邓志安姜晨薇张雪婷梁　逍杨　帆

1.西安石油大学 2.中国石化销售有限公司陕西咸阳石油分公司



超级开架式气化器新型传热管内流场及对流换热的数值模拟

邓志安1姜晨薇1张雪婷1梁逍1杨帆2

1.西安石油大学 2.中国石化销售有限公司陕西咸阳石油分公司

邓志安等. 超级开架式气化器新型传热管内流场及对流换热的数值模拟. 天然气工业, 2016,36(4):90-95.

摘 要超级开架式气化器（SuperORV）新型传热管主要是在普通传热管的内管中加入了十字螺旋扰流杆，以强化传热管的换热效果。为了研究该装置的换热效率，建立了与新型传热管和普通传热管相对应的数学和模型物理模型，采用数值模拟的方法对两种传热管内流场及对流换热性能进行了对比分析，得到了传热管内流道的努赛尔数随入口速度的变化图，以及传热管不同位置处温度和传热系数的分布规律。通过对现有实验进行数值模拟，对比分析了模拟结果与实验结果。结果表明：①FLUENT数值模拟方法能准确描述传热管的传热特性；②十字螺旋扰流杆的存在，不仅能够加强流体的湍流强度，而且还能有效减小边界层厚度，产生强烈的二次流，加强了流体在径向上的热交换，提高了传热管的整体换热能力；③流体入口速度与努赛尔数的增长幅度呈正比，传热系数随着温度的升高而增加，在相同的雷诺数下，新型传热管内流体的平均温度明显高于普通传热管内流体温度。该研究成果能够为超级开架式气化器国产化进程提供参考。

关键词超级开架式气化器 螺旋扰流杆 强化传热 数值模拟 传热系数 温度分布 换热效能

开架式气化器（ORV）是采用海水作为热源的气化器，因其具有操作简单、运行成本低、生产安全、工作负荷可调等优点而被广泛应用。ORV在运行过程中，由于LNG温度过低（－163 ℃），会使得海水温度急剧下降，为了避免板型管束下部特别是集液管外表面结冰，提高气化器的换热性能，在传统ORV基础上，开发出了SuperORV。相关资料表明[1]：SuperORV单根换热管的气化能力可以提高3倍左右，而海水用量、建造成本和安装所需空间则可分别减少15％、10％和40％。

自2007年SuperORV技术首次应用于日本大阪的Senboku LNG接收终端并取得成功后，近年来对SuperORV的应用正逐步增多，Sekiguchi等[2-3]开发了一种高性能低成本的ORV设计方法，并采用该方法进行了低成本的紧凑型ORV设计。Hisada等[4]通过数值分析对ORV传热管进行了传热设计，得出了ORV传热管的最佳型式，建立了完整的ORV优化设计方法并开发了一种可靠的具有低制造成本和良好运行性能的ORV。张尚文[5]对ORV的结构和工作原理、LNG组分及物性、换热管结构及工艺设计等进行了分析介绍。Morimoto等[6]和Yamazaki等[7]分别对SuperORV的结构、工作原理、传热特性和发展现状进行了深入分析。尽管对SuperORV的应用逐步增多，但是对SuperORV的研究仍然不多，大多数研究工作仍是针对ORV展开的。笔者建立了一种改进的SuperORV新型传热管模型，并采用数值模拟方法分析、探讨了SuperORV新型传热管的换热效果。

1 物理模型的建立

超级开架式气化器新型传热管（以下简称为B管），是在超级开架式气化器普通传热管（以下简称为A管）的基础上，对内套管流道加以改进，在其内增加了一个十字螺旋扰流杆（图1），图2为其结构示意图，图2中a为37.6 mm，b1为56.2 mm，b2 为42.8 mm，b3为53.6 mm。

图1　螺旋扰流杆示意图

图2　SuperORV传热管的结构示意图

2 计算模型

2.1 控制方程

各控制方程[8]的表述如下（i，j = 1，2，3）。

2.1.1 连续方程

式中ρ表示流体的密度；t表示时间；xi表示i方向；ui表示流体速度沿i方向的分量。

2.1.2 动量守恒方程

式中xj表示j方向；uj表示流体速度沿j方向的分量；p表示静压力；τij表示应力矢量；ρgi表示i方向的重力分量；Fi表示能源及阻力引起的其他能源项。

2.1.3 能量守恒方程

式中h表示传热系数；k表示湍动能；kτ表示湍流传递引起的传导率；T表示热力学温度；Sh表示定义的体积源。

2.2 湍流模型

由于新型传热管内加装了十字螺旋扰流杆，甲烷流体在超级开架式气化器新型传热管内的流动会发生复杂的旋流以及多尺度二次流。因此，采用Realizable k-ε模型作为湍流模型。

2.2.1 湍动能k方程

式中σk表示k方程的湍流Prandtl数；μ表示层流黏性系数；μτ表示湍流黏性系数；K表示分子热导率；Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb表示由浮力而产生的湍流动能；ε表示耗散率；Ym表示由扩散产生的波动；Sk表示控制方程的源项。

2.2.2 湍流耗散率ε方程

式中τ表示应力；σε表示ε方程的湍流Prandtl数；C2ε表示常量、C1ε表示常量、C3ε表示常量；Sε表示控制方程的源项。

其中

2.3 网格划分

运用ANSYS ICEM CFD对模型进行网格划分，采用有限容积法对计算区域进行离散化，采用正四面体和六面体结合的方式进行分块划分。考虑到边界层的影响，对近壁面处进行了网格加密处理，能更准确地反映近壁面处流体的流动及传热特性（图3）。通过对网格的不断测试及改进，最终得到了新型传热管和普通传热管的网格数分别为150万个和170万个。

图3　模型剖面网格示意图

2.4 求解及边界条件的设置

为了研究气化器内超临界甲烷沿竖直管向上流动的相变传热过程，应用压力基求解器和Realizable k-ε模型，压力和速度耦合采用SIMPLE方法[9]，动量方程、能量方程、湍流耗散率方程以及湍动能方程均采用二阶迎分差格式[10]，甲烷在超临界条件下的物性参数采用分段多项式拟合的方法处理，通过FLUENT的UDF[11]给定。UDF根据物性参数拟合方程自编的程序，采用C语言编写，使用DEFINE宏来定义，加载不同工况下甲烷的不同物性参数，使其动态地与FLUENT求解器连接进行求解。

边界条件的设置如下：①管内介质为液体甲烷[12-13]（质量分数为95％，故作为替代工质）；②管材为铝合金；③进口温度为130 K，速度入口边界条件为0.2～2.0 m/s；④压力出口边界条件为5～8 MPa；⑤无滑移固定壁面，外翅海水侧液膜的换热系数为5 800 W/（m2·K），该数据来自与该类气化器有关的参考文献[14]。

3 模拟结果及分析

3.1 管内流场分析

流体进口速度为1 m/s时，A管和B管在沿传热管轴线0.2 m截面处的速度矢量局部分布见图4。

从图4可以看出，B管中花瓣状流道内的流体速度较A管分布均匀，且中心流域和近壁面流体流速的差异较A管小。由于螺旋扰流杆的离心作用，B管中的径向运动明显增强，加大了流体的扰动，从而改善了A管中内管壁面处形成的较厚黏性底层，没有形成滞留区，使B管整个管道的换热效率得到大幅度增强。

雷诺系数为10 000时两种流道出口处截面的速度场局部云图见图5。

图4　流道中间截面处速度矢量局部分布图

图5　传热管出口处速度场局部云图

与图5-a中A管花瓣状流道和内管流道主流速度场呈现的同心圆相比较，B管内由于受到扰流杆的扰流作用，产生旋流以及垂直于主流的二次流，增强了流体在径向的混合力度及湍流强度，从而削弱了温度边界层厚度，使换热效率得到提高。此外，A管中内管壁面处的滞留现象在B管中也得到了很好的改善。

3.2 努赛尔数与流速的关系分析

图6是相同进口速度下，A、B管内管流道的努赛尔数（Nu）随进口速度（v）的变化图。从图6可以看出，B管内管的Nu明显大于A管，且其增加的幅度随着入口速度的增大而增大。B管内的十字螺旋扰流杆促使流道内温度分布呈现较均匀状态，同时提高了近壁面处边界层的温度梯度。同时，扰流产生得二次流使得径向扰动程度增强，增大了流体的湍流度，进一步破坏了边界层，近壁面近乎滞留态的流体逐步过渡为核心流扰动，使更多流体参与换热，提高了对流换热效果，增强了管内流体的换热效率。

图6　两种流道的努赛尔数随进口速度变化图

3.3 综合换热性能分析

图7所示为A、B管在雷诺系数为10 000时管中不同位置流体加热过程中温度沿管长方向的分布情况。从图7可以看出，A、B管温度沿管长方向升高的程度有所差异，B管内管流道中流体的平均温度较A管高，而内管流道壁面平均温度较A管有所下降，且偏向管内低温流体。说明B管内扰流杆使得花瓣状流道内的热量能够更好地传入到内管流道中，改善了A管中管壁处形成较厚黏性底层阻碍了热量传递的现象。此外，当流体流至管长0.1 m后，花瓣状流道内的流体温度基本保持在一个比较稳定的温度上，验证了SuperORV利用环状间隙中的流体保温以缓解管道外壁因温度骤降而结冰的状况。

图7　A、B管不同位置的平均温度分布图

压力为5 MPa、雷诺系数为10 000时，超级开架式气化器新型传热管与普通传热管传热系数的分布情况见图8。随着管内主流温度的升高，B管十字螺旋扰流管和A管内管的换热系数均升高，且B管十字螺旋扰流管的传热系数较A管内管的传热系数大，说明B管的十字螺旋扰流管引起的扰流作用加强了管内两侧流体的换热，提高了传热管的换热效率。同时，当温度上升到160 K后，传热系数随之上升并保持在一个较稳定的状态，说明此后管道内流体的温度变化较为稳定，这也与图5-b中温度随管长的分布规律一致。

图8　A、B管的传热系数分布规律图

从传热系数（h）沿管长（L）的变化规律（图9）可以看出，A管和B管换热系数均沿管长方向逐渐减小，结合图7可以看出，沿管长方向换热管的传热量虽然增加了，但是传热系数降低。因此换热效率也随之降低，故并不是换热管越长越好。

图9　传热系数沿管长的变化图

4 数值模拟结果正确性验证

为了验证新型传热管强化传热数值模拟方法的正确性和可靠性，对本文参考文献[15]中的压力为23 MPa、质量流速为458.8 kg/（m2·s）的工况进行了数值模拟，通过比对数值计算结果与实验结果来验证数值模拟手段的可靠性。

根据本文参考文献[15]建立内径为10 mm、壁厚为3 mm、长为2.5 m的垂直圆管模型，采用非结构自动体网格进行网格划分，并在壁面处进行网格加密处理。图10为圆管内不同热流密度情况下，压力为23 MPa时内壁温度及传热系数随主流温度变化的数值计算结果，与本文参考文献[15]中的实验结果相近。其中，tb表示主流温度，tw表示内壁温度。

从图10可以看出，质量流速为458.8 kg/（m2·s）的工况下，在入口不远处便出现温度急剧升高、传热恶化的现象。这主要是由于热流密度较大，近壁面温度较快地达到拟临界温度，此时在壁面处流体的密度较大，形成了阻碍热量传递的黏性底层且流速慢，甚至形成滞留区包覆在壁面上，从而导致传热恶化、壁面温度突升。当到达拟临界点时出现传热强化现象，且其强化传热效果随热流密度的增加逐渐减小，传热系数降低。但传热恶化和强化现象均在发展一段时间后恢复。总之，随着热流密度升高，管内壁温度升高，传热系数减小，传热特性逐渐变差。因此，减小热流密度能改善传热效果，降低壁面温度。

以上结论与本文参考文献[15]中的实验结果相符，表明采用FLUENT数值模拟的方法能够准确地描述传热管的传热特性。

5 结论

1）超级开架式气化器新型传热管内流道增加了十字螺旋扰流杆，不仅增大了换热面积，还具有一定的扰流作用，提高了传热管的换热效果。

2）流体入口速度越大，超级开架式气化器新型传热管努赛尔数的增长幅度越大，其换热效果比普通传热管的换热效果越好。

3）在相同雷诺数的条件下，新型传热管内流道的流体温度明显高于普通传热管内管的流体温度，且管壁温度趋于内流道温度。花瓣状流道内的温度升至一定位置后保持较稳定的状态，验证了SuperORV利用环状间隙中的流体保温以缓解管道外壁因温度骤降而结冰的状况。

4）换热管并非越长越好，沿着管长方向虽然传热量增加，但是换热系数减小，换热效率降低。

5）随着温度的升高，超级开架式气化器传热管传热系数逐渐增加，且新型传热管的传热系数大于普通传热管的传热系数；当温度上升至165 K后，管道内流体的温度将保持在一个较为稳定的范围内。

参 考 文 献

[1] 陈永东, 陈学冬. LNG成套装置换热器关键技术分析[J]. 天然气工业, 2010, 30(1): 96-100. Chen Yongdong, Chen Xuedong. Technology analysis of heat exchanger in large LNG plant and terminal[J]. Natural Gas Industry, 2010, 30(1): 96-100.

[2] Sekiguchi M, Hisada N. Development of optimum design method and high performance ORV for cost down[C]//The 13thInternational Conference & Exhibition on LNG, LNG13 Poster Session, 2001.

[3] Sekignchi M, Hisada N. Achievement of drastic downsizing and cost reduction for LNG open rack vaporizers by using optimum design methods[C]//The 22ndWorld Gas Conference, 2003.

[4] Hisada N, Sekiguchi M. Design and analysis of open rack LNG vaporizer[C]//Proceedings of Design and Analysis of Pressure Vessels, Heat Exchangers, and Piping Components, 25-29 July 2004, San Diego, California, USA.

[5] 张尚文. 液化天然气开架式气化器工艺研究和设计[J]. 石油化工设备, 2012, 41(3): 25-29. Zhang Shangwen. Process study and design liquefed natural gas open rack vaporizer[J]. Petro-Chemical Equipment, 2012, 41(3): 25-29.

[6] Morimoto N, Yamamoto S, Yamasaki Y, Shimokawatoko T, Shinkai K, Egashira S, et al. Development and practical application of a high performance open-rack LNG vaporizer (SuperORV)[R]. Osaka: Osaka Gas Co., Ltd., 2003.

[7] Yamazaki K, Shimokawatoko T, Yamasaki Y. Development of a new type of open-rack LNG vaporizer[R]. Osaka: Osaka Gas Co., Ltd. & Kobe Steel, Ltd., 2003.

[8] 孙帮成, 李明高. ANSYS FLUENT 14.0仿真分析与优化设计[M]. 北京: 机械工业出版社，2014. Sun Bangcheng, Li Minggao. ANSYS FLUENT 14.0 simulation analysis and optimization design[M]. Beijing: China Machine Press, 2014.

[9] 李军, 王晨, 桑芝富, 史永红. 强化热管管内传热及阻力性能的数值研究[J]. 石油机械, 2009, 37(2): 37-40. Li Jun, Wang Chen, Sang Zhifu, Shi Yonghong. Numerical studies of heat transfer and resistance performance in strengthening heat pipe tube[J]. China Petroleum Machinery, 2009, 37(2): 37-40.

[10] Wang CC, Chi KY, Chang YJ. An experimental study of heat transfer and friction characteristics of typical lower fn-and-tube heat exchangers[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 1998, 41(4): 817-822.

[11] 周俊杰，徐国权，张华俊. FLUENT工程技术与实例分析[M].北京: 中国水利水电出版社，2010. Zhou Junjie, Xu Guoquan，Zhang Huajun. FLUENT software engineering techniques and case analysis[M]. Beijing: China Water Power Press, 2010.

[12] Miana M, Del Hoyo R, Rodrigalvarez V, Valdes JR, Llorens R. Calculation models for prediction of liquefed natural gas ageing during ship transportation[J]. Applied Energy, 2010, 87(5): 1687-1700.

[13] 余美玲. 新型开架式内螺旋管汽化器的数值模拟和优化[D].广州: 华南理工大学, 2012. Yu Meiling. Numerical simulation and optimization of a new open-frame vaporizer with inner spiral tubes[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012.

[14] 顾安忠. 液化天然气技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004. Gu Anzhong. The liquefed natural gas technology［M］. Beijing：China Machine Press, 2004.

[15] 王飞, 杨钰, 顾汉洋, 赵萌, 李虹波, 卢东华. 垂直管内超临界水传热实验研究[J]. 原子能科学技术, 2013, 47(6): 933-939. Wang Fei, Yang Yu, Gu Hanyang, Zhao Meng, Li Hongbo, Lu Donghua. Experimental research on heat transfer performance of supercritical water in vertical tube[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(6): 933-939.

(修改回稿日期 2016-01-10 编 辑 何 明)

Numerical simulation analysis on the fow feld and convection heat transfer in a new heat transfer tube of SuperORV

Deng Zhi'an1, Jiang Chenwei1, Zhang Xueting1, Liang Xiao1, Yang Fan2
(1. Xi’an Shiyou University， Xi’an, Shaanxi 710065, China; 2. Shaanxi Xianyang Petroleum Company of Sinopec Sales Co., Ltd.， Xi’an, Shaanxi 710065, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 4, pp.90-95, 4/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Abstract:A new heat transfer tube of SuperORV (super open rack vaporizer) is developed by adding a Phillips screw spoiler lever to the inner tube of the traditional heat transfer tube to strengthen the heat transfer efficiency. Mathematical and physical models corresponding to the new and the traditional heat transfer tubes were built to study the heat transfer efficiency of this new device. Two types of heat transfer tubes were compared in terms of their flow fields and convection heat transfer performances by means of numerical simulation. As a result, the relationship diagram of inlet velocity vs. Nusselt Number of flow path in heat transfer tubes was worked out, and the distribution laws of temperature and heat transfer coefficient at different positions of heat transfer tubes were drawn. After numerical simulation was carried out on the existing experiments, simulation results and experimental data were compared and analyzed. It is shown that based on the FLUENT numerical simulation method, the heat transfer characteristics can be described accurately. By virtue of screw spoiler levers, not only the turbulence intensity of the fluid is enhanced, but the boundary layer thickness is reduced effectively with a strong secondary flow, so the radial heat exchange of the fluid is strengthened and the overall heat transfer capacity of heat transfer tubes is improved. Inlet flow velocity is proportional to the increasing rate of Nusselt Number, and heat transfer coefficient increases with the rise of temperature. With the same Reynolds number, the average temperature of the fluid inside the new heat transfer tube is significantly higher than that in the traditional transfer tube. These results provide reference for the localization of SuperORV.

Keywords:SuperORV; Screw spoiler lever; Enhanced heat transfer; Numerical simulation; Heat transfer coefficient; Temperature distribution; Heat transfer efficiency

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.04.014

基金项目：国家自然科学基金项目“开架式气化器新型传热管强化传热机理研究及结构优化”（编号：51304160）。

作者简介：邓志安，1962年生，教授，博士；主要从事油气储运方面的教学与科研工作。地址：（710065）陕西省西安市西安石油大学石油工程学院。电话：（029）88382673，18629351539。ORCID:0000-0003-0459-3088。E-mail:1064514507@qq.com