LNG缠绕管式换热器试验研究中的热物性计算方法_陈永东

（１０）
气态纯物质在常压下的比热容ｃｐ 按照下式计算：
ｃｐ ＝ Ａ ＋ＢＴ ＋ＣＴ２ ＋ＤＴ３ ＋ＥＴ４ （１１）
式（１１）中ｃｐ 的 单 位 是 Ｊ／（ｍｏｌ·Ｋ），本 文 参 考 文
献［６］给 出 了 不 同 物 质 对 应 的 系 数 Ａ～Ｅ。 表 １ 为 甲
烷和乙烷在常压下的比热容计算系数表。
混 合 气 体 常 压 下 的 动 力 黏 度 （μｍ ）按 照 下 式 计 算 ：
ｎ
∑μｉｘｉｍｉ１／２
μｍ
＝
ｉ＝１ ｎ
∑ｘｉＭｉ１／２
ｉ＝１
（１６）
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天 然 气 工 业 ２０１１ 年 ６ 月
基 金 项 目 ：国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （８６３ 计 划 ）重 点 项 目 （编 号 ：２００９ＡＡ０４４８０２）。 作者简介：陈 永 东，１９６８ 年 生，教 授 级 高 级 工 程 师 ，硕 士；现 任 合 肥 市 合 肥 通 用 机 械 研 究 院 压 力 容 器 与 储 运 装 备 工 程 部 部 长 ，压 力容器学会换热器委员会常务副主任委员，全国锅炉压力容器标 准 化 技 术 委 员 会 热 交 换 器 分 委 会 委 员 ；长 期 从 事 石 油、化 工、天 然 气等领域换热设备的传热与结构研究工作。地址：（２３００８８）安徽省合肥市高新区天湖 路 ２９ 号 合 肥 通 用 机 械 研 究 院。 电 话：（０５５１） ５３３５４１２，１３８０５６９２９３０。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｙｄ＿ｈｆ＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ
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天 然 气 工 业 ２０１１ 年 ６ 月
ＬＮＧ 缠绕管式换热器试验研究中的热物性计算方法
陈永东１，２ 吴晓红１，２ 周 兵１，２
１．合 肥 通 用 机 械 研 究 院 ２．国 家 压 力 容 器 与 管 道 安 全 工 程 技 术 研 究 中 心
表 １ 甲 烷 和 乙 烷 在 常 压 下 的 比 热 容 计 算 系 数 表
组分 Ａ
Ｂ
Ｃ
Ｄ
Ｅ
甲烷 ３４．９４２ －４．００×１０－２ １．９２×１０－４ －１．５３×１０－７ ３．９３×１０－１１
乙烷 ２８．１４６ ４．３４×１０－２ １．８９×１０－４ －１．９１×１０－４ ５．３３×１０－４
１ 气态混合物的物性计算方法
经过处理的天然 气 进 入 液 化 工 段 后，需 要 经 过 预 冷、冷凝和过冷等工艺过程变成 ＬＮＧ。 天然气是一个 以甲烷为主要组分的 混 合 物，因 此 将 甲 烷 和 乙 烷 按 照 一定比例混合，在缠 绕 管 式 换 热 器 内 对 其 进 行 传 热 与 流体流动的研究。 １．１ 气 态 混 合 物 的 密 度 计 算 混合气体的密度 （ρ）可 以 按 照 实 际 气 体 的 状 态 方
（２０）
ｎ
∑ Ｍｍ ＝ ｘｉＭｉ ｉ＝１
（２１）
ｎ
∑ Ｚｃｍ ＝ ｘｉＺｃｉ ｉ＝１
（２２）
式（１７）中μｍ０ 按照式（１６）的计算值代入。在 使 用
上 述 公 式 时 ，各 参 数 的 量 纲 应 采 用 统 一 的 单 位 制 ，尤 其
要注意ρ、ｐ、Ｒ 的协调一致。 本 文 参 考 文 献［５］已 经 将 压 力 对 气 体 的 黏 度 影 响 绘 制成图 ，基于相 对 温 度 和 相 对 压 力 两 个 参 数 查 取 ，在 查
压力（ｐｒ）的函数，可 根 据 Ｎｅｌｓｏｎ－Ｏｂｅｒｔ通 用 压 缩 因 子
图查得。Ｎｅｌｓｏｎ－Ｏｂｅｒｔ通 用 压 缩 因 子 图 规 定 了 ｐｒ＜
１．０为低压范 围；ｐｒ 从 １．０ 到 １０．０ 为 中 压 范 围；ｐｒ 从
１０．０到４０．０为高压范围 。 ［５］ 在 求 取 物 性 时 采 用 了 混
ห้องสมุดไป่ตู้
是Ｊ／（ｍｏｌ·Ｋ）。
１．３ 气 态 混 合 物 的 动 力 黏 度 计 算
气态纯物质在常压下的动力黏度（μ）按照下式计算：
μ ＝ Ａ ＋ＢＴ ＋ＣＴ２
（１５）
式（１５）中μ 的单位 是 ｍｉｃｒｏｐｏｉｓｅ，等 于 １０－７ Ｐａ·
ｓ。本文参考文献［９］给出了不同物质对应的系数 Ａ～
Ｔｒ
＝
Ｔ Ｔｃｍ
（５）
ｐｒ
＝ｐ ｐｃｍ
（６）
式（１）中 的 压 缩 因 子 （Ｚ）也 可 以 根 据 Ｐｉｔｚｅｒ－Ｃｕｒｌ
的研究结果按照下式求得：
Ｚ ＝ Ｚ（０）（Ｔｒ，ｐｒ）＋ωｍＺ（１）（Ｔｒ，ｐｒ）
（７）
式 （７）中 的 Ｚ（０）为 偏 心 因 子 近 似 为 零 时 的 压 缩 因
文参考文献［５－８］给 出 了 气 体 比 热 容 的 等 温 压 力 修 正
图，其理论基础都是 认 为 压 力 作 用 下 比 热 容 的 修 正 值
是相对温度（Ｔｒ）和相对压力（ｐｒ）的函数。由于这些 图 的 来 源 不 同 ，比 热 容 修 正 值 的 单 位 也 不 相 同 ，使 用 起 来
子，Ｚ（１）为 压 缩 因 子 的 校 正 系 数，可 以 从 本 文 参 考 文 献
［６］中 查 取 或 插 值 计 算 。 计 算 混 合 气 体 的 压 缩 因 子 值 ，
最多需要６次插值。
式（１）中 的 气 体 常 数 （Ｒ）采 用 混 合 气 体 的 当 量 气
体 常 数 （Ｒｅｑ）计 算 式 计 算 ，即
混合气体在一定压力下的黏度修正值按照下列公 式计算 ： ［６］
μｍ －μ０ｍ ＝ １０．８×１０－８［ｅｘｐ（１．４３９ρｒｍ）－ ζｍ
ｅｘｐ（－１．１１１ρｒ１ｍ．８３８）］ ζｍ ＝ Ｔ１ｃ／ｍ６／（Ｍ１ｍ／２ｐ２ｃ／ｍ３）
（１７） （１８）
ρｒｍ ＝ ρｍ ρｃｍ
（１９）
ρｃｍ ＝ ｐｃｍ／（ＺｃｍＲＴｃｍ）
容易出错。
Ｌｅｅ－Ｋｅｓｌｅｒ给出了实际气体比 热 容 修 正 值 Δｃｐ 的 计算式 ： ［６］
［（ ） （ ） ］ Δｃｐ ＝Ｒ
Δｃｐ Ｒ
（０）
＋ωｍ
Δｃｐ Ｒ
（１）
（１４）
式（１４）中（Δｃｐ／Ｒ）（０）为 偏 心 因 子 近 似 为 零 时 的 比 热容相对 修 正 值，（Δｃｐ／Ｒ）（１）为 比 热 容 相 对 修 正 值 的 校正系数，Ｒ 等于８．３１Ｊ／（ｍｏｌ·Ｋ），而 Δｃｐ 的 单 位 也
合 物 的 假 临 界 性 质 来 处 理 ，即
ｎ
∑ Ｔｃｍ ＝ ｘｉＴｃｉ ｉ＝１
（２）
ｎ
∑ ｐｃｍ ＝ ｘｉｐｃｉ ｉ＝１
（３）
ｎ
∑ ωｍ ＝ ｘｉωｉ ｉ＝１
（４）
对于某一温度、压 力 下 的 混 合 气 体 求 出 其 相 对 于
假 临 界 性 质 的 相 对 温 度 和 相 对 压 力 ，即
在基本 负 荷 型 的 ＬＮＧ 工 厂 中，热 交 换 是 重 要 的 工艺过程，在冷却、冷 凝 和 液 化 流 程 中，主 低 温 换 热 器 是最重要的换热设备。尽管在某些液化工艺流程中采 用了板翅式换热器，但 缠 绕 管 式 换 热 器 仍 是 应 用 最 广 泛的主低温换热器 。 ［１］ 目前这种换热器的制造商 还 比 较少，关于其传热 与 流 动 模 型 方 面 的 文 献 也 较 少。 为 了掌握这种换热器传热系数和压降的可靠设计计算方 法 ，需 要 对 换 热 器 的 流 体 动 力 学 过 程 进 行 试 验 和 模 拟 。 由于主低温换热器是 多 股 流 缠 绕 管 式 换 热 器，其 中 的 混合冷剂组分在壳程 蒸 发，包 括 天 然 气 在 内 的 几 股 不 同的介质各自在相应 的 管 程 内 冷 却 或 冷 凝，从 而 实 现 天然气液化的目的，管 程 和 壳 程 的 流 动 过 程 可 能 涉 及 单相气态冷 却、单 相 液 态 冷 却、两 相 冷 凝 和 两 相 蒸 发 等 ，因 此 ，需 要 设 计 缠 绕 管 式 换 热 器 的 低 温 试 验 装 置 模 拟这些过程，对其表 现 出 来 的 传 热 与 流 动 特 性 进 行 研 究［２］。本文参考文献［３－４］已经对 ＬＮＧ 缠绕管 式 换 热 器的壳程气态流动和液态降膜式流动进行了试验研 究，并指出测试数据 的 不 确 定 度 和 试 验 介 质 热 物 性 计 算的不确定度影响了 推 衍 参 数 的 不 确 定 度 （这 些 推 衍
ｎ
∑ Ｒｅｑ ＝８ ３１４ ｍｉｘｉ ｉ＝１
混 合 气 体 的 密 度ρ 也 可 以 按 照 下 式 计 算 ：
（８）
ρ ＝ρｐ００ｐＴＴＺ０
（９）
式（９）的ρ０ 为 混 合 气 体 在 标 准 状 态 下 的 密 度，按 照下式计算：
ｎ
∑ ρ０ ＝ ｘｉＭｉ／２２．４１４ ｉ＝１
１．２ 气 态 混 合 物 的 比 热 容 计 算
陈永东等．ＬＮＧ 缠绕管式换热器试验研究中的热物性计算方法．天然气工业，２０１１，３１（６）：９２－９７． 摘 要 在 基 本 负 荷 型 的 ＬＮＧ 工 厂 中，多 股 流 缠 绕 管 式 换 热 器 是 应 用 最 广 泛 的 主 低 温 换 热 器 ，多 组 分 介 质 在 管 程 和壳程的传热与流动特性是主低温换热器试验研究的关键，而混合介质的热物性（密度、动力黏度、导热系 数、比 热 容）对 试验研究的影响较大。为此，在考虑了压力对气态混合物热物性计算影响的情况下，对气态和液态混合介 质 的 ４ 种 基 本 热物性的计算方法进行了提炼、集成，并将计算结果与 ＨＹＳＹＳ的计算结果进行了比较，结果 表 明：相 关 的 热 物 性 计 算 方 法是可行的，计算误差均控制在工程允 许 范 围 内。 该 计 算 方 法 为 国 内 开 发 大 型 冷 塔 提 供 了 技 术 支 撑 ，有 助 于 早 日 实 现 ＬＮＧ 缠绕管式换热器冷塔的国产化。 关 键 词 ＬＮＧ 主 低 温 换 热 器 缠 绕 管 式 换 热 器 传 热 流 动 特 性 混 合 介 质 热 物 性 计 算 方 法 ＤＯＩ：１０．３７８７／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０９７６．２０１１．０６．０２０