第一作者單位：哈爾濱工業大學建筑學院

摘自 2021 年 6 月期的《燃氣與熱力》

1 概述

目前，LNG空熱氣化爐（以下簡稱空熱氣化爐）的數值研究主要集中在以下幾個方面：應用數學理論和數值模擬分析管外霜層的生長，以及霜層內的溫度處于不穩定狀態。 分布，基于焓法LB相變模型，相關疏水壁面抑霜數值模擬研究，管外環境及氣化爐結構對氣化爐結構影響的三維數值模擬研究空氣自然對流換熱、氣化器管內低溫液態工質相變換熱及其影響因素的數值研究[1]. 空熱式氣化爐設備的安裝高度尚無報道。

風熱式氣化爐設備底部（翅片管下端所在平面）距地面的高度為設備基礎暴露于地面的高度與設備支腿高度之和，即在本文中稱為腿的高度。 常溫蒸發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。 霧氣會降低風熱汽化器周圍的能見度冷霧管8mm，不利于工人操作。 霧大時，甚至會發生凍傷事故。 在常溫氣化器不斷大型化的背景下，支腿高度過高，在設備結構穩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氣化站的建設和運行管理具有重要意義。

2 問題描述和假設

空熱式環境空氣通過翅片管壁與管內低溫LNG進行熱交換，達到氣化LNG的目的。 由于與LNG進行熱交換，設備周圍的空氣溫度降低，密度增加，遠離設備的空氣存在密度差。 在密度差的驅動下，空氣形成自上而下的流動。 研究了腿高h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指標。 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的空間傳熱數值模擬模型。 在本文中，簡化建模基于以下假設[2]：

① 整個換熱過程是一個充分發展的穩態自然對流換熱。

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

③空熱式氣化爐單根翅片管的結構尺寸較大，計算面積很小，可簡化為一個邊長與翅片管相切的長方體。

④ 空溫汽化器在與周圍環境進行熱交換時，翅片管外壁的溫度視為一個恒定值。

⑤ 忽略介質的輻射傳熱和粘性散熱。

⑥ 不考慮空氣中水蒸氣凝結、結霜等相變熱的影響，將環境流動介質視為干燥空氣，初始溫度分布均勻。

⑦ 忽略設備基礎和設備支腿所占空間。

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。 單個翅片管的翅片數量為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，而翅片管的實際傳熱過程十分復雜，如果不對翅片管進行簡化，將給數值模擬帶來很大困難。 因此，基于上述假設③，將每根翅片管簡化為一個長方體，單個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。 實驗驗證了簡化氣化爐底部流體域的溫度分布符合實際，數值模擬結果是可行的。

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。 坐標系的xOz平面位于立體域底端面上，底端面中心為坐標原點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軸沿實體域高度方向，y軸正方向為向上。 傳熱幾何模型如圖3所示。圖3中藍色部分為流體域，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個值：0.8m、0.9m，從0.9m到1.4m、1.5m、2.0m取高度0.05m。 經分析，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 網格劃分

將構建的幾何模型導入ICEM 19.0，創建整體塊，根據該傳熱幾何模型的特點對塊進行分割，并刪除實體域所在區域的塊，形成幾何模型與模型之間的映射塊，并劃分結構化網格。 僅對流體域和固體域的外表面進行網格劃分，整個模型采用六面體網格，但減小了圍繞固體域的流體域塊邊界節點之間的距離，并進行了局部致密化。 經過網格獨立性試驗，確定了傳熱幾何模型的網格劃分方案，z=0平面幾何模型的網格如圖4所示。

圖 4 z=0 平面幾何模型網格

5種不同的設置

采用ANSYS 19.0軟件進行計算，求解器設置為，（2），3D-。

模型設置：求解動量和能量控制方程，湍流模型為k-ε模型，近壁面為標準壁面函數。

材料設置：空氣的熱物理參數，包括密度、比熱容、動力粘度和導熱系數，根據文獻[2]通過多項式擬合進行修正。

運行條件設置：重力場沿y軸負方向，重力加速度為-9.81 m/s2。 空氣的工作溫度為 300 K。

邊界條件設置：流體域的上邊界設置為壓力入口邊界，絕對壓力為101 325 Pa，溫度為300 K。流體域的下邊界設置為絕熱壁邊界。 流體域的周圍邊界設為壓力出口邊界，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為恒壁溫邊界. 根據文獻[3]計算翅片管外表面的平均溫度，設固域外表面溫度為149.7 K。

6 解決

7 仿真結果分析

7.1 支腿高度對底部傳熱影響分析

對腿高h為0.8~2.0 m的空熱氣化爐與周圍環境的熱交換過程進行數值模擬，得到空熱氣化爐與周圍環境熱交換的溫度分布云圖。獲得不同腿高處的周圍環境。 當支腿高度分別為0.8、1.2、1.5、2.0 m時，截取z=0和y=0截面，仿真結果如圖5-8所示。 圖5-8中，色標右側的數值為z=0段和y=0段上的溫度值，對應單位為K。

圖5 支腿高度0.8 m仿真結果

圖6 支腿高度1.2 m仿真結果

圖7 支腿高度1.5 m仿真結果

圖 8 支腿高度2.0 m仿真結果

以圖5為例，當風熱汽化器與周圍環境熱交換達到平衡時，遠離設備區域的空氣溫度較高，與環境溫度接近，密度較低; 在外壁進行熱交換，溫度較低，密度較高。 由于密度差，空氣形成自上而下的流動，溫度較低的空氣向下流動，一部分停留在氣化爐底部，一部分向四周擴散。 支腿高度過低會導致空熱汽化器底部空間溫度過低，不利于設備底部的熱交換。

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，氣化爐底部空氣區溫度色標由綠色變為淡綠色，空氣溫度明顯升高； 但隨著支腿高度從1.2m增加到2.0m，氣化爐底部空氣區溫度色標顏色變化不大，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的模擬結果如圖5b-8b所示。 當支腿高度為0.8m時，氣化爐周圍較大空氣區域的溫度色標為黃色，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，有利于設備底部的熱交換。

7.2 空熱氣化爐底部溫度場評價指標

為了定量評價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指標。 需要選取一個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指標的計算平面。 本文選取y=0平面作為計算平面。

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

圖9 a在不同支腿高度下的計算結果

7.3 常溫蒸發器腿高最佳值

表1 支腿高度為0.8~2.0 m時b和Ad的計算結果

從表1可以看出，當腿高在1.50-1.55m范圍內時，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 結論

① 當常溫氣化器與周圍環境的熱交換達到平衡時，常溫氣化器周圍的空氣形成自上而下的流動，溫度較低的空氣向下流動，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，導致空熱汽化器底部空間溫度過低，不利于設備底部的熱交換。

②在設定的研究和設備選型條件下，支腿高度由0.8 m增加到2.0 m，計算平面上溫度場評價指標的絕對值增加了29.7%。 增加支腿高度對計算面溫度場的改善效果呈冪函數分布，即在工程支腿高度達到最優值之前，增加支腿高度可顯著提高計算面溫度。空氣加熱氣化器； 工程支腿高度取最優值后，增加支腿高度不能顯著提高計算面溫度。

③在設定的研究和設備選型條件下，本項目常溫氣化爐支腿高度最佳值出現在1.50-1.55 m范圍內。

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值模擬研究進展[J]. 低溫與超導, 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, 2013: 29-45.

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

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