一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法与流程

本发明属于低温热交换设备性能模拟方法，尤其涉及一种lng空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法。

背景技术：

1、lng(液化天然气)空温式气化器是一种从空气中吸收热量并将其传递给管内的低温lng使其相变气化为ng(天然气)的低温换热设备；与其他类型的气化器相比，其结构简单、经济性好、符合节能环保的要求，被广泛应用于lng接收站和气化站之中。但lng空温式气化器翅片管外表面容易受周围空气温度和湿度的影响，在气化过程中吸收周围热量导致周围环境温度降低，出现翅片管表面结霜现象，影响气化器的换热效果和气化性能；严重时会导致气化器受力不均，出现侧向拉力，导致管路破裂、lng泄漏，发生安全事故。

2、lng空温式气化器翅片管表面结霜主要由空气中水蒸气相变成固态结晶，其几何结构及堆积规律随着结霜进程而发生变化，是一个复杂的传热传质过程；在过去对lng空温式气化器的性能模拟中普遍忽视了结霜对气化器的影响，将环境空气简化为干空气理想气体；而实际的气化器在运行过程中，结霜对lng空温式气化器的性能有不可忽略的影响，会直接降低空气侧的传热系数，最高可达85％。而目前对于lng空温式气化器结霜的性能研究，一部分是针对单个翅片的局部区域进行非稳态的结霜数值模拟分析，虽然一些模型可以很好的预测霜层的生长情况，但考虑到模型的复杂性、计算时长和计算结果的收敛性，无法将模型应用于整个气化器的模拟中；另一部分研究是建立结霜传热数学模型，通过数值计算得出不同结霜时间下霜层对空温式气化器的总传热系数的影响，但这种方法，只能从计算出结霜条件下空温式气化器整体的性能变化，忽略了不同翅片管之间的相互影响，无法对气化器不同翅片管的传热性能和管内低温介质的传热性能进行分析。公开号为cn112580272a的发明专利提出了一种基于数值模拟的lng空温式气化器的优化设计方法；该方法首先采用经验公式等方法对lng空温式气化器进行初步设计，然后对初步设计的空温式气化器采用fluent软件进行模拟；虽然该方法考虑了翅片管根数对气化器的换热效率影响，但该方法将环境空气按照干空气进行处理，无法对结霜条件下的气化器性能进行计算。公开号为cn115114815a的发明专利提出了一种利用霜层表面性质预测冷表面结霜的模拟方法，通过使用欧拉多相流建立平板结霜工况的计算模型，使用udf对计算区域的控制方程进行反复迭代计算求解，模拟霜层增长情况；但该方法仅能模拟出霜层在平板局部区域的结霜程度，而无法得出结霜状态下整体换热设备的性能变化情况。另外结霜主要发生在液相段和两相段，在进行结霜状态下的模拟计算时需要考虑流固共轭传热的影响，但目前尚未有技术方法进行说明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种lng空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，考虑不同翅片管之间的相互影响以及翅片管结霜的影响，并耦合了气化器管内的气液相变流动传热以及流固共轭传热，模型更加贴合实际，模拟计算结果更加准确；将翅片管结霜的瞬态过程简化为准稳态过程，该方法可以节约大量的计算时长，计算效率和可靠性高。

2、一种lng空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

3、步骤一、对lng空温式气化器进行现场运行测试，测量现场环境温度t0、湿度h0和大气压力p0，测量某一运行时刻tn下的气化器进口处液化天然气的压力pin和气化器出口处天然气的压力pout、气化器进口处液化天然气的流速vin和气化器进口处液化天然气的温度tin，以及气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度ts、霜层温度tf，霜层厚度df和翅片管表面霜层外侧的空气流速va，所述的不同位置指的是每个形成结霜的翅片管翅片的外壁从上到下至少三个等距点位；

4、步骤二、通过数据处理软件将采集的所有形成结霜的翅片管在某个运行时刻tn下不同位置处的霜层温度tf、霜层厚度df和翅片管表面霜层外侧的空气流速va分别与翅片管外壁温度ts的数据拟合分析，通过最小二乘法得到某一运行时刻tn下的整个气化器的所有结霜翅片管外壁温度ts与霜层厚度df、霜层温度tf、翅片管表面霜层外侧的空气流速va的拟合关系式df＝fd(ts)＝a1ts2+b1ts+c1，tf＝ft(ts)＝a2ts+b，va＝fv(ts)＝a3ts2+b3ts+c3；公式中a1、b1、c1、a2、b2、a3、b3、c3分别为拟合出的常数；

5、步骤三、建立与某一运行时刻tn对应的lng空温式气化器结霜时的等效导热系数计算模型：将每单位长度的每根结霜翅片管在某一运行时刻tn增加的霜层热阻rf和该单位长度的翅片管的本体热阻ro的和等效为未结霜条件下该单位长度翅片管的导热热阻re，并将等效后的导热热阻re的等效导热系数λe表示为所述单位长度的结霜翅片管的翅片管外壁温度ts的函数，单位长度为气化器的几何网格划分时的最小网格的长度；

6、

7、公式中λ、din、dout、a2、a2'、a2”、am和β均为固定值；λ为气化器材料铝合金的导热系数；din为翅片管内直径，dout为翅片管外直径；a2为单位长度翅片管的管外表面积；a2'为单位长度翅片管的管外无翅片部分表面积；a2”为单位长度翅片管的管外翅片部分表面积；am＝l*[36/(λ*δ)]1/2，其中l为翅片高度，δ为翅片厚度；β为翅片管的肋化系数，β＝a0/a2，a0为翅片管的管内表面积，a2为翅片管的管外表面积；fv(ts)是霜层外侧的空气流速va的函数表达关系式，va＝fv(ts)，ts是气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度；z(ts)是霜层热阻rf的函数表达关系式，rf＝z(ts)＝df/λf＝fd(ts)/g(ts)，其中g(ts)是霜层导热系数λf的函数表达关系式，

8、步骤四、在仿真软件中建立lng空温式气化器整体几何模型，划分网格和计算域，选择物理模型和方程，设置所述的计算域的材料属性和边界条件，将气化器翅片管的等效导热系数λe作为气化器材料结霜时的导热系数，进行求解和初始化设置，然后进行模拟计算，具体如下：

9、s1：使用三维几何建模软件建立1:1比例的lng空温式气化器整体几何模型，然后通过有限元网格划分软件对整体几何模型进行网格划分和计算域划分；所述的计算域划分为lng流体域、气化器固体域和空气流体域三部分；所述的lng流体域为lng在气化器内部通道流动区域；所述的气化器固体域为气化器本体；所述的空气流体域为气化器本体外部的空气流动区域；

10、s2：将网格划分后的lng空温式气化器的整体几何模型导入流体分析软件中，且计算域采用所述的lng流体域、气化器固体域和空气流体域；将所述的lng流体域与气化器固体域之间的接触面，以及气化器固体域与空气流体域之间的接触面设定为interface面，并在interface设定中选择couple选项，使得对应的接触面可以完成热量传递；

11、s3：在所述的流体分析软件中启用重力模型、多相流模型、湍流模型、沸腾相变模型、连续性方程、动量方程、能量方程和组分运输方程，近壁面处理采用标准壁面函数法；所述的多相流模型采用mixture模型，湍流模型采用realizablek-ε湍流模型，沸腾相变模型采用蒸发冷凝lee模型；

12、s4：设置所述的计算域的材料属性：

13、在所述的流体分析软件中分别添加lng和ng流体材料，然后在所述的多相流模型中将lng流体材料设置为首项，并设置从lng到ng的相变，反应机理选择所述的蒸发冷凝lee模型；在所述的流体分析软件中添加铝合金固体材料，铝合金固体材料参数采用软件材料库中的物性数据，然后将铝合金固体材料的导热系数从固定值λ修改为分段多项式温度函数法表示，对于在结霜温度范围的气化器材料导热系数设置为等效导热系数λe＝f(ts)，对于在未结霜温度范围的气化器材料导热系数设置为固定值λ；在所述的流体分析软件中添加湿空气混合材料，所述的湿空气混合材料包含空气和水蒸气，湿空气混合材料的材料属性采用软件材料库中的物性数据；

14、s5：设置所述的计算域的边界条件：

15、所述的lng流体域出口设置为压力出口边界，压力的大小采用现场测试的气化器出口压力pout；所述的lng流体域进口设置为速度进口边界，速度和温度的大小采用现场测试的气化器进口流速vin和温度tin；位于气化器上方的空气流体域顶面和位于气化器四周的空气流体域的侧面设置为压力进口边界，压力和温度的大小采用现场测试的大气压力p0和环境温度t0，用于模拟空气湿度的空气流体域空气湿度大小按照现场测试的环境湿度设置；位于气化器底部的空气流体域底面设置为压力出口边界；

16、本步骤中所述的空气流体域定义为一个可以包围气化器的六面体，所述的六面体内部除气化器外的空间表示气化器外部的空气，空气流体域顶部、侧面和底面指整个气化器外面六面体的顶部、侧面和底面；

17、s6：采用所述的流体分析软件中的simple算法作为s1中划分的几何模型网格的求解方法并进行初始化设置，然后对步骤s1中建立的几何模型进行计算模拟；如果残差曲线收敛以及监测的ng出口温度和流速不再变化，则停止计算，输出气化器传热数值模拟结果数据；否则继续运行；

18、步骤五、将数值模拟输出的结果数据导入到后处理软件中进行分析，在后处理软件中显示出lng空温式气化器表面的温度云图、气化器管内lng流体域的温度云图、速度云图和组分云图，选取lng流体域出口截面，得到lng出口温度和出口流速，选取lng流体域组分云图，得到流体域中液相段、两相段和气相段的占比情况；并通过点选取或者截面选取，查看气化器表面不同位置点或截面处的温度、热通量等热力参数，从而直观的获取lng空温式气化器在结霜条件下的流固共轭传热特性和气化性能。

19、本发明的优点：

20、1.本发明提供的一种lng空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，将翅片管结霜的瞬态过程简化为准稳态过程，即在一定的运行时间步长内，认为该过程是稳定的；然后将不同运行时刻结霜条件下增加的霜层热阻和翅片管本体热阻的和等效为未结霜条件下气化器翅片管材料的导热热阻，将等效后的翅片管导热热阻的导热系数表示为翅片管外壁温度的函数；该方法实现了气化器在结霜状态下的整体性能模拟，并考虑了不同翅片管之间的相互影响，模拟结果更加准确，并可大幅度减少模拟计算时长，提高模拟效率。

21、2.本发明提供的一种lng空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，兼顾了气化器管内的气液相变流动传热以及流固共轭传热对气化器结霜条件下的性能影响，模型更加贴合实际，模拟计算结果更加准确，可用于气化器在结霜条件下的传热性能和气化性能模拟研究，以及对气化器的设计优化之中，具有较好的实用性。