LNG 蓄能换热器的优化设计与试验分析

摘  要： 

液化天然气（LNG）只有在汽化后才能被充分利用，在汽化过程中会释放大量的冷能，本文设计了一种具有蓄能腔的蓄能换热器来利用这些冷能，利用 ICEPAK 仿真软件对其进行热仿真分析，探究其换热及蓄能性能。同时，本文优化设计了工艺流程，使质量流量为30 kg/h

的LNG能够满足3 k W的空调连续工作1.5 h，由此，蓄能换热器将LNG冷能的储存和转换集中在同一个设备内，提高了冷能利用率。

关键词：液化天然气；ICEPAK；蓄能换热器；热仿真

1前言

国内对于LNG的研究起步于20世纪90年代，随着冷能技术的不断发展，LNG在军事上的应用越来越广泛，越来越多的燃气轮机被应用于军舰中。LNG作为一种高效洁净的能源，在为军舰提供动力的同时还可以降低对海洋环境的污染。但是，LNG 在汽化过程中会释放大量的冷能，如果这部分冷量不能够被充分利用，将会造成极大的能源浪费。因此，深入研究LNG 冷能利用技术具有重大的意义［1］；同时，在某些特殊情况下，军舰上的电力系统可能会出现问题，此时若不能及时恢复供电则会导致空调等制冷设备无法 正常工作，这将造成难以估计的损失，若能将LNG的冷能进行储存作为备用能源，可以有效地解决上述问题［2］。本文从能源利用角度入手，利用ICEPAK热仿真软件研究一种新型LNG蓄能换热器，通过试验加以验证，并将该换热器应用于制冷设备中，使储存的冷能可以供一台3 k W的空调连续工作 1.5 h。

2  LNG 蓄能冷换热原理与工艺计算

2.1  蓄能换热原理

LNG常压下温度很低，如果直接和空气进行热交换会导致空气中的二氧化碳和水蒸气结冰直接影响换热效果。因此，为了提高LNG冷能的利用效率，需要对LNG 换热系统进行优化设计。原理如图1，该系统采用65号航空冷却液（冰点为 -55 ℃）作为储冷液，将 LNG

释放的冷量进行储存。采用浓度为55%的乙二醇溶液（冰点为-41℃）作为取冷液［3］，将

LNG 的冷量通过储冷液间接提取并输送至用冷设备中，从而实现LNG冷能的回收利用［4］。

2.2  工艺计算

LNG通常存储在-141℃的储罐中（压力为0.2~0.4MPa），当液化天然气转化为气态天然气时，必然会释放大量的冷能。LNG汽化过程中潜热与显热交换温差为150~180 ℃，LNG潜热为515 k J/kg，比热容为2.14k J/(kg·℃ )［5］。通过蓄冷剂（65 号航空冷却液）的热负荷Q为:

式中

  r ——熔解潜热；Cp——比热容；t1-t2 ——温度差；m——LNG的质量，m=ρv；

η ——换热效率；ρ——密度；v ——体积；

其中，65号航空冷却液的物理性质和60%乙二醇水溶液相似，乙二醇作为重要的取冷剂，其物理性质如表1 所示［6］。

根据式（1）计算可知：供一台功率为3 k W的空调连续工作1.5 h所需65号航空冷却液的体积约25 L［7］。

3  LNG 蓄能换热器结构

LNG蓄能换热器采用新型的板式结构，与传统的换热器相比具有明显的特点。首先该结构可以实现LNG、乙二醇溶液和65号航空冷却液这3种流体的换热；其次蓄能换热器采用模块化设计，使蓄能换热器的安装及操作不需要借助其他的外部动力设备，大大降低了生产成本和操作难度，同时有效地减轻了设备的重量；最后焊接工艺采用较为先进的扩散焊，为提高扩散焊的焊接质量，在蓄能换热器中设计有4个规格相同的销孔用于安装定位销，目的是保证不同换热板之间的准确定位。另外，在换热器中增加了多个导气槽，使焊接过程中产生的气体能够及时导出设备，由此保证了设备的安全性和密封性。

换热片采用相互倒置的60°人字形波纹板，构成了横截面多变、曲折的流道，使流体在流道内呈旋转三维流动，从而在较低的雷诺数下发生紊流，提高了换热系数，强化了换热效率［8］。波纹板加工后的最小厚度为1 mm，降低了壁面的热阻。因污垢很薄，故其热阻较小，另外也不会出现像管壳式换热器那样的旁路流。与管壳式换热器相比较，这种结构使设备的总传热系数提高了3 倍左右［9］

LNG蓄能换热器的结构如图2 所示。

图 2  LNG蓄能换热器结构

LNG蓄能换热器由3个基本层组成，依次为取冷层，蓄冷层，LNG层，其中取冷层的取冷液采用浓度为55%的乙二醇溶液，蓄冷层的蓄冷液采用65号航空冷却液。蓄能换热器由

10 块波纹板构成，形成9 个腔体，其中LNG层占2个，取冷层占3 个，蓄冷层占4个。蓄冷液的体积膨胀系数是0.00056 ℃，在温差 80 ℃的情况下，25 L 的蓄冷液膨胀后的体积为 26.12 L，因此蓄冷层的体积定为 27 L。

波纹板的材料选用2519-T87铝合金，该材料是一种耐低温材料，其导热性能仅次于银、铜和金，且密度较小，低温与常温状态下机械性能相比有较大的差别，其主要的物理性质（脆性和强度）随着环境温度的降低而升高，这是区别于其他金属材料的重要性质。2519-T87

铝合金低温下的拉伸性能如表 2 所示［10~14］。

4  仿真与优化设计

4.1  建模与仿真参数设置

LNG 蓄能换热器上设置有取冷层、蓄冷层、LNG层，其中LNG层两侧是蓄冷层（内置蓄冷液），蓄冷层另一侧是取冷层（内置取冷液）。LNG的质量流量为30 kg/h，冷能约4.5 k W

，工作时LNG冷能由蓄冷液进行储存，经取冷液提取后供舰载空调等设备使用。LNG蓄能换热器的外形尺寸为 600 mm×450 mm×110 mm，材质为2519-T87铝合金，仿真模型如图

3 所示。

图 3  LNG蓄能换热器三维模型

将模型导入Icepak中，并设置边界条件。计算模型设置为Turbulent 里的zero equation，环境温度为40 ℃，辐射温度为40 ℃。铝板材料置为Al-Extruded（与2519-T87铝 合 金 导 热 系数较接近），表面材料设置为Al-Polished Plate-surface，默认流体设置为Glycol-55和LNG

，蓄冷液总体积为25 L( 两侧各12.5 L)。在每层流道的进出水口设置2 个 Opening，LNG 进口流量为3 L/min，取冷液进口流量为2 L/min。蓄冷液定义为热源，将LNG定义为冷源，冷源功率为 4.5 k W。

4.2  仿真结果分析

对LNG蓄能换热器进行热仿真，分别截取LNG、取冷液（QLY）进出口参数明细表。由表3、表4 可知，换热量约为 2454W。LNG进口温度-145.7 ℃，出口温度-134.3 ℃；取冷液进口温度40.8 ℃，出液温度为 12.3 ℃。空调使用温度一般在16~30 ℃，因此能够满足空调的使用工况。

截取LNG蓄能换热器蓄冷层温度如图 4所示。由图4 可知，靠近 LNG层蓄冷液温度较低，可达-152.942 ℃，而远离LNG蓄冷液温度较高，可达30.0616 ℃，针对这种情况，在温度计算时采用对数平均温度计算法。

图 4  温度云图

从图4 可以看出，LNG在蓄冷的初期温度变化比较剧烈，故初期不宜对冷能进行提取。当蓄冷一段时间后，蓄冷液达到其熔点后发生相变并开始蓄冷，此时适宜开启取冷液为空调提供冷量。

5  试验分析

5.1  试验设备及材料

为了验证LNG 蓄能换热器的蓄冷效果和取冷效果，设计试验对其进行热测试。试验装置及材料包括恒温恒湿试验箱（温度范围-55 ℃ ~100℃），采集模块，台式电脑，一台小型液体泵，小型LNG 储罐，温度传感器（精度0.15℃，4 个），玻璃转子流量计（1个），65号航空冷却液（蓄冷液），55％乙二醇（取冷液），LNG蓄能换热器一台，空调一台(3 k W)，阀门（若干），金属软管（若干）等，所有仪表都经过标准校合。

5.2试验过程

取50 L浓度为55%的乙二醇作取冷液（理论冰点为-37 ℃），取25L65号航空冷却液作蓄冷液（理论冰点为 -55 ℃），将蓄冷液填装进入蓄能换热器中。液体泵不开启，通入LNG观察温度传感器（T1）的变化并记录 T1 的示数。每间隔 5 min 记录一次，当 T1 读数稳定后停止通入LNG 同时停止数据记录。

停止通入LNG 后，将试验设备中两个截止阀打到全开状态并开启液体泵，调节流量调节阀使流量达到2 L/min。

观察玻璃转子流量计（L1），当流量稳定后记录T2、T3、T4的示数。每间隔5 min 记录一组数据，设定 LNG 的质量流量为30 kg/h。热测试系统连接如图 5 所示。

图 5  热测试系统连接示意

5.3  试验结果分析

LNG 蓄能换热器的试验测试曲线如图6 所示，经翅片管换热器后的温度曲线在15.1  ℃左右趋于稳定，能够满足空调系统的正常用冷；经LNG蓄能换热器后取冷液的温度曲线在14  ℃左右趋于稳定；经 LNG 蓄能换热器后天然气的温度曲线在 -135 ℃趋于稳定，比仿真结果高 0.8 ℃。通过折线图可以看出，LNG 冷能储存的时间为约20 min, 取冷液出液温度约 14  ℃，比仿真结果高1.7 ℃。由于测试点与最低温度点可能存在误差，环境温度有微小波动，还有热阻等方面的影响，仿真结果与测试结果存在一定微小差异，但仿真结果与测试结果相差不大，由此可确定 ICEPAK 热仿真的可靠性。

图 6  试验测试结果曲线

6  结论

（1）通过仿真计算及试验分析可知，采用60°人字形波纹板结构可以大大增加蓄能换热器的换热面积，同时能够满足空调的正常使用并将LNG的冷能进行储存。

（2）本设备可供一台3 k W 的空调连续工作1.5 h，LNG储存的冷能约为4.5 k W。

（3）本设备的最大特点在于蓄能换热器中设计有一定体积的蓄冷腔体，腔体的大小可根据所需储能的多少而改变，使冷能的储存和转换能够在同一设备内进行，极大地提高了换热效率。

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作者：李  健 常州大学