一种浸没燃烧式气化器传热管冰层预测与测量方法技术

本发明专利技术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。

Prediction and measurement of ice layer in heat transfer tube of submerged combustion gasifier

【技术实现步骤摘要】
一种浸没燃烧式气化器传热管冰层预测与测量方法
本专利技术属于LNG气化器
，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。
技术介绍
浸没燃烧式气化器(SubmergedCombustionVaporizer，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(LiquefiedNaturalGas，简称LNG)向天然气(NaturalGas，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的美国专利技术专利”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“Experimentalinvestigationonfluidflowandheattransfercharacteristicsofasubmergedcombustionvaporizer,AppliedThermalEngineering113(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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术的主要工作过程为：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，本专利技术的技术方案为：本专利技术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，从而开展冰层测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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℃；/n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。/n

【技术特征摘要】
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℃；
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：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。


3.根据权利要求1或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...

【专利技术属性】
技术研发人员：白俊华，高智刚，潘杰，何晓茹，王凯，王超然，王天虎，
申请(专利权)人：西安石油大学，西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61