一种制造技术

本发明专利技术公开了一种

【技术实现步骤摘要】
一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法


[0001]本专利技术属于低温热交换设备性能模拟方法，尤其涉及一种
LNG
空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法
。

技术介绍

[0002]LNG(
液化天然气
)
空温式气化器是一种从空气中吸收热量并将其传递给管内的低温
LNG
使其相变气化为
NG(
天然气
)
的低温换热设备；与其他类型的气化器相比，其结构简单
、
经济性好
、
符合节能环保的要求，被广泛应用于
LNG
接收站和气化站之中
。
但
LNG
空温式气化器翅片管外表面容易受周围空气温度和湿度的影响，在气化过程中吸收周围热量导致周围环境温度降低，出现翅片管表面结霜现象，影响气化器的换热效果和气化性能；严重时会导致气化器受力不均，出现侧向拉力，导致管路破裂
、LNG
泄漏，发生安全事故
。
[0003]LNG
空温式气化器翅片管表面结霜主要由空气中水蒸气相变成固态结晶，其几何结构及堆积规律随着结霜进程而发生变化，是一个复杂的传热传质过程；在过去对
LNG
空温式气化器的性能模拟中普遍忽视了结霜对气化器的影响，将环境空气简化为干空气理想气体；而实际的气化器在运行过程中，结霜对
LNG
空温式气化器的性能有不可忽略的影响，会直接降低空气侧的传热系数，最高可达r/>85
％
。
而目前对于
LNG
空温式气化器结霜的性能研究，一部分是针对单个翅片的局部区域进行非稳态的结霜数值模拟分析，虽然一些模型可以很好的预测霜层的生长情况，但考虑到模型的复杂性
、
计算时长和计算结果的收敛性，无法将模型应用于整个气化器的模拟中；另一部分研究是建立结霜传热数学模型，通过数值计算得出不同结霜时间下霜层对空温式气化器的总传热系数的影响，但这种方法，只能从计算出结霜条件下空温式气化器整体的性能变化，忽略了不同翅片管之间的相互影响，无法对气化器不同翅片管的传热性能和管内低温介质的传热性能进行分析
。
公开号为
CN112580272A
的专利技术专利提出了一种基于数值模拟的
LNG
空温式气化器的优化设计方法；该方法首先采用经验公式等方法对
LNG
空温式气化器进行初步设计，然后对初步设计的空温式气化器采用
Fluent
软件进行模拟；虽然该方法考虑了翅片管根数对气化器的换热效率影响，但该方法将环境空气按照干空气进行处理，无法对结霜条件下的气化器性能进行计算
。
公开号为
CN115114815A
的专利技术专利提出了一种利用霜层表面性质预测冷表面结霜的模拟方法，通过使用欧拉多相流建立平板结霜工况的计算模型，使用
UDF
对计算区域的控制方程进行反复迭代计算求解，模拟霜层增长情况；但该方法仅能模拟出霜层在平板局部区域的结霜程度，而无法得出结霜状态下整体换热设备的性能变化情况
。
另外结霜主要发生在液相段和两相段，在进行结霜状态下的模拟计算时需要考虑流固共轭传热的影响，但目前尚未有技术方法进行说明
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种
LNG
空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，考虑不同翅片管之间的相互影响以及翅片管结霜的影响，并耦合了气
化器管内的气液相变流动传热以及流固共轭传热，模型更加贴合实际，模拟计算结果更加准确；将翅片管结霜的瞬态过程简化为准稳态过程，该方法可以节约大量的计算时长，计算效率和可靠性高
。
[0005]一种
LNG
空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
[0006]步骤一
、
对
LNG
空温式气化器进行现场运行测试，测量现场环境温度
T0、
湿度
H0和大气压力
P0，测量某一运行时刻
t
n
下的气化器进口处液化天然气的压力
P
in
和气化器出口处天然气的压力
P
out
、
气化器进口处液化天然气的流速
V
in
和气化器进口处液化天然气的温度
T
in
，以及气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度
T
s
、
霜层温度
T
f
，霜层厚度
d
f
和翅片管表面霜层外侧的空气流速
V
a
，所述的不同位置指的是每个形成结霜的翅片管翅片的外壁从上到下至少三个等距点位；
[0007]步骤二
、
通过数据处理软件将采集的所有形成结霜的翅片管在某个运行时刻
t
n
下不同位置处的霜层温度
T
f
、
霜层厚度
d
f
和翅片管表面霜层外侧的空气流速
V
a
分别与翅片管外壁温度
T
s
的数据拟合分析，通过最小二乘法得到某一运行时刻
t
n
下的整个气化器的所有结霜翅片管外壁温度
T
s
与霜层厚度
d
f
、
霜层温度
T
f
、
翅片管表面霜层外侧的空气流速
V
a
的拟合关系式
d
f
＝
f
d
(T
s
)
＝
A1T
s2
+B1T
s
+C1，
T
f
＝
f
T
(T
s
)
＝
A2T
s
+B
，
V
a
＝
f
V
(T
s
)
＝
A3T
s2
+B3T
s
+C3；公式中
A1、B1、C1、A2、B2、A3、B3、C3分别为拟合出的常数；
[0008]步骤三
、
建立与某一运行时刻
t
n
对应的
LNG
空温式气化器结霜时的等效导热系数计算模型：将每单位长度的每根结霜翅片管在某一运行时刻
t
n
增加的霜层热阻
R
f
和该单位长度的翅片管的本体热阻
R
o
的和等效为未结霜条件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种
LNG
空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一
、
对
LNG
空温式气化器进行现场运行测试，测量现场环境温度
T0、
湿度
H0和大气压力
P0，测量某一运行时刻
t
n
下的气化器进口处液化天然气的压力
P
in
和气化器出口处天然气的压力
P
out
、
气化器进口处液化天然气的流速
V
in
和气化器进口处液化天然气的温度
T
in
，以及气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度
T
s
、
霜层温度
T
f
，霜层厚度
d
f
和翅片管表面霜层外侧的空气流速
V
a
，所述的不同位置指的是每个形成结霜的翅片管翅片的外壁从上到下至少三个等距点位；步骤二
、
通过数据处理软件将采集的所有形成结霜的翅片管在某个运行时刻
t
n
下不同位置处的霜层温度
T
f
、
霜层厚度
d
f
和翅片管表面霜层外侧的空气流速
V
a
分别与翅片管外壁温度
T
s
的数据拟合分析，通过最小二乘法得到某一运行时刻
t
n
下的整个气化器的所有结霜翅片管外壁温度
T
s
与霜层厚度
d
f
、
霜层温度
T
f
、
翅片管表面霜层外侧的空气流速
V
a
的拟合关系式
d
f
＝
f
d
(T
s
)
＝
A1T
s2
+B1T
s
+C1，
T
f
＝
f
T
(T
s
)
＝
A2T
s
+B
，
V
a
＝
f
V
(T
s
)
＝
A3T
s2
+B3T
s
+C3；公式中
A1、B1、C1、A2、B2、A3、B3、C3分别为拟合出的常数；步骤三
、
建立与某一运行时刻
t
n
对应的
LNG
空温式气化器结霜时的等效导热系数计算模型：将每单位长度的每根结霜翅片管在某一运行时刻
t
n
增加的霜层热阻
R
f
和该单位长度的翅片管的本体热阻
R
o
的和等效为未结霜条件下该单位长度翅片管的导热热阻
R
e
，并将等效后的导热热阻
R
e
的等效导热系数
λ
e
表示为所述单位长度的结霜翅片管的翅片管外壁温度
T
s
的函数，单位长度为气化器的几何网格划分时的最小网格的长度；公式中
λ
、d
in
、d
out
、A2、A2'、A
2”、A
m
和
β
均为固定值；
λ
为气化器材料铝合金的导热系数；
d
in
为翅片管内直径，
d
out
为翅片管外直径；
A2为单位长度翅片管的管外表面积；
A2'
为单位长度翅片管的管外无翅片部分表面积；
A
2”为单位长度翅片管的管外翅片部分表面积；
A
m
＝
l*[36/(
λ
*
δ
)]
1/2
，其中
l
为翅片高度，
δ
为翅片厚度；
β
为翅片管的肋化系数，
β
＝
A0/A2，
A0为翅片管的管内表面积，
A2为翅片管的管外表面积；
f
V
(T
s
)
是霜层外侧的空气流速
V
a
的函数表达关系式，
V
a
＝
f
V
(T
s
)
，
T
s
是气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度；
Z(T
s
)
是霜层热阻
R
f
的函数表达关系式，
R
f
＝
Z(T
s
)
＝
d
f
/
λ
f
＝
f
d
(T
s
)/g(T
s
)
，其中
g(T
s
)
是霜层导热系数
λ
f
的函数表达关系式，步骤四
、
在仿真软件中建立
LNG
空温式气化器整体几何模型，划分网格和计算域，选择物理模型和方程，设置所述的计算域的材料属性和边界条件，将气...

【专利技术属性】
技术研发人员：高文学，户英杰，王艳，严荣松，杨林，苗庆伟，杨明畅，
申请(专利权)人：中国市政工程华北设计研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：