[发明专利]一种管内超临界流体气化-管外膜状冷凝传热计算方法

说明书

本发明公开了一种管内超临界流体气化‑管外膜状冷凝传热计算方法，包括以下步骤：输入传热工艺与换热管参数；根据换热管长度划分换热微元，假设外壁过冷度初值；计算微元j外壁温度、管外冷凝传热系数及热负荷初值；计算微元j内壁温度、管内超临界传热系数；核算微元j热负荷；更新微元j外壁温度、管外传热系数；判断微元j传热计算是否收敛；计算微元j管内压降；计算微元j管内流体出口压力与温度；判断是否计算至最后一个微元；进入下一微元；完成计算。本发明可用于低温流体在超临界压力下气化时卧式换热器的传热校核计算，适用于流体进出口温差大、采用光滑换热管或不同类型强化传热管工况，计算精度高。

技术领域

本发明属于低温流体超临界传热技术领域，具体涉及一种管内超临界流体气化-管外膜状冷凝传热计算方法。

背景技术

将工业气体液化以液态形式储运、并在用户终端使其再气化的技术被广泛应用于液化天然气(LNG)、液氧、液氮、液氢、液态二氧化碳等领域，可大大节省储运空间、提高储运效率。低温流体气化器是实现该过程的关键装备之一。

由于全球范围内的能源危机和环境恶化，LNG工业快速发展。为满足LNG接收站气化低温LNG的需要，专利EP0550845B1提出一种开架式气化器(ORV)结构，通过将海水自上而下喷淋在板型换热管束外表面上，把能量传递给LNG使其气化；专利US3818893提出一种浸没燃烧式气化器(SCV)型式，将天然气燃烧后产生的高温烟气排入水浴池中加热并剧烈搅拌海水，浸泡在海水中的换热盘管内LNG被池水加热气化；US6164247提出一种中间流体式气化器(IFV)结构，将蒸发器、凝结器与调温器三组管壳式换热器组合起来，在蒸发器中用海水加热壳程的低沸点中间介质使其气化，在凝结器中间介质管外冷凝提供热量气化管内的LNG，在调温器中LNG被进一步加热以达到要求的温度。目前，ORV、SCV与IFV已成为世界范围内广泛应用的三种基本负荷型LNG气化器。

IFV是一种具有广泛应用潜力的低温流体气化设备。IFV相比于ORV，它避免了用海水直接气化LNG时可能带来的结冰问题，且适用于海水含沙量较高的水域，因而适应性更强。IFV相比于SCV，它不需要额外燃烧天然气，因而能效更好，且没有CO₂、NO_x等环境污染问题。由于IFV的组合式气化结构设计，它可用于海水水质较差的陆上LNG气化终端、空间和重量受限的海上浮式储存与气化平台、以及冷能发电系统等不同场合。

为进一步提升IFV在工程应用中的技术优势，专利US6164247提出在蒸发器/冷凝器共用的壳体内设置分隔板和支撑板，以适应海上平台晃荡工况，保持稳定的气化效率；专利US6367429B2提出当采用工业回收热水作为热源时，可将蒸发器设计成两管程或多管程，以使结构更紧凑；专利US6367265B1提出在凝结器管箱中设置LNG喷雾冷却装置，以降低IFV启动或低负荷运行时的温差应力；专利US20160146403A1提出凝结器采用管外带翅片或沟槽的强化传热管，以强化中间介质的管外冷凝传热过程。

由于IFV采用组合式气化结构、设备紧凑、LNG温度及物性变化范围大，无法采用现有商业软件直接设计。文献中主要采用分布式参数模型(DPM)进行设计型和校核型计算。该方法是将IFV各传热段沿管长方向划分成多个微元，对每个微元进行能量衡算和总传热系数核算，其假设整个换热过程是稳态的、不存在向环境的漏热。文献中一般将各传热段均按单管程、单壳程处理，并忽略压降。例如，文献[大型LNG中间介质气化器换热面积计算方法,天然气与石油,31,31-35,2013]提出了超临界工况下IFV各传热段换热面积计算方法；文献[Thermal performance analysis of intermediate fluid vaporizer for liquefiednatural gas,Applied Thermal Engineering,65,564-574,2014]对超临界工况IFV进行了校核型计算，分析了海水进口温度与流量、LNG进口压力与流量等工艺参数对传热特性的影响。