文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123463
大型LNG储罐对流蒸发过程的热流固耦合数值模拟
匡以武耑锐王文*
(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海 200240)
(*Tel:021-34206096 Email:******@sjtu.)
摘要建立了LNG储罐喷淋预冷过程的流动传热与传质模型,编写计算程序对罐内热物理场和壁温变化进行探讨。分析表明,储罐底部中心区域温度并不是随预冷过程单调下降,而是在预冷后期出现温度上升。由于储罐的底部中心区域出现二次回流,阻碍了储罐底壁与内部低温气体的换热,同时由于混凝土对容器的导热,造成容器底部中心区域的温度不减反增的现象。
关键词 LNG;储罐;预冷;喷淋
0 前言
液化天然气(Liquefied Natural Gas)技术解决了天然气的存储、运输问题,同时还广泛用于民用燃气系统的调峰。LNG存储于大型的储罐中,,温度为-162℃[1]。工程应用中,首次投入使用的LNG储罐,在LNG充注储罐之前,首先要进行预冷,避免出现急剧和非均匀降温导致的罐体应力集中和罐内压力骤升。
LNG储罐的预冷操作是向储罐内小流量喷淋LNG,通过控制喷淋流量调整相变蒸发与对流换热,从而达到控制罐体温度下降速率的目的。预冷过程涉及非稳态流动,多组份工质相变传热和传质以及大空间对流换热过程,目前对其复杂的耦合机理研究尚不充分,喷淋用的喷嘴的布置也主要依靠操作经验。本文建立了LNG储罐喷淋预冷过程的热流固耦合计算模型,进行了数值模拟,针对罐内热流场对壁温分布的影响进行了分析探讨。
1 物理模型
图1为本文模拟的LNG储罐示意图,LNG喷嘴均匀的布置在圆形喷淋环上。储罐内初始条件为BOG(Boil Off Gas)气体。预冷时,LNG由喷淋环上的实心圆锥喷嘴均匀的喷入储罐,进而吸热汽化。喷淋区域是指喷嘴喷淋的液滴最大能覆盖的范围[2]。在储罐的侧壁和底部是保温材料和混凝土外壁,外壁与环境对流换热。
2 数学模型
气体连续性方程: (1)
液体连续性方程: (2)
气体动量方程[3][4]:
(3)
(4)
气体能量方程:
(5)
储罐壁能量方程: (6)
模型假设:
液体从喷嘴喷出后,速度迅速降低到下降的平衡速度,不考虑速度衰减过程;
当液滴达到平衡速度后,液滴速度保持恒定,不考虑液滴对气体的作用力;
液滴在喷淋区内沿径向均匀分布;
忽略可压缩性;
液体处于热力学饱和态,罐内压力保持恒定,因此液体吸收热量全部用于汽化[5];
图1 LNG储罐计算示意图
3 计算方法及结果
本文采用了有限容积法,利用MATLAB编写了数值模拟程序,对于压力场和速度场的耦合,采用SIMPLE算法求解[6][7]。
图 2 不同网格规模下储罐底部中心温度的变化
由于计算的重点是反应储罐壁温随时间的变化,因此选用储罐底部中心位置的壁温变化来验证计算结果对于网格规模的依赖性。图2展示了在不同网格规模(60×60,80×80,120×120)下储罐底部中心温度变化曲线。可以看出80×80与120×120的计算结果比较接近,因此实际计算选择120×120的网格。
储罐的计算初始温度为10