1 前 言

LNG 產業對我國能源轉型、產業升級、環境保護及可持續發展方面占據著舉足輕重的地位。目前已經逐步形成了一個從生產、儲運、裝運到接收再氣化、冷量利用、調峰等完整的工業體系。其中，LNG的液化和氣化是整個產業關鍵用能環節，換熱器是能量利用和轉化的關鍵設備，其效率直接影響整個工藝流程的實施、裝置能耗以及 LNG 成本和價格。因此提高換熱效率、特別是低溫強化傳熱技術的應用成

為該領域的研究熱點。本文旨在通過系統、全面地分析和總結已取得的低溫強化傳熱技術和成果，提出未來發展方向和建議。

2 低溫流體強化換熱理論研究進展

LNG 低溫換熱的實驗條件較為苛刻，一般采用軟件模擬方法，相關理論大概可分為流體流動模型以及傳熱特性模型。流體流動模型包括了層流及湍流模型、及多相流模型等；傳熱特性涉及到管內單相區和多相區模型。

(1) 湍流流動模型

LNG 換熱器中的流體流動存在大量的湍流流動區域，采用湍流流動模型對其流動狀態和過程進行計算。大多對湍流模型的模擬采用雷諾應力平均方法。雷諾平均方法又可以分為單方程模型、雙方程模型、三方程模型及雷諾應力的直接模擬求解。雙方程模型包括標準 k-ε、RNG k-ε 模型、標準 k-ε 模型及與之相關的一些修正模型，以上均采用了渦黏性系數的概念，即湍流的各向同性假設。下表為一些常用的湍流模型的方程以及適應范圍總結：

(2) 壁面函數[6]

湍流流動會受到壁面的影響。對

于近壁面區域的流動來說，描述流場的各獨立變量沿壁面法線方向往往具有很大的梯度變化。此外，近壁面區域流體在輸運過程中受液體黏性影響大。對于大多數高雷諾數流動，壁面函數法能充分節省計算資源。在數值模擬中，壁面函數可分為標準壁面函數、可縮放壁面函數、非平衡壁面函數、增強壁面處理以及自定義壁面函數。完全湍流一般用標準壁面函數，過渡流用增強壁面處理。

(3) 多相流模型

LNG 在管內發生由液相到氣相的多相流換熱過程，因此模擬中需要選用多相流模型來計算這些存在

著多相混合物區域的流動和傳熱。計算流體力學的進展為深入了解多相流動提供了基礎。多相流模型有

以下三種：

① Volume of Fluid 模型[7]

VOF 模型主要用于跟蹤兩種或多種不相容流體的界面位置。VOF 主要用于分層流、自由液面流動、

晃動、液體中存在大氣泡的流動、潰壩等現象。

② 混合物模型[7]

混合物模型可用于兩相流或多相流(流體或顆粒)�；旌衔锬Ｐ颓蠼獾氖腔旌衔锏膭恿糠匠�，并通過

相對速度來描述離散相�；旌衔锬Ｐ偷膽�用包括低負載的粒子負載流，氣泡流，沉降，以及旋風分離器。

混合物模型也可用于沒有離散相相對速度的均勻多相流。

③ 歐拉模型[7]

歐拉模型是較為復雜的多相流模型。它建立了一套包含有 n 個的動量方程和連續方程來求解每一相。

歐拉模型的應用包括氣泡柱，上浮，顆粒懸浮，以及流化床。

根據 LNG 換熱器中多出現湍流的流動狀態，目前常用其中兩種數值模型來進行多相流的處理：混合

物模型和歐拉模型

(4) 管內沸騰傳熱計算

沸騰可根據發生的空間類型分為 2 種，在大空間發生的稱為池沸騰，在有限空間中發生的稱為管內沸騰。LNG 換熱器中的氣化過程屬于管內沸騰。

關于管內沸騰傳熱的研究，過去一般是依靠實驗。研究者通過簡化實驗條件、拓展實驗范圍并建立物理模型，擬合出應在定應用范圍的沸騰傳熱關聯式，經過驗證后關聯式被推廣應用。表 2和表 3 是單相區和多相區幾個常用管內沸騰關聯式的總結。

以上理論均為后續不同 LNG 換熱器模型的設計和制造提供了理論依據，實際應用效果也應該在可控

范圍內。

3 LNG 換熱設備研發現狀

把上述一些低溫傳熱理論應用于 LNG 換熱系統中，根據換熱介質和功能的不同，設計出幾種不同類

型的換熱器。以功能劃分可分為氣化和液化兩種，氣化換熱器主要包括空溫式汽化器、開架式汽化器、

超級開架式汽化器、帶中間介質換熱器以及浸沒燃燒式換熱器；液化換熱器主要有纏繞管式換熱器和板

翅式換熱器兩種。

3.1 空溫式汽化器

空溫式汽化器由于結構輕巧牢固并緊湊，有運行維護費用低且不用依靠額外動力系統的優點，較多

應用于我國的中小型 LNG 氣化站以及調峰站。但是其受低溫環境限制大，容易產生結霜等問題導致換熱

器傳熱效果大大下降。這一問題得到了專家學者廣泛關注和深入研究。詳見表 4：

為了找出結霜規律，研究者們主要做了兩方面工作：一是通過理論模型推導結霜速率關系式，二是

分析外部環境條件、內部換熱器結構以及管內流體形態因素對傳熱效果的影響。這些研究結果得出了結

霜的特點和部分規律，為此類換熱器的優化設計和控制除霜提供了理論依據，但同時也存在著以下局限：

一是這些研究結果的前提有太多假設，得出結論往往只針對某種工況，普遍適用性不強；二是因素分析

過程多是定性分析，還無法上升到定量分析；三是研究者大多沒有將理論結果與實際問題的解決結合起

來，也沒有確切提出除霜的具體方法。

3.2 開架式與超級開架式換熱器

開架式換熱器具有結構簡單、運行成本低且熱源資源充足的優點。但由于 LNG 溫度低至 -163℃，

開架式換熱器在運行中經常出現板型管束下部，特別是積液管外表面結冰的問題，不利于傳熱的順利進

行。為了解決開架式換熱器的結冰問題，Osaka Gas 和 Kobel Steel 基于開架式換熱器聯合研制出超級開

架式換熱器。超級開架式可以使汽化裝置的汽化能力提高 3 倍，水流量和安裝空間可分別減小 15% 和

40%。但目前，只有日本的神戶鋼鐵 Kobel Steel 和住友精密機械 Osaka 兩家企業能夠制造 SUPERORV。

目前我國仍然無法掌握開架式氣化器 ORV 的核心技術。而針對 ORV 傳熱管傳熱性能的研究也比較少，

尤其對 SUPERORV 傳熱管的強化傳熱機理認識尚且更為不足。表 5 為部分研究成果總結：

表 5 開架及超級開架式換熱器部分研究總結

許多專家學者通過改變換熱內管幾何形狀來達到降低流體流動阻力、強化傳熱的效果，如余美玲[29]

提出的新型內螺旋強化管(如圖 1)，趙振華[25]在傳統星型翅片管基礎上焊接的二級弧狀副翅片(如圖 2)，

這些結構都有利于增大傳熱面積，提高傳熱系數。而有些

專家利用數值模擬軟件，定性或定量分析了流體條件以及

內管結構因素對傳熱的影響，如孫啟迪[26]用 FLUENT 軟件

模擬得出海水入口流速越小，液膜厚度越薄，換熱管越易

結冰的結論，郭少儒[27]通過 ANSYS 軟件得到傳熱系數與

LNG 流速及海水溫度之間有一個最優的匹配參數，曾誠[31]

通過數值模擬以及實驗驗證得到換熱螺旋內管(如圖 3)的

最優管徑、螺旋肋寬度和螺距，Jie Pan[32]等設計了數學模

型計算出超級開架式換熱器所需最短管長、海水入口溫度

和海水結冰層厚度受壓力影響的規律，并驗證插入翅片和

扭曲片強化傳熱效果等。

但這些研究成果也存在著不足。首先，數值模擬的理論研究多建立在理想化假設條件以及經驗公式上，降低結

果的準確性以及普遍性，同時，實驗驗證的實驗條件如組分、溫度，難以達到真實工況下的實際要求，

因此實驗結果的參考價值也大打折扣；再者，理論研究多止步于溫度場，速度場，努賽爾數和傳熱系數

的分布規律，未對熱阻、低湍流度甚至層流狀態下的流場分布進行研究，因此得出的對強化傳熱機理的

概括認識并不全面。

3.3 浸沒燃燒型換熱器

浸沒燃燒型換熱器熱效率可達 95% 以上，占地小且安全可靠。但因消耗天然氣而使運行成本較高，

主要用于調峰型裝置和緊急使用的情況。國外學者對浸沒燃燒型換熱器的研究較少。

對沉浸式換熱器的研究目前大多數旨在模擬沉浸式換熱器各個環節的換熱過程，以期解決管內氣體

沉積問題以及為換熱器優化方案提供理論基礎。但換熱器內復雜的多相流以及相變傳熱過程是研究者們

攻克的難點，而現階段無論是通過數值模擬還是通過實驗，條件上的限制較多，因此存在的大多數研究

成果都不夠完善。

3.4 帶有中間介質的換熱器

因其結構特性，IFV 比空氣式汽化器更高效，比浸沒燃燒式換熱器更節能，比開架式換熱器適應性

更強。但是，其設計制造面臨著材料要求高、中間介質選擇難度大等技術難題。目前 IFV 技術還未達到

完善階段，僅有少量運行，運行時間短。關于 IFV 的科研成果也較少，基本上都是模擬分析其傳熱過程

特性。Liang Pu 等[40]建立了集成 IFV 的系統物理以及數學模型，通過模型得到入口參數對出口參數的影

響，總結得到增大 LNG 入口壓力，NG 的出口溫度，調溫器的熱負荷都有所提高。白宇恒、廖勇等[41]

以整個 IFV 系統能量守恒關系作為前提條件，將 IFV 中蒸發器、凝結器和調溫器分離開建立一維模型，

計算出各換熱器的換熱面積以及換熱管數量等重要參數；Xu 等[42]從水浴工質角度分析了不同制冷劑對總

傳熱面積的影響，得出丙烯、二甲醚和普遍使用的甲烷有利于加強傳熱。

3.5 板翅式換熱器

板翅式換熱器有以下特點：傳熱效率高、結構緊湊輕巧、適應性強。但由于該設備結構復雜，常發

生物流分配不均勻問題，導致了傳熱效率降低。許多專家和學者對此進行了較為深入的研究，研究成果

匯總見表 7：

為解決板翅式物流分配不均勻的問

題，研究者們對板翅式換熱器的關注點主要集中在一方面，研究物流分配特性和傳熱性能影響因素，用定性或定量的方法分析影響因素對傳熱系數的作用；另一方面，優化結構形狀以降低流體分布不均勻度。如張哲等[43]設計了一種同時采用帶有一次封頭和二次封頭結構的改進型封頭(如 圖 4)Yan Li 等[47]設計了一種以流體須在混合之前分布均勻為原則的封頭結構，明顯優化了流體分布的不均勻程度(如圖 5)，焦安軍等[44]不僅著眼于封頭結構的改進，還優化了內部導流片，文鍵等[45]則在封頭中間添加一塊錯排打孔的擋板，王偉平[46]提出一種基于通道阻力修正的優化方法。這些結構上的優化在不同程度上降低流體不均勻幅度，減小了質量流量分布不均對傳熱系數的影響，從而提高了換熱器的性能。盡管專家學者們取得了科研碩果累累，但關于該設備的研究還存在以下的局限性：工況、介質物性等也是影響板翅式換熱器物流分配不均勻的主要因素，但目前相關研究較少，尚未有顯著成果；軸向導熱及溫度場的不均勻也是該類換熱器性能下降的主要因素，現在暫時沒有對溫度場以及溫度場流場耦合效應的研究；實驗條件受限制較大，只能獲得一定范圍下工況、介質及結構因素對換熱器內流體分布及流阻的影響，無法系統分析不同因素的影響和提出普適性的優化方案；現有成果中數據模型的建立多基于靜態模擬，關于動態模擬的研究較少。

3.6 纏繞管式換熱器

纏繞管式換熱器是換熱系數較高、設備安全性較高、耐高壓、可實現多種介質同時傳熱，易實現大

型 LNG 液化作業�，F在仍是應用較為廣泛的主低溫換熱器。目前關于纏繞管式換熱器傳熱與流動模型方

面的文獻也較少。國內學者現有研究大多建立相關傳熱過程的數學計算模型，如陳永東，吳曉紅等[51]提

煉、集成了 LNG 纏繞管式換熱器中氣液態混合介質的密度、比熱容、動力黏度以及導熱系數的計算方法；

吳志勇、陳杰等[52]利用 ANSYS FLUENT 軟件，對換熱器殼側制冷劑過熱態流動進行數值模擬。在模擬

方案得到準確驗證的前提下，得到了摩擦壓力降變化規律以及換熱管管縫處表面傳熱系數低的特點，并

由此提出優化建議；Tingting Wang 等[53]用層代替管作為控制體積變量，減少計算量的基礎上，還能有效

反換熱器殼程的冷卻劑分布情況；段鐘弟等[54]建立的數學模型能實現移動邊界下多股流并行換熱以及蒸

發和冷凝并存的計算；李京瑤[55]建立了適合纏繞管換熱器的幾何模型及幾何結構、傳熱、壓力損失的計

算公式，這些研究成果都為多股流繞管式換熱器的特性研究以及優化設計提供了理論依據。

4 總結與展望

通過系統分析 LNG 低溫強化傳熱技術及其應用狀況，得出以下幾點結論：

(1) LNG 傳熱過程不僅涉及到理想流體流動模型和傳熱模型，由于處于低溫領域，還衍生出結霜、

多相流分布等其他理論模型。

(2) 目前對于 LNG 換熱器強化傳熱的研究主要基于數值分析，專家學者多利用軟件對換熱器內流體

的換熱過程進行數值分析以及對影響因素的定性、定量分析，為抓住傳熱規律、優化傳熱過程提供了理

論依據，也提出多種通過改變換熱器內部結構來提高傳熱系數的措施，取得一定的進展。

盡管如此，LNG 換熱器強化傳熱研究仍存在以下問題：

(1) 盡管空溫式、開架式、板翅式的和纏繞管的理論以及數值分析模型的研究較為成熟，但其工況

背景和邊界條件的設定較為理想，模擬結果與實際偏差較大，在具體項目中還需要進一步修正，未來可

優化或者拓展其計算方法，構建出更準確的數值分析模型。

(2) 某些換熱器換熱過程的理論分析還存在一定的空白，特別是中間介質換熱器的復雜換熱過程和

理論的研究，以及混合工質微觀流動狀態研究等方面，該款設備在優化工藝、提高效率、減低成本等方

面有廣闊的應用前景。

(3) 無論是通過實驗或者模擬軟件進行研究，得出的結論大多只建立在某一種特定工況上，因此得

出的結論不具普遍的適用性，對于 LNG 復雜的多相流換熱過程更是不具有適用性，仍需進一步以數值模

擬與實驗分析相結合的方式，開展不同工況背景下 LNG 的多相流換熱研究。