第一作者单位：哈尔滨工业大学建筑学院
摘自 2021 年 6 月期的《燃气与热力》
1 概述
目前，LNG空热气化炉（以下简称空热气化炉）的数值研究主要集中在以下几个方面：应用数学理论和数值模拟分析管外霜层的生长，以及霜层内的温度处于不稳定状态。 分布，基于焓法LB相变模型，相关疏水壁面抑霜数值模拟研究，管外环境及气化炉结构对气化炉结构影响的三维数值模拟研究空气自然对流换热、气化器管内低温液态工质相变换热及其影响因素的数值研究[1]. 空热式气化炉设备的安装高度尚无报道。
风热式气化炉设备底部（翅片管下端所在平面）距地面的高度为设备基础暴露于地面的高度与设备支腿高度之和，即在本文中称为腿的高度。 常温蒸发器的支腿高度决定了底部换热空间的大小，换热空间的大小影响设备底部的换热效果。 理论上，如果支腿高度过低，空气加热气化炉底部的温度分布会过低，从而加剧空气加热气化炉周围的起雾。 雾气会降低风热汽化器周围的能见度冷雾管8mm，不利于工人操作。 雾大时，甚至会发生冻伤事故。 在常温气化器不断大型化的背景下，支腿高度过高，在设备结构稳定性方面需要加大投入。 因此，选择合适的常温气化炉腿高对LNG气化站的建设和运行管理具有重要意义。
2 问题描述和假设
空热式环境空气通过翅片管壁与管内低温LNG进行热交换，达到气化LNG的目的。 由于与LNG进行热交换，设备周围的空气温度降低，密度增加，远离设备的空气存在密度差。 在密度差的驱动下，空气形成自上而下的流动。 研究了腿高h为0.8～2.0 m条件下空热气化炉周围温度场的分布情况，提出了底部温度场的评价指标。 分析研究有利于空热式气化炉气化炉换热支腿高度的最佳取值范围。
为了研究空热气化炉底部空间的温度场，需要建立包括空热气化炉在内的空间传热数值模拟模型。 在本文中，简化建模基于以下假设[2]：
① 整个换热过程是一个充分发展的稳态自然对流换热。
② 只研究了翅片管与空气侧之间的自然对流换热，没有研究翅片管内部的换热和管壁的热传导。
③空热式气化炉单根翅片管的结构尺寸较大，计算面积很小，可简化为一个边长与翅片管相切的长方体。
④ 空温汽化器在与周围环境进行热交换时，翅片管外壁的温度视为一个恒定值。
⑤ 忽略介质的辐射传热和粘性散热。
⑥ 不考虑空气中水蒸气凝结、结霜等相变热的影响，将环境流动介质视为干燥空气，初始温度分布均匀。
⑦ 忽略设备基础和设备支腿所占空间。
3 几何模型
本文以QQ-5000G-01常温汽化器为例，仅研究翅片管外壁与周围空气的自然对流换热。 常温汽化器立式安装，长3.287m，宽2.715m，高9.387m。 它由120根星形铝合金翅片管按10×12排列组成。 单个翅片管的翅片数量为8片，翅片高度为63mm，翅片厚度为2mm，翅片长度为8m，两翅片夹角θ1和θ2分别为分别为36.87°和53.13°，圆管外径为32mm，圆管壁厚为2mm。 考虑到本文主要研究气化炉底部的温度场，而翅片管的实际传热过程十分复杂，如果不对翅片管进行简化，将给数值模拟带来很大困难。 因此，基于上述假设③，将每根翅片管简化为一个长方体，单个翅片管的简化顶视图如图1所示。长方体长0.141 m，宽0.141 m，长方体高度等于翅片管的高度，即 8 m。 空气温度蒸发器的简化俯视图如图2所示，相邻长方体最近的外壁之间的距离为0.145 m。 实验验证了简化气化炉底部流体域的温度分布符合实际，数值模拟结果是可行的。
图1 单翅片管顶视图
图 2 常温气化器顶视图
使用19.0建立几何模型，包括常温气化器形成的固体域和周围空气形成的流体域。 流体域包括翅片管之间的空气和空气加热气化器外部的空气。 坐标系的xOz平面位于立体域底端面上，底端面中心为坐标原点O，底端面外轮廓为矩形，x轴沿矩形长边方向，z轴沿矩形短边方向，y轴沿实体域高度方向，y轴正方向为向上。 传热几何模型如图3所示。图3中蓝色部分为流体域，红色部分为固体域。 流体域的顶部比固体域的顶部高1 m，流体域的底部比固体域的底部低等于腿高的距离。 常温气化炉的腿高最初取14个值：0.8m、0.9m，从0.9m到1.4m、1.5m、2.0m取高度0.05m。 经分析，距气化炉底部2.0m以上的空间对气化炉底部传热影响不大。 因此，为减少计算量冷雾管8mm，对于y大于等于2.0 m的流体域，其周围边距固体域最外表面3.0 m； 对于y小于2.0 m的流体域，其长度和宽度分别取其长度和宽度的6倍，该范围内流体域的长度和宽度分别为19.722 m和16.290 m。
图3 传热几何模型
4 网格划分
将构建的几何模型导入ICEM 19.0，创建整体块，根据该传热几何模型的特点对块进行分割，并删除实体域所在区域的块，形成几何模型与模型之间的映射块，并划分结构化网格。 仅对流体域和固体域的外表面进行网格划分，整个模型采用六面体网格，但减小了围绕固体域的流体域块边界节点之间的距离，并进行了局部致密化。 经过网格独立性试验，确定了传热几何模型的网格划分方案，z=0平面几何模型的网格如图4所示。
图 4 z=0 平面几何模型网格
5种不同的设置
采用ANSYS 19.0软件进行计算，求解器设置为，（2），3D-。
模型设置：求解动量和能量控制方程，湍流模型为k-ε模型，近壁面为标准壁面函数。
材料设置：空气的热物理参数，包括密度、比热容、动力粘度和导热系数，根据文献[2]通过多项式拟合进行修正。
运行条件设置：重力场沿y轴负方向，重力加速度为-9.81 m/s2。 空气的工作温度为 300 K。
边界条件设置：流体域的上边界设置为压力入口边界，绝对压力为101 325 Pa，温度为300 K。流体域的下边界设置为绝热壁边界。 流体域的周围边界设为压力出口边界，绝对压力为101 340 Pa。固体域的顶边界、底边界和外表面的周围边界均设为恒壁温边界. 根据文献[3]计算翅片管外表面的平均温度，设固域外表面温度为149.7 K。
6 解决
7 仿真结果分析
7.1 支腿高度对底部传热影响分析
对腿高h为0.8~2.0 m的空热气化炉与周围环境的热交换过程进行数值模拟，得到空热气化炉与周围环境热交换的温度分布云图。获得不同腿高处的周围环境。 当支腿高度分别为0.8、1.2、1.5、2.0 m时，截取z=0和y=0截面，仿真结果如图5-8所示。 图5-8中，色标右侧的数值为z=0段和y=0段上的温度值，对应单位为K。
图5 支腿高度0.8 m仿真结果
图6 支腿高度1.2 m仿真结果
图7 支腿高度1.5 m仿真结果
图 8 支腿高度2.0 m仿真结果
以图5为例，当风热汽化器与周围环境热交换达到平衡时，远离设备区域的空气温度较高，与环境温度接近，密度较低; 在外壁进行热交换，温度较低，密度较高。 由于密度差，空气形成自上而下的流动，温度较低的空气向下流动，一部分停留在气化炉底部，一部分向四周扩散。 支腿高度过低会导致空热汽化器底部空间温度过低，不利于设备底部的热交换。
z=0截面的温度分布，支腿高度为0.8～2.0 m的模拟结果如图5a～8a所示。 随着支腿高度由0.8m增加到1.2m，气化炉底部空气区温度色标由绿色变为淡绿色，空气温度明显升高； 但随着支腿高度从1.2m增加到2.0m，气化炉底部空气区温度色标颜色变化不大，空气温度变化不大。 y=0截面的温度分布和腿高0.8-2.0 m的模拟结果如图5b-8b所示。 当支腿高度为0.8m时，气化炉周围较大空气区域的温度色标为黄色，温度较低； 随着支腿高度从0.8m增加到2.0m，气化炉周围温度色标黄色空气的面积逐渐变小，气化炉周围空气温度逐渐升高。 因此，支腿高度的增加可以提高气化炉底部和周围空气的温度，有利于设备底部的热交换。
7.2 空热气化炉底部温度场评价指标
为了定量评价空热气化炉底部温度场的分布情况，本文提出空热气化炉底部温度场评价指标。 需要选取一个最能反映空热气化炉底部温度场分布的平面，该平面即为底部温度场评价指标的计算平面。 本文选取y=0平面作为计算平面。
计算空温气化器的a，a在不同腿高下的计算结果如图9所示。从图9可以看出，当腿高h从0.8m增加到2.0m时，a从55.4% 到 85.1%，变化（绝对值）为 29.7%。 风热式汽化器支腿高度的增加，可以大大提高风热式汽化器底部周围的空气温度，优化设备的传热性能。
图9 a在不同支腿高度下的计算结果
7.3 常温蒸发器腿高最佳值
表1 支腿高度为0.8~2.0 m时b和Ad的计算结果
从表1可以看出，当腿高在1.50-1.55m范围内时，b等于0.5%。 因此，工程中支腿高度的最佳取值范围为1.50～1.55m。
8 结论
① 当常温气化器与周围环境的热交换达到平衡时，常温气化器周围的空气形成自上而下的流动，温度较低的空气向下流动，一部分停留在气化炉底部。 它的一部分散布在周围。 支腿高度过低，导致空热汽化器底部空间温度过低，不利于设备底部的热交换。
②在设定的研究和设备选型条件下，支腿高度由0.8 m增加到2.0 m，计算平面上温度场评价指标的绝对值增加了29.7%。 增加支腿高度对计算面温度场的改善效果呈幂函数分布，即在工程支腿高度达到最优值之前，增加支腿高度可显着提高计算面温度。空气加热气化器； 工程支腿高度取最优值后，增加支腿高度不能显着提高计算面温度。
③在设定的研究和设备选型条件下，本项目常温气化炉支腿高度最佳值出现在1.50-1.55 m范围内。
参考：
[1] 张建文，孙艳云，江宇，等． 空气浴翅片管气化炉传热性能数值模拟研究进展[J]. 低温与超导, 2016(11): 75-79.
［2］罗东林． LNG气化炉冷雾的形成与治理研究（硕士论文）［D］． 广州: 华南理工大学, 2013: 29-45.
[3] 李岚． LNG常温汽化器结霜条件下传热研究（硕士学位论文）[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015: 52-57.
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