CN111896584A - 一种利用纳米流体强化换热的天然气热值快速测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用纳米流体强化换热的天然气热值快速测定方法。本发明首先将具有强传热特性的纳米流体注入热量计容器中，热量计容器被恒温绝热水套包围，两者之间抽真空；控制恒温绝热水套温度和控制真空绝热层的真空度，同时测量热量计容器内纳米流体的稳定温度。然后基于开放火焰燃烧法进行燃气热值的测定，在燃烧室内点燃燃气时，打开搅拌单元，屏蔽叶轮带动热量计容器中纳米流体流动，加快传热效果。本发明中的热量计容器里含有纳米流体传热介质，在搅拌器的搅拌下，纳米流体把燃气在燃烧器里燃烧的热量精确快速导出，形成均匀的纳米流体热量场，强化了介质传热，使温度测量更为精确迅速，从而提高了燃气的燃烧法的计量精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于传热技术领域，涉及燃气燃烧法，尤其涉及一种利用纳米流体强化换热的天然气热值快速测定方法。
背景技术
相对于其他传统能源，天然气等燃气以其高效、清洁、经济和安全等优点成为越来越多的能源选择，燃气在世界能源结构中所占比例不断上升，燃气工业不断发展。我国对燃气贸易计量的准确性要求越来越高，大型燃气高精度贸易交接的计量需求也不断增加。燃气计量数据作为贸易结算的主要凭证，其准确性直接影响企业效益，地位十分重要。
目前我国普遍采用的天然气计量方法较为落后，随着燃气工业的发展，燃气行业储运技术更新，大型燃气贸易交接计量口的不断增加，落后方法必将被更新，更合理的能量计量方法被采纳，从而满足我国对燃气贸易计量的准确性要求。
燃气的开放火焰燃烧法是一种高准确度燃气的能量计量方法，开放火焰燃烧法是指燃气样品在等温环境下定压燃烧，其又分为两类：吸热介质定流量法和定质量法，相比较之下，定质量法的精度更高。
吸热介质的热传导率会在一定程度上影响开放火焰燃烧法的精度，吸热介质的温升响应速度和温升效果又直接影响燃气计量的精度，目前开放火焰燃烧法的吸热介质大部分都是水，热响应慢，传热效率低，因此急需一种热响应好，效率高的替代介质提升现有的传热介质的传热效果，为直接燃烧法进一步提升为天然气能量的现场校准技术打下坚实的基础。
发明内容
本发明目的是针对现有技术不足，提出一种利用纳米流体强化换热的天然气热值快速测定方法，提高天然气热值燃烧法的测量效率。
一种利用纳米流体强化换热的天然气热值快速测定方法，基于开放火焰燃烧法，该方法具体是：
步骤1：将具有强传热特性的纳米流体注入热量计容器中，作为传热介质，所述热量计容器被恒温绝热水套包围，两者之间抽真空；
步骤2：控制恒温绝热水套温度和控制真空绝热层的真空度，同时测量热量计容器内纳米流体的稳定温度。
步骤3：从进气管道先充入氧气和氩气的混合物，使热量计容器中的燃烧室内充满气体，直到出气管道稳定出现氧气和氩气的混合物。
之后从进气管道充入一定量的燃气，并且通过精密气体质量流量传感器测得充入燃气的质量。
步骤4：在燃烧室内点燃燃气，同时打开搅拌单元，屏蔽叶轮在驱动电机驱动下转动，带动热量计容器中纳米流体流动，加快传热效果。热量计容器中的纳米流体快速传导燃烧室内产生的热量，一段时间后再次测量热量计容器内纳米流体的稳定温度。
步骤5：通过以下公式计算燃气热值H：
式中，ceq为热量计容器内纳米流体的当量比热容，ΔT为纳米流体的温升，mgas为燃气质量，K为考虑系统散热引起的热量修正值。
进一步说，所述的纳米流体由纳米颗粒和基底液组成。
进一步说，所述的纳米颗粒为金属及其氧化物纳米颗粒和/或非金属纳米颗粒。
进一步说，所述的纳米颗粒形状包括不同大小的球形、杆状或管状。
进一步说，所述的基底液包括水、变压器油、机油、松油醇和乙二醇。
进一步说，所述进气管路的燃气体积流量为0～80ml/min，进气压力为0.2～0.6MPa。
进一步说，在0～45ml/min的燃气体积流量下，选用大小为
的杆状TiO2纳米流体，在0.5～2.0vol％的体积分数下，可以增强32.8％左右的相对导热系数，使得整体不确定度优于0.042％。
在45～80ml/min的燃气体积流量下，选用直径为15nm的球状TiO2纳米流体，在0.5～5.0vol％的体积分数下，可以增强30.0％左右的相对导热系数，使得整体不确定度优于0.045％。
进一步说，所述的屏蔽叶轮与驱动电机匹配，通过磁力方式达到无轴非接触式驱动。
本发明的有益效果为：
1)热量计容器里含有纳米流体传热介质，在搅拌器的搅拌下，纳米流体把燃气在燃烧器里燃烧的热量精确快速导出，形成均匀的纳米流体热量场，强化了介质传热，使温度测量更为精确迅速，从而提高了燃气的燃烧法的计量精度和效率。
2)引入无接触式强制换热的屏蔽，结构简单，有效避免因搅拌结构热传导引起的热损失，进一步提高燃气燃烧法能量计量精度。
3)本发明大幅提升了天然气燃烧法的响应特性，使其可以作为天然气现场能量计量的技术方案。
附图说明
图1是本发明基于燃烧法的装置结构示意图。
图2是本发明热量计容器内部示意图。
附图中的标号分别为：
1、精密气体质量流量传感器；2、进气管道；3、真空压力表；4、屏蔽叶轮；5、驱动电机；6、真空绝热层；7、阀门；8、安全阀；9、支路阀门；10、出气管道；11、精密温度传感器；12、燃烧室；13、热量计容器；14、恒温绝热水套；131、纳米颗粒；132、基底液。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明所使用的装置包括燃烧室12、屏蔽叶轮4、驱动电机5、精密温度传感器11、热量计容器13、恒温绝热套14、真空压力表3、精密气体质量流量传感器1。燃烧室处于热量计容器中，热量计容器内充盈着纳米流体，热量计容器由恒温绝热水套与外界环境绝热，热量计容器与恒温绝热水套为真空绝热层6，其真空度由真空压力表获取。在热量计容器还布置有屏蔽叶轮。
所述的热量计容器用以纳米颗粒为分散介质的纳米流体作为传热介质，纳米颗粒受布朗力、重力、液体和颗粒间的摩擦力等作用，容易在流体内部形成布朗扩散和热扩散等微对流现象，这种微对流进一步增强了固体颗粒和基液的能量传递过程，使流体的对流传热得以强化，从而实现热量计容器的强化快速传热和准确控温，同时配合无接触式强制搅拌单元驱动屏蔽叶轮进行增强混合，杜绝了电机轴热传导对直接燃烧法的天然气热值测量结果的影响，由此提高燃烧法计量精度。
所述的纳米颗粒包括金属及其氧化物纳米颗粒(金、银、铝(氧化铝)、铜(氧化铜)、锌(氧化锌)等)、非金属纳米颗粒(碳纳米管、石墨烯等)、其他纳米颗粒(碳化物(碳化硅)、氮化物(氮化硅)、合金(铜铝合金、银铝合金、铜银合金等)等)，纳米颗粒粒径属于纳米量级，可以从几纳米到几百纳米不等，依据不同的传热需求和精度具体调整。
所述的纳米颗粒包含不同大小的球形、杆状、管状等纳米颗粒，不同形状和大小的纳米颗粒在相同浓度的纳米流体中传热效果一般不同。
所述的纳米流体在不同颗粒浓度的溶液中，传热系数不同，例如Al2O3/R141b(一氟二氯乙烷)纳米流体，传热性能随纳米颗粒浓度增加成非线性变化，质量分数为0.05％～0.1％之间，传热系数随颗粒浓度的增加而增加，当质量分数大于0.1％时，传热系数随颗粒浓度的增加而减少。
所述的纳米流体可以包含一种或多种颗粒，例如TiO2/SiC复合纳米流体。因为，TiO2/SiC复合纳米流体的导热系数比单一的TiO2或SiC纳米流体的导热系数高，具体采用的纳米流体依据具体的传热需求参数进行调整。
所述的纳米流体的基底液体不局限于水，可以是变压器油、机油、松油醇、乙二醇等，不同的基底液体会造成不同的传热效果。
优选的，基于无毒、经济、化学稳定性高、优异的分散性五个优点，选用了以水为基液、以TiO2为纳米颗粒的纳米流体。在0～45ml/min的燃气体积流量下，选用大小为
的杆状TiO2纳米流体，在0.5～2.0vol％的体积分数下，可以增强32.8％左右的相对导热系数，使得整体不确定度优于0.042％。在45～80ml/min的燃气体积流量下，选用直径为15nm的球状TiO2纳米流体，在0.5～5.0vol％的体积分数下，可以增强30.0％左右的相对导热系数，使得整体不确定度优于0.045％。下表给出了不同尺寸TiO2纳米颗粒与不同基底液对于最终导热系数的影响。
TiO2纳米流体的增强导热系数
基于上述装置，本发明方法包括以下步骤：
步骤1：选用一种基底液132与纳米颗粒131在规定容器中混合，形成某种具有强传热特性的纳米流体，通过阀门7的一个支路阀门注入热量计容器13中，例如，以水为纳米流体基底液体、大小为
的杆状TiO2纳米颗粒为溶质，形成体积分数为1.0vol％的杆状TiO2纳米流体，并通过阀门7的一个支路阀门注入热量计容器13中，阀门7另一支路阀门控制恒温绝热水套内的液体供给和排空。
步骤2：保证恒温绝热水套的精准控温，控制真空绝热层的真空度，并经由真空压力表3显示满足真空度要求，之后经过精密温度传感器11测得热量计容器内纳米流体的稳定温度。
步骤3：为避免发生剧烈的燃烧，从进气管道2先充入氧气和氩气的混合物，使燃烧室内充满气体，直到出气管道10稳定出现氧气和氩气的混合物，出气管道上设置有两个支路阀门9，其中的一个支路阀门后端管路上设置有安全阀8。之后从进气管道充入一定量的燃气(要保证燃气的完全燃烧)，并且通过精密气体质量流量传感器1测得充入燃气的质量；其中进气管路的燃气体积流量为0～80ml/min，进气压力为0.2～0.6MPa。
步骤4：在燃烧室内点燃燃气，同时打开搅拌单元，屏蔽叶轮在驱动电机驱动下转动，带动热量计容器中纳米流体流动，加快传热效果。热量计容器中的纳米颗粒和基底液组成的纳米流体快速传导燃烧室内产生的热量，一段时间后用精密温度传感器测得热量计容器内纳米流体的稳定温度。
步骤5：通过以下公式计算燃气热值：
式中，ceq为热量计容器内纳米流体的当量比热容(含燃烧室12、搅拌单元等)，ΔT为TiO2纳米流体的温升，mgas为燃气质量，K为考虑系统散热等引起的热量修正。
综上，本发明提出一种利用纳米流体取代水作为新型吸热介质，改善了原有吸热介质水的导热系数与传热特性，能够高效、高传热性能地进行能量输运，从而达到强化传热，提高热效应时间，降低热系统热阻，提升燃气计量效率，提高燃气燃烧法的测量效率的目的。
本发明不局限于上述的实施方式，凡依本发明申请范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种利用纳米流体强化换热的天然气热值快速测定方法，基于开放火焰燃烧法，其特征在于：
步骤1：将具有强传热特性的纳米流体注入热量计容器中，作为传热介质，所述热量计容器被恒温绝热水套包围，两者之间抽真空；
步骤2：控制恒温绝热水套温度和控制真空绝热层的真空度，同时测量热量计容器内纳米流体的稳定温度；
步骤3：从进气管道先充入氧气和氩气的混合物，使热量计容器中的燃烧室内充满气体，直到出气管道稳定出现氧气和氩气的混合物；
之后从进气管道充入一定量的燃气，并且通过精密气体质量流量传感器测得充入燃气的质量；
步骤4：在燃烧室内点燃燃气，同时打开搅拌单元，屏蔽叶轮在驱动电机驱动下转动，带动热量计容器中纳米流体流动，加快传热效果；热量计容器中的纳米流体快速传导燃烧室内产生的热量，一段时间后再次测量热量计容器内纳米流体的稳定温度；
步骤5：通过以下公式计算燃气热值H：
式中，ceq为热量计容器内纳米流体的当量比热容，ΔT为纳米流体的温升，mgas为燃气质量，K为考虑系统散热引起的热量修正值。
2.根据权利要求1所述的天然气热值快速测定方法，其特征在于：所述的纳米流体由纳米颗粒和基底液组成。
3.根据权利要求2所述的天然气热值快速测定方法，其特征在于：所述的纳米颗粒为金属及其氧化物纳米颗粒和/或非金属纳米颗粒。
4.根据权利要求2所述的天然气热值快速测定方法，其特征在于：所述的纳米颗粒形状包括不同大小的球形、杆状或管状。
5.根据权利要求2所述的天然气热值快速测定方法，其特征在于：所述的基底液包括水、变压器油、机油、松油醇和乙二醇。
6.根据权利要求1所述的天然气热值快速测定方法，其特征在于：所述进气管路的燃气体积流量为0～80ml/min，进气压力为0.2～0.6MPa。
7.根据权利要求2所述的天然气热值快速测定方法，其特征在于：
在0～45ml/min的燃气体积流量下，选用大小为
的杆状TiO2纳米流体，在0.5～2.0vol％的体积分数下，可以增强32.8％左右的相对导热系数，使得整体不确定度优于0.042％
在45～80ml/min的燃气体积流量下，选用直径为15nm的球状TiO2纳米流体，在0.5～5.0vol％的体积分数下，可以增强30.0％左右的相对导热系数，使得整体不确定度优于0.045％。
8.根据权利要求1所述的天然气热值快速测定方法，其特征在于：所述的屏蔽叶轮与驱动电机匹配，通过磁力方式达到无轴非接触式驱动。
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