)行修正。

運(yùn)行條件設(shè)置：重力場沿y軸負(fù)方向，重力加速度為-9.81 m/s2。 空氣的工作溫度為 300 K。

邊界條件設(shè)置：流體域的上邊界設(shè)置為壓力入口邊界，絕對壓力為101 325 Pa，溫度為300 K。流體域的下邊界設(shè)置為絕熱壁邊界。 流體域的周圍邊界設(shè)為壓力出口邊界，絕對壓力為101 340 Pa。固體域的頂邊界、底邊界和外表面的周圍邊界均設(shè)為恒壁溫邊界. 根據(jù)文獻(xiàn)[3]計(jì)算翅片管外表面的平均溫度，設(shè)固域外表面溫度為149.7 K。

6 解決

7 仿真結(jié)果分析

7.1 支腿高度對底部傳熱影響分析

對腿高h(yuǎn)為0.8~2.0 m的空熱氣化爐與周圍環(huán)境的熱交換過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到空熱氣化爐與周圍環(huán)境熱交換的溫度分布云圖。獲得不同腿高處的周圍環(huán)境。 當(dāng)支腿高度分別為0.8、1.2、1.5、2.0 m時(shí)，截取z=0和y=0截面，仿真結(jié)果如圖5-8所示。 圖5-8中，色標(biāo)右側(cè)的數(shù)值為z=0段和y=0段上的溫度值，對應(yīng)單位為K。

圖5 支腿高度0.8 m仿真結(jié)果

圖6 支腿高度1.2 m仿真結(jié)果

圖7 支腿高度1.5 m仿真結(jié)果

圖 8 支腿高度2.0 m仿真結(jié)果

以圖5為例，當(dāng)風(fēng)熱汽化器與周圍環(huán)境熱交換達(dá)到平衡時(shí)，遠(yuǎn)離設(shè)備區(qū)域的空氣溫度較高，與環(huán)境溫度接近，密度較低; 在外壁進(jìn)行熱交換，溫度較低，密度較高。 由于密度差，空氣形成自上而下的流動(dòng)，溫度較低的空氣向下流動(dòng)，一部分停留在氣化爐底部，一部分向四周擴(kuò)散。 支腿高度過低會導(dǎo)致空熱汽化器底部空間溫度過低，不利于設(shè)備底部的熱交換。

z=0截面的溫度分布，支腿高度為0.8～2.0 m的模擬結(jié)果如圖5a～8a所示。 隨著支腿高度由0.8m增加到1.2m，氣化爐底部空氣區(qū)溫度色標(biāo)由綠色變?yōu)榈G色，空氣溫度明顯升高； 但隨著支腿高度從1.2m增加到2.0m，氣化爐底部空氣區(qū)溫度色標(biāo)顏色變化不大，空氣溫度變化不大。 y=0截面的溫度分布和腿高0.8-2.0 m的模擬結(jié)果如圖5b-8b所示。 當(dāng)支腿高度為0.8m時(shí)，氣化爐周圍較大空氣區(qū)域的溫度色標(biāo)為黃色，溫度較低； 隨著支腿高度從0.8m增加到2.0m，氣化爐周圍溫度色標(biāo)黃色空氣的面積逐漸變小，氣化爐周圍空氣溫度逐漸升高。 因此，支腿高度的增加可以提高氣化爐底部和周圍空氣的溫度，有利于設(shè)備底部的熱交換。

7.2 空熱氣化爐底部溫度場評價(jià)指標(biāo)

為了定量評價(jià)空熱氣化爐底部溫度場的分布情況，本文提出空熱氣化爐底部溫度場評價(jià)指標(biāo)。 需要選取一個(gè)最能反映空熱氣化爐底部溫度場分布的平面，該平面即為底部溫度場評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算平面。 本文選取y=0平面作為計(jì)算平面。

計(jì)算空溫氣化器的a，a在不同腿高下的計(jì)算結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，當(dāng)腿高h(yuǎn)從0.8m增加到2.0m時(shí)，a從55.4% 到 85.1%，變化（絕對值）為 29.7%。 風(fēng)熱式汽化器支腿高度的增加，可以大大提高風(fēng)熱式汽化器底部周圍的空氣溫度，優(yōu)化設(shè)備的傳熱性能。

圖9 a在不同支腿高度下的計(jì)算結(jié)果

7.3 常溫蒸發(fā)器腿高最佳值

表1 支腿高度為0.8~2.0 m時(shí)b和Ad的計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，當(dāng)腿高在1.50-1.55m范圍內(nèi)時(shí)，b等于0.5%。 因此，工程中支腿高度的最佳取值范圍為1.50～1.55m。

8 結(jié)論

① 當(dāng)常溫氣化器與周圍環(huán)境的熱交換達(dá)到平衡時(shí)，常溫氣化器周圍的空氣形成自上而下的流動(dòng)，溫度較低的空氣向下流動(dòng)，一部分停留在氣化爐底部。 它的一部分散布在周圍。 支腿高度過低，導(dǎo)致空熱汽化器底部空間溫度過低，不利于設(shè)備底部的熱交換。

②在設(shè)定的研究和設(shè)備選型條件下，支腿高度由0.8 m增加到2.0 m，計(jì)算平面上溫度場評價(jià)指標(biāo)的絕對值增加了29.7%。 增加支腿高度對計(jì)算面溫度場的改善效果呈冪函數(shù)分布，即在工程支腿高度達(dá)到最優(yōu)值之前，增加支腿高度可顯著提高計(jì)算面溫度?？諝饧訜釟饣?； 工程支腿高度取最優(yōu)值后，增加支腿高度不能顯著提高計(jì)算面溫度。

③在設(shè)定的研究和設(shè)備選型條件下，本項(xiàng)目常溫氣化爐支腿高度最佳值出現(xiàn)在1.50-1.55 m范圍內(nèi)。

參考：

[1] 張建文，孫艷云，江宇，等． 空氣浴翅片管氣化爐傳熱性能數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J]. 低溫與超導(dǎo), 2016(11): 75-79.

［2］羅東林． LNG氣化爐冷霧的形成與治理研究（碩士論文）［D］． 廣州: 華南理工大學(xué), 2013: 29-45.

[3] 李嵐． LNG常溫汽化器結(jié)霜條件下傳熱研究（碩士學(xué)位論文）[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2015: 52-57.

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