CN111157572B - 一种浸没燃烧式气化器传热管冰层预测与测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法，首先，构建LNG传热管数值计算模型，在数值计算过程中编译UDF得到相应冰层热阻附加在LNG外壁面上，开展LNG传热管内外流固耦合数值计算，根据数值计算结果预测冰层形成的位置。其次，以数值计算得到的冰层信息为参考，在SCV传热管中可疑结冰区域安装结冰测量装置，结冰测量装置预埋热电偶测量传热管外壁面处温度，表面安装温差发电片，获得传热管外壁面和冰层内壁面的温差，再根据传热基本方程，计算出相应冰层厚度，从而获取传热管结冰位置和厚度，进而用于评价LNG与水浴间换热性能。
Description
技术领域
本发明属于LNG气化器技术领域，涉及一种用于浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法。
背景技术
浸没燃烧式气化器(Submerged Combustion Vaporizer，简称SCV)是在浸没燃烧技术基础上开发出的多相流换热装置，用于实现液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)向天然气(Natural Gas，简称NG)的可控转化，具有启动迅速、热效率高、功率调节范围宽、体积紧凑、设备一次投资成本低等特点。由于天然气需求存在季节性波动，冬季是常态的2-3倍，所以SCV常作为接收站天然气系统专用调峰设备。国内天然气接收站使用的SCV主要从日本、德国和韩国进口。文献“申请公开号为US7168395B2的美国发明专利”公开了此种浸没燃烧式气化器其主体结构由换热管束、壳程围堰及水浴、浸没燃烧器、燃烧室、烟气均布系统、LNG监测系统、烟囱等部分组成，图1为SCV系统工作示意图。如图1所示，NG和空气分别从NG进口1与空气进口2进入燃烧室3掺混燃烧，燃烧室3浸入水浴4中，所产生的燃烧产物高温烟气作为LNG气化加热热源。高温烟气随烟气管5进入烟气均布器6内，烟气均布器6位于围堰8下方，传热管束9布置于围堰8内。高温烟气经烟气喷射孔7以烟气气泡13形式喷射入水浴4中，引起水浴4产生“拟静态”湍动并横掠过传热管束9进行对流换热。LNG从LNG进口10由传热管束9通入水浴4，经水浴4加热后，以NG形式在NG出口11输出。经水浴4换热后的烟气气泡13最终由烟气出口12排出。
SCV理想的气化流程是燃料提供的热量与LNG气化需要的热量基本相等，保证了水浴温度在运行过程中基本保持不变。通过高速气柱对水浴的扰动，一方面增强了SCV壳程水浴侧的换热系数，另一方面打破了水浴靠近换热管束处的低温层，使之在运行过程中不结冰，保证传热过程顺利进行。在实际运行过程中SCV多用于城市应急调峰使用，造成气化量调节范围较大，而一般只能通过SCV烟气流量和LNG流量大小进行观测和调节，很难做到烟气流量与LNG气化量的合理匹配。由于烟气流量过高会造成额外的能源浪费，因此实际运行过程中期望能够以较低的高温烟气流量运行。但此时容易出现因高温烟气流量小，导致传热管束9覆盖冰层，引起换热效率降低且水浴与传热管换热量无法准确预估，致使LNG气化量不达标，从而对SCV的换热性能造成严重影响。文献“Experimental investigation onfluid flow and heat transfer characteristics of a submerged combustionvaporizer,Applied Thermal Engineering 113(2017)529-536.”也揭示了这一结冰问题并拍摄到了传热管束结冰的图像。但是，受限于实验方法和装置，即使是可视化的LNG低温气化实验系统中，由于烟气气泡在与水浴的换热过程中快速浮动上升且夹杂破碎、聚合等形变致使水浴发生“急湍”，导致水浴中的光线传播发生扭曲和畸变，即使是高速摄影也难以准确测定冰层形成位置及厚度；而传热管外表面低温下冰层的形成相当于对传热管壁面上增加热阻，对传热管内LNG与水浴的换热带来不可预估的影响。如何对传热管束9外壁面冰层形成的位置和厚度进行有效测量，已成为研究SCV气化系统中LNG与水浴间换热过程和传热机理不可逾越的障碍，是提高SCV换热效率、优化SCV结构设计、促进我国SCV装置技术水平迫在眉睫需要解决的问题。
发明内容
为了克服现有SCV传热管在运行中结冰，且在“拟静态”水浴的“急湍”干扰下，冰层形成位置及厚度无法直接观测，致使LNG与水浴间换热性能预估困难的问题，本发明提出一种用于浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法及装置。由于蛇形传热管路较长，结构复杂且位于湍动水浴之中，需要设计并安装专用测量装置和工装进行观测，难以设置太多观测点，因此需要首先以本专利提出的冰层预测数值计算方法获得的冰层信息为参考，再使用本专利提出的冰层测量方法及装置进行实际观测。
本发明的主要工作过程为：首先，构建LNG传热管数值计算模型，基于合理假设(1、冰层热阻和冰层厚度成正比；2、将冰层厚度变化引起的总热阻变化可等价转换为固定冰层厚度下导热系数变化产生的总热阻变化)，在数值计算过程中编译UDF得到相应冰层热阻附加在LNG外壁面上，开展LNG传热管内外流固耦合数值计算，根据数值计算结果预测冰层形成的位置。其次，以数值计算得到的冰层信息为参考，在SCV传热管中可疑结冰区域安装结冰测量装置，该装置与传热管随形安装，预埋热电偶测量传热管外壁面处温度。同时，在该结冰测量装置表面安装温差发电片，根据热-电转换效应，通过测量温差发电片的输出电压和电流，获取温差发电片内外两壁面温差，判定结冰与否，并获得该位置处传热管外壁面和冰层内壁面的温差。根据热电偶反馈的传热管真实外壁面温度以及温差发电片产出的电压和电流值，即可换算得到实际冰层内壁面温度值(该值受冰层形成及水浴湍动影响，直接用测温探头无法测得)。由于冰层外壁面与水浴相邻，可认为冰层外壁面温度为冰水混合物的温度0℃，根据传热基本方程，可计算出相应冰层厚度，从而获取传热管结冰位置和厚度，进而用于评价LNG与水浴间换热性能。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提出的一种浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法，包括数值计算模块和实际测量模块两个部分。其中，数值计算模块可预估得到冰层形成位置，为实际测量提供结冰重点观测区域。由实际测量模块观测传热管外壁面真实温度以及可能的冰层内壁面温度，从而可获取实际结冰位置和冰层内外壁面间温差。在此基础上根据传热方程，最终可推算出结冰区域的冰层厚度，从而提供冰层位置和厚度的实测数据，为SCV水浴与传热管内LNG的传热性能研究扫平障碍。该方法及装置可解决湍动水域造成的传热管外结冰情况观测困难问题，通过理论预测和实际测量相结合，实现对冰层参数的获取。
具体包括如下步骤：首先，基于CFD计算软件建立传热管模型，根据实际水浴参数与LNG进口参数，估算热流值作为边界条件赋值于传热管外壁面。假设传热管壁处冰层厚度为恒定值，由于热阻可以表示为冰层厚度与导热系数的比例关系，故可将不同厚度的冰层热阻假定为随导热系数变化的函数，编写UDF，并导入FLUENT中Shell-Conduction模型中，作为传热管外壁面的附加热阻，从而开展数值计算，获取传热管外壁面温度计算结果。根据0℃的物理定义，可认为水浴与冰层的交界面为冰水混合物，温度为0℃，通过判定传热管外壁面(即冰层内壁面)温度参数与0℃的对比关系，可推断出传热管外壁面温度低于0℃的区域就是可能的结冰区域，且该温度与0℃温差越大则结冰的可能性越大。通过以上计算能够获得预测的结冰区域，可作为SCV低温传热实际重点观测的可疑结冰区域，用于后续安装所设计的冰层测量装置。
根据数值计算得到的冰层形成可疑位置，在实际SCV传热管相应区域安装冰层测量装置测量模块，该模块包括导热装夹工装、热电偶及温差发电片，从而开展冰层测量的实验研究。其中，热电偶用于测量该位置传热管的外壁面温度，温差发电片用于间接测量该位置冰层内壁面温度。观测温差发电片所产生电流的变化，电流强弱表明温差发电片两侧壁面间出现温差大小，此时可分为三种情况进行判断：
(1)热电偶测得传热管外壁面低于0℃且温差发电片测得两壁面温差大：(a)如计算冰层内壁面温度低于0℃，则结薄冰，根据传热基本方程，由温差发电片测得冰层内壁面温度即可计算冰层厚度；(b)如计算冰层内壁面温度高于或等于0℃，则不结冰。
(2)热电偶测得传热管外壁面低于0℃且温差发电片测得两壁面温差小：可认为冰层厚度较厚，冰层起到“保温层”作用，致使冰层内壁面温度与传热管外壁面温度接近，根据传热基本方程，由温差发电片测得冰层内壁面温度即可计算冰层厚度。
(3)热电偶测得传热管外壁面高于0℃则表示无冰层形成。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)现有的实验可视化测试系统只能通过目测获取冰层的位置，无法获得冰层的厚度，容易在“急湍”的水浴影响下，对薄冰层漏判，而且受水浴湍动影响，可视化拍摄方式对冰层厚度观测不准确，只能定性观测；同时，由于传热蛇形管构型复杂且长度较长，很难做到热电偶全覆盖，难以监测传热管全程的结冰情况。而本发明可由数值手段和实验手段的结合，根据可靠的数值手段确定结冰可疑位置，再通过所设计的测量装置可实现对结冰位置和厚度的定量测量。此外，目前已有的可视化实验与观测装置主要采用简化后的SCV传热单管构型，与实际SCV传热管结构和运行有一定差距，而本方法和装置可用于实际SCV系统。
(2)采用数值与实验结合的手段，采用Shell-Conduction模型模拟冰层厚度变化造成的热阻变化，先通过数值计算方式初步确定冰层位置，简化实际测试过程和操作，预示可能的结冰位置，从而有指导性的确定实验测量装置的安装位置，再通过所设计实验测量装置进行重点位置的结冰情况测量。
(3)受水浴湍动的影响，现有的实验测试系统中传热管和水浴直接接触且温差较大，在水浴干扰下传热管表面直接安装热电偶的方式测量传热管外表面温度误差较大，很难得到有效的真实值；本发明预埋热电偶在温差发电片内侧，用温差发电片作为水浴和传热管之间的防护装置，从而可得到传热管外壁面的温度真实值。同时，温差发电片还处于传热管可疑结冰区域表面，可对冰层内壁面局部温度进行测量，从而获取传热管在水浴中的冰层状态。
(4)所设计的SCV冰层测量装置，针对实际工况可对观测区域进行灵活多变的安装调整，测量装置拆装方便，对于传热管外壁面温度和冰层内壁面局部温度测量准确。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为SCV系统示意图。
其中：1-NG进口；2-空气进口；3-燃烧室；4-水浴；5-烟气管；6-烟气喷射均布器；7-烟气喷射孔；8-围堰；9-传热管束；10-LNG进口；11-NG出口；12-烟气出口；13-烟气气泡。
图2为本发明组成流程示意图。
图3为SCV传热管冰层测量装置工作原理图。
其中：4-水浴；6-烟气喷射均布器；8-围堰；9-传热管束；14-水箱；15-结冰测点。
图4为传热管热电偶及温差发电片装配示意图(测点示意图)。
其中：9-传热管束；16-测点工装；17-热电偶测点；18-温差发电片。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图2所示，本实施例所述的一种浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法，用于对传热管外冰层的位置及厚度进行预估和测量。首先基于数值模拟软件FLUENT建立传热管3D模型，通过水浴与LNG给定参数估算热流，以热流为边界条件赋值于传热管外壁面，并在外壁面边界上加载Shell-Conduction模型，模拟冰层的附加热阻。根据LNG进出口条件开展数值计算，从而得到传热管外壁面温度。通过判定传热管外壁面温度与0℃的关系，获得传热管外壁面可能的结冰区域，从而确定实际测量所需的重点监测结冰区域。在SCV系统传热管的重点监测结冰区域放置实验测量工装16。该测量工装紧贴传热管9外壁面，内部埋设热电偶17，外表面贴装温差发电片18，开展传热管外结冰状况的定量测量。在SCV运行中，若热电偶17测得传热管9外壁面低于0℃且温差发电片18测得两壁面温差大：(a)如计算冰层内壁面温度低于0℃，则结薄冰，(b)如计算冰层内壁面温度高于或等于0℃，则不结冰；若热电偶17测得传热管9外壁面低于0℃且温差发电片测得两壁面温差小，可认为冰层厚度较厚，冰层起到“保温层”作用，致使冰层内壁面温度与传热管9外壁面温度接近；若热电偶17测得传热管9外壁面高于0℃则表示无冰层形成。最后根据传热基本方程，由温差发电片18测得冰层内壁面温度即可计算冰层厚度。
参照图3为SCV传热管冰层测量装置工作原理图，通过在传热管9外壁面的可疑结冰区域设置测点15(分别设置热电偶17和温差发电片18)来观测LNG传热管束9的结冰情况。
参照图4为传热管热电偶及温差发电片装配示意图，如图示热电偶17与温差发电片18的放置相对位置。
一种浸没燃烧式气化器传热管冰层预测与实验测量方法，包括如下步骤：
(1)根据SCV系统各项指标参数，基于CFD计算软件FLUENT建立传热管传热计算模型，估算热流值作为边界条件赋值于传热管外壁面，编写UDF导入Shell-Conduction模型中表征传热管外壁面冰层的附加热阻，开展数值计算，获取传热管外壁面温度参数。
(2)通过判定传热管外壁面温度与冰水混合物0℃的对比关系，即可推断出计算所得可疑结冰区域，作为SCV传热管冰层测量的重点观测区域。
(3)根据数值计算得到的冰层形成的可疑位置，在观测系统中的传热管9预测结冰区域安装实验测量装置，该装置预埋热电偶17及贴敷温差发电片18，从而开展冰层预测的实验研究。通过观测热电偶17所测温度及温差发电片18电流的变化，判定是否有冰层形成。
(4)根据热电偶17测得的LNG传热管9外壁面实际温度值及对应温差发电片18电流即可得到冰层内壁面实际温度，最终依据传热基本方程，冰层的实际厚度即可得到。
本发明工作原理说明如下：
如图1所示，针对SCV实验系统在运行过程中受“急湍”水浴的干扰，无法获取传热管外结冰的位置和厚度的问题，采取以下方法进行冰层的预测和实验测量：
1、数值模拟模块，通过数值模拟进行结冰预测：构建SCV传热管数值计算模型，利用Shell-Conduction模型构建虚拟冰层，对该模型编译UDF，获得不同冰层厚度下的等效热阻导入传热管外壁面边界，开展LNG在传热管内流动和传热的数值计算，根据数值计算结果初步判断冰层形成的区域。假设冰的表面温度为273.15K(冰水混合物温度，由于传热管所结冰层的外表面浸没于水浴中)，则冰层厚度δice与(273.15-Tow)成比例，其中Tow为传热管外表面温度，根据傅里叶定律可得：
通过定义虚拟冰层的厚度为恒定，通过求得不同的导热系数来模拟不同冰层厚度带来的附加热阻。
当Tow＜273.15K，局部热导率λx可以表示为：
其中，λice为冰层的导热系数，δice-a为虚拟冰层的厚度，二者均为常数；q为热流密度。
当Tow＝273.15K，λx→∞，热阻
可以被忽略；
当Tow＞273.15K，此时没有冰层形成，热阻
趋于小值，与实际无冰层工况误差相差较小可以忽略。
根据以上过程，得到不同热流密度q下的局部导热系数λx，编译UDF并通过Shell-Conduction模型导入传热管外壁面边界从而表征不同厚度冰层形成的附加热阻。
通过数值计算，可得到传热管外壁面温度Tow，根据该温度是否低于冰水混合物温度0℃便可以推测出是否为可疑结冰区域，从而指导实际测量中的观测区域设置。
2、实际测量模块，根据冰层预测结果进行结冰位置和厚度的实际测量：
根据数值模拟所得到的可疑结冰区域，在传热管上设置观测点测量其表面温度及结冰状态。如图3所示的即为基于SCV传热管冰层测量装置工作原理图。在重点观测区域设置温差发电片18及埋设热电偶17测量冰层内外温差及传热管9外壁面温度Tow，从而可得到实际冰层内壁面温度Tice。具体过程为：
(1)用热电偶测量传热管外壁面(相当于温差发电片内壁面)温度。由于热电偶回路中热电动势的大小只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，该工装采用铜材质，导热性能很好，故工装热阻可以忽略，可认为热电偶处温度等于当地传热管外侧壁温Tow。
(2)温差发电片利用塞贝克效应将热能直接转换为电能，P型和N型结合的半导体元件组成温差发电片，该器件的一侧接触在工装外壁面，另一侧接触在可能的冰层内壁面，这样高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流。而流入器件的一部分热能不放热，并在器件内变成电能，输出直流电压和电流。公式如下：
ε＝α(Tice-Tow) (4)
其中，ε为冷热端子所产生的电压，I为电流，(Tice-Tow)为冷热端温差。
根据电流值，即可得到冰层内壁面与传热管外壁面的温差如下：
(3)以温差发电片获取的冰层内壁面与传热管外壁面的温差为基础，根据热电偶所测得的传热管外壁面温度，即可获得冰层内壁面温度。
从而可根据传热基本方程，计算冰层厚度。
综上，本发明可实现以下目的：1、通过构建传热管束9的CFD模型并在壁面边界引入Shell-Conduction结冰预测模型，通过计算传热管内外耦合(即LNG与水浴)传热过程，以数值计算方法初步预测冰层形成位置；2、根据数值计算预测得到的冰层形成位置，在预测点布置利用温差发电原理设计的冰层测量装置，由实际测量结果获得冰层形成的精准位置、冰层厚度以及真实传热管外壁面温度，从而对水浴与传热管的换热过程和换热性能进行有效评价。3、根据以上预测和测量结果，指导SCV的实际运行控制和操作。同时，本发明也可用于SCV系统的运行监测。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：对浸没燃烧式气化器的传热管进行数值模拟计算，预估得到传热管上的冰层形成位置；
步骤2：在步骤1预估得到的传热管上的冰层形成位置中选取若干观测点，在观测点处安装测量模块；利用测量模块得到观测点处的传热管外壁面温度以及测量模块外表面温度；当判断存在冰层时，测量模块外表面温度为冰层内壁面温度，从而得到实际结冰位置和冰层内外壁面间温差，其中冰层外壁面温度认为为0℃；
所述测量模块包括导热装夹工装、热电偶和温差发电片；所述热电偶埋设在导热装夹工装中，温差发电片贴附在导热装夹工装外表面；所述导热装夹工装与传热管随型安装，且紧贴传热管外壁面；通过热电偶得到传热管外壁面温度，根据传热管外壁面温度和温差发电片的输出信号，解算得到测量模块外表面温度；
步骤3：根据冰层内外壁面间温差，基于传热方程，推算出结冰区域的冰层厚度，从而得到传热管上冰层位置和厚度的实测数据。
2.根据权利要求1所述一种浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法，其特征在于：步骤1中对浸没燃烧式气化器的传热管进行数值模拟计算，预估得到传热管上的冰层形成位置的具体过程为：
在CFD软件中建立浸没燃烧式气化器传热管传热计算模型；根据浸没燃烧式气化器中的水浴与LNG给定参数估算热流，以热流为边界条件赋值于传热管外壁面，并在外壁面边界上加载Shell-Conduction模型，模拟传热管外壁面冰层的附加热阻，开展数值计算，获取传热管外壁面温度参数；通过判定传热管外壁面温度与0℃的关系，预估得到传热管上的冰层形成位置。
3.根据权利要求2所述一种浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法，其特征在于：步骤2中，当得到传热管外壁面温度以及测量模块外表面温度，根据以下情况判断观测点处是否有冰层：
如果热电偶测得传热管外壁面高于0℃则表示无冰层形成；
如果热电偶测得传热管外壁面低于0℃，则进一步利用温差发电片的输出信号解算得到的测量模块外表面温度进行判断，当测量模块外表面温度低于0℃，则判断存在冰层，否则无冰层形成。
4.根据权利要求3所述一种浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法，其特征在于：当热电偶测得传热管外壁面低于0℃时，根据温差发电片的输出信号能够定性估计冰层薄厚：当温差发电片测得两壁面温差较大时，判断结薄冰，当温差发电片测得两壁面温差较小时，判断冰层厚度较厚，冰层起到保温层作用，致使冰层内壁面温度与传热管外壁面温度接近。
5.根据权利要求2所述一种浸没燃烧式气化器的传热管冰层预测与测量方法，其特征在于：导热装夹工装采用铜材质，在解算测量模块外表面温度时，忽略导热装夹工装热阻。
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