CN112364465B - 一种空温式气化器支腿高度的计算方法 - Google Patents

一种空温式气化器支腿高度的计算方法 Download PDF

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Abstract

一种空温式气化器支腿高度的计算方法，包含气化器参数标定单元、可视化处理单元和计算单元，所述气化器参数标定单元分为气化器结构参数标定模块和气化器工作条件参数标定模块，所述可视化处理单元包括几何模型构建模块、物理模型构建模块、模型计算模块和底部截面温度场显示，所述计算单元包括截面露点百分比指标PIT计算单元和PIT斜率计算单元。本发明流程清晰，公式简单，可直接判断出在不同地区不同工作条件下空温式气化器支腿高度，为空温式气化器支腿高度设计和制造提供了重要依据。

Description

一种空温式气化器支腿高度的计算方法
技术领域：
本发明属于空温式气化器的设计技术领域，尤其涉及一种空温式气化器支腿高度的计算方法。
背景技术：
空温式气化器是一种利用空气对流加热换热管中低温液体，使其完全蒸发成气体的换热设备。常用与将液态天然气、液态石油气、液氧、液氮、液氩等气体转变为常温气体，以满足陶瓷、钢铁、天然气行业等领域的应用要求。
空温式气化器工作时湿空气从气化器顶部和侧面流入，与气化器换热完成后温度降低从底部流出。气化器支腿高度过低时，从气化器底部流出的低温空气密度大于环境空气温度，不能很好地流动开来，在地面附近聚集，导致近地面空气温度场温度降低，并且一部分从底部流出的湿空气因为温度过低在翅片管附近形成冷雾。
低温温度场以及冷雾会有两大危害：一是影响气化器周围空气温度场温度分布，冷空气积聚过多导致气化器周围空气温度降低，气化器换热效率降低并且容易产生冷雾及结霜现象；二是冻伤气化器场站的工作人员。
气化器支腿不能设置过高，支腿高度过高会增加气化器整体高度以及制造成本，气化器整体高度提高导致气化器所受风载增大，降低气化器抗震能力。
因此，如何通过确定气化器最优支腿高度，以缓解气化器底部温度场冷空气聚集现象，避免冷雾及结霜现象的产生，并做到保护场站工作人员具有重大生产意义。
发明内容：
本发明的目的是提供一种空温式气化器支腿高度的计算方法，该算法流程清晰，公式简单，可直接判断出在不同地区不同工作条件下空温式气化器支腿高度，为空温式气化器支腿高度设计和制造提供了重要依据。
如上构思，本发明的技术方案是：一种空温式气化器支腿高度的计算方法，其特征在于：包含气化器参数标定单元、可视化处理单元和计算单元三个单元，所述气化器参数标定单元分为气化器结构参数标定模块和气化器工作条件参数标定模块，所述可视化处理单元包括几何模型构建模块、物理模型构建模块、模型计算模块和底部截面温度场显示，所述计算单元包括截面露点百分比指标PIT计算单元和PIT斜率计算单元，
该计算方法具体实施步骤如下：
a、将气化器相关数据输入气化器参数标定单元，在气化器结构参数标定模块中输入气化器的结构参数，包括翅片管外径d、翅片管管长L、翅片管管间距l，翅片高度h，在气化器工作条件参数标定模块中输入气化器工作条件参数，包括当地日平均温度T、当地空气湿度
Figure BDA0002819537530000022
当地空气露点温度Td；
b、进行可视化处理，首先根据空温式气化器结构参数及支腿计算取样高度构建空间几何模型对空温式气化器翅片管进行处理，确定计算域并划分网格，选择物理模型模拟得到气化器底部截面温度场分布情况及露点温度分布图；
c、在模拟得到的气化器底部截面露点温度分布图的基础上，采用像素分析法计算截面露点百分比PIT，求得截面露点百分比PIT斜率K，根据斜率K的限定值选取支腿高度。
进一步，结合Fluent模拟确定支腿高度取值范围为0.6～2m，并对支腿高度计算取样点进行选取，在高度区间[0.6，1]m与(1.5，2]m之间采用精度0.1m选取10个点，在高度区间(1，1.5]m之间采用精度0.05m选取10个点，共计20个取样点，即
Figure BDA0002819537530000021
进一步，所述步骤b中构建气化器空间几何模型对空温式气化器翅片管进行处理时，采用矩形方管模型表示翅片管，矩形方管模型的矩形截面为翅片管外切矩形，具体截面尺寸确定方式如下：
a＝d+2h
a—矩形截面边长m
d—翅片管外管径m
h—翅片高度m
步骤b中计算域分为两部分确定，以支腿高度以上2m水平截面为分界面，每一部分均为长方体，第一计算域为分界面以下部分，该部分计算域长方体高为气化器支腿高度加2m，长与宽分别为气化器水平截面长与宽的6倍，第二计算域为分界面以上部分，该部分计算域长方体高度为气化器管长高度减1m，长与宽为气化器截面长与宽各加6m，具体计算方式如下：
L1＝(N-1)l+2h+d
L2＝(M-1)l+2h+d
L′1＝6L1
L′2＝6L2
H′＝H+2
L″1＝L1+6
L″2＝L2+6
H″＝L-1
L1—气化器截面长度m
L2—气化器截面宽度m
H—气化器支腿高度m
N—气化器横向排管数个
M—气化器纵向排管数个
L′1—第一计算域长度m
L′2—第一计算域宽度m
H′—第一计算域高度m
L″1—第二计算域长度m
L″2—第二计算域宽度m
H″—第二计算域高度m。
进一步，所述步骤b中物理模型采用Realizable k-ε湍流计算模型，表示如下：
Figure BDA0002819537530000031
Figure BDA0002819537530000032
Figure BDA0002819537530000041
Figure BDA0002819537530000042
Figure BDA0002819537530000043
Figure BDA0002819537530000044
其中，-<ui′uj′>为雷诺应力；νt为涡粘性系数。
进一步，所述步骤c中定义截面露点百分比指标PIT为截面温度场评价指标，利用像素分析法求截面露点百分比指标PIT，将当地空气露点温度Td作为温度分界指标，定义截面露点百分比指标PIT为截面温度场评价指标，具体操作过程为：将气化器底部截面温度显示范围设置为露点温度Td至环境温度T得到露点温度分布图，通过软件Photoshop像素统计功能计算各温度分布范围的面积，并计算截面露点百分比指标PIT，
Figure BDA0002819537530000045
步骤c中根据不同支腿高度H所得PIT值绘制PIT—H曲线图，求得PIT斜率K,取斜率K小于0.01时的最小支腿高度值为最佳支腿高度值。
本发明利用市场调研数据将支腿高度离散处理，得到20个支腿高度计算取样点，结合气化器结构参数及工作条件参数建立气化器与空气换热的空间几何模型并对模型进行简化。选用相对于其他k-ε湍流计算模型占用计算内存较少，计算速度快，计算用时少的Realizable k-ε湍流计算模型，得到可视结果气化器底部截面温度场分布，并将其转化为气化器底部露点温度分布图，可以直观地显示气化器底部截面温度场及可能出现冷雾区域面积。定义气化器底部截面温度场判断指标PIT并计算其斜K率，根据斜率K大小判断气化器底部截面低于空气露点温度区域随气化器支腿高度H变化进而判断最佳支腿高度。利用本发明算法可直接判断出在不同地区不同工作条件下空温式气化器支腿高度，为空温式气化器支腿高度设计和制造提供了重要依据，且流程清晰，公式简单。
附图说明：
图1本发明计算方法单元模块结构图；
图2本发明数据流程图；
图3本发明几何模型简化示意图；
图4本发明模型计算区域示意图；
图5本发明气化器底部截面露点温度分布示意图；
图6本发明不同支腿高度PIT—H曲线示意图；
图7本发明不同支腿高度斜率K变化示意图。
具体实施方式：
如图1所示：本发明提供一种空温式气化器支腿高度的计算方法，包含气化器参数标定单元、可视化处理单元和计算单元三个单元，通过三个单元相互配合，实现对空温式气化器最佳支腿高度进行确定。所述气化器参数标定单元分为气化器结构参数标定模块和气化器工作条件参数标定模块，该模块功能主要是将气化器设计时的获取的结构参数及工作条件参数进行标定。所述可视化处理单元包括几何模型构建模块、物理模型构建模块、模型计算模块和底部截面温度场显示，其主要功能是将气化器参数标定单元的参数构建几何模型并进行相应的模型简化，根据模型的传热传质情况选定Realizable k-ε湍流计算模型，设置计算条件，最后模拟得到可视化结果露点温度分布图。所述计算单元包括截面露点百分比指标PIT(The Percentage Index To Judge The Temperature Distribution Of TheCross Section)计算单元和PIT斜率计算单元，这一模块功能是将可视化结果利用像素分析法进行处理，通过定义评价指标以及判断标准来确定支腿最佳高度。
计算中数据调用的流程如图2所示，具体步骤如下：
a、将气化器相关数据输入气化器参数标定单元。气化器结构参数标定模块中输入气化器的结构参数，包括翅片管外径d、翅片管管长L、翅片管管间距l，翅片高度h；在气化器工作条件参数标定模块输入气化器工作条件参数，包括当地日平均温度T、当地空气湿度
Figure BDA0002819537530000051
当地空气露点温度Td。
b、进行可视化处理，首先根据空温式气化器结构参数及支腿计算取样高度构建空间几何模型，对空温式气化器翅片管进行简化处理，用截面为矩形的方管模型表示翅片管。确定计算域并划分网格，选择合理的物理模型，模拟得到气化器底部截面温度场分布情况及露点温度分布图。
根据市场调研数据及相关模拟资料确定20个气化器支腿高度计算取样点。市场现有空温式气化器支腿高度H范围为1～1.5m，结合Fluent模拟确定支腿高度取值范围为0.6～2m，并对支腿高度计算取样点进行选取。在高度区间[0.6，1]m与(1.5，2]m之间采用精度0.1m选取10个点；在高度区间(1，1.5]m之间采用精度0.05m选取10个点；共计20个取样点。
表1支腿高度计算取样点
Figure BDA0002819537530000061
如图3所示，在构建气化器空间几何模型时采用矩形方管模型表示翅片管，矩形方管模型矩形截面为翅片管外切矩形，具体截面尺寸确定方式如下：
a＝d+2h
a—矩形截面边长m
d—翅片管外管径m
h—翅片高度m。
如图4所示，在计算域确定时将计算域与分为两部分确定，以支腿高度以上2m水平截面为分界面，每一部分均为长方体。第一计算域为分界面以下部分，该部分计算域长方体高为气化器支腿高度加2m，长与宽分别为气化器水平截面长与宽的6倍。第二计算域为分界面以上部分，该部分计算域长方体高度为气化器管长高度减1m，长与宽为气化器截面长与宽各加6m。具体计算方式如下：
L1＝(N-1)l+2h+d
L2＝(M-1)l+2h+d
L′1＝6L1
L′2＝6L2
H′＝H+2
L″1＝L1+6
L″2＝L2+6
H″＝L-1
L1—气化器截面长度m
L2—气化器截面宽度m
H—气化器支腿高度m
N—气化器横向排管数个
M—气化器纵向排管数个
L′1—第一计算域长度m
L′2—第一计算域宽度m
H′—第一计算域高度m
L″1—第二计算域长度m
L″2—第二计算域宽度m
H″—第二计算域高度m
选用物理模型采用Realizable k-ε湍流计算模型，该计算模型相对于其他k-ε湍流计算模型占用计算内存较少，计算速度快，计算用时少。模型表示如下：
Figure BDA0002819537530000071
Figure BDA0002819537530000072
Figure BDA0002819537530000073
Figure BDA0002819537530000074
Figure BDA0002819537530000075
Figure BDA0002819537530000076
其中，-<ui′uj′>为雷诺应力；vt为涡粘性系数。
c、在模拟得到气化器底部截面露点温度分布图的基础上，采用像素分析法计算截面露点百分比PIT，求得截面露点百分比PIT斜率K，根据斜率K的限定值选取支腿高度。
利用像素分析法计算截面露点百分比指标PIT，方法如下：将当地空气露点温度Td作为温度分界指标，定义截面露点百分比指标PIT为截面温度场评价指标，具体操作过程为：将气化器底部截面温度显示范围设置为露点温度Td至环境温度T得到露点温度分布图，其中，1表示温度小于露点温度区域的面积，2表示表示温度小于露点温度区域的面积，如图5所示。通过软件Photoshop像素统计功能计算各温度分布范围的面积，并计算截面露点百分比指标PIT。
Figure BDA0002819537530000081
根据不同支腿高度H所得PIT值绘制PIT—H曲线图，如图6所示，求得PIT斜率K，如图7所示，取斜率K小于0.01时的最小支腿高度值为最佳支腿高度值。
本发明利用气化器参数标定单元标定气化器的基础参数和工作条件参数，通过可视化处理单元建立气化器的几何、物理模型并模拟得到截面露点分布图，在计算单元中使用像素分析法求解计算截面露点百分比PIT及其斜率，根据斜率约束条件判断最佳支腿高度。本发明流程清晰，公式简单，可直接判断出在不同地区不同工作条件下空温式气化器支腿高度，为空温式气化器支腿高度设计和制造提供了重要依据。

Claims (5)

1.一种空温式气化器支腿高度的计算方法，其特征在于：包含气化器参数标定单元、可视化处理单元和计算单元三个单元，所述气化器参数标定单元分为气化器结构参数标定模块和气化器工作条件参数标定模块，所述可视化处理单元包括几何模型构建模块、物理模型构建模块、模型计算模块和底部截面温度场显示，所述计算单元包括截面露点百分比指标PIT计算单元和PIT斜率计算单元，
该计算方法具体实施步骤如下：
a、将气化器相关数据输入气化器参数标定单元，在气化器结构参数标定模块中输入气化器的结构参数，包括翅片管外径d、翅片管管长L、翅片管管间距l，翅片高度h，在气化器工作条件参数标定模块中输入气化器工作条件参数，包括当地日平均温度T、当地空气湿度
Figure FDA0002819537520000011
当地空气露点温度Td；
b、进行可视化处理，首先根据空温式气化器结构参数及支腿计算取样高度构建空间几何模型对空温式气化器翅片管进行处理，确定计算域并划分网格，选择物理模型模拟得到气化器底部截面温度场分布情况及露点温度分布图；
c、在模拟得到的气化器底部截面露点温度分布图的基础上，采用像素分析法计算截面露点百分比PIT，求得截面露点百分比PIT斜率K，根据斜率K的限定值选取支腿高度。
2.根据权利要求1所述的一种空温式气化器支腿高度的计算方法，其特征在于：结合Fluent模拟确定支腿高度取值范围为0.6～2m，并对支腿高度计算取样点进行选取，在高度区间[0.6，1]m与(1.5，2]m之间采用精度0.1m选取10个点，在高度区间(1，1.5]m之间采用精度0.05m选取10个点，共计20个取样点，即：
Figure FDA0002819537520000012
3.根据权利要求1所述的一种空温式气化器支腿高度的计算方法，其特征在于：所述步骤b中构建气化器空间几何模型对空温式气化器翅片管进行处理时，采用矩形方管模型表示翅片管，矩形方管模型的矩形截面为翅片管外切矩形，具体截面尺寸确定方式如下：
a＝d+2h
a-矩形截面边长m
d-翅片管外管径m
h-翅片高度m
步骤b中计算域分为两部分确定，以支腿高度以上2m水平截面为分界面，每一部分均为长方体，第一计算域为分界面以下部分，该部分计算域长方体高为气化器支腿高度加2m，长与宽分别为气化器水平截面长与宽的6倍，第二计算域为分界面以上部分，该部分计算域长方体高度为气化器管长高度减1m，长与宽为气化器截面长与宽各加6m，具体计算方式如下：
L1＝(N-1)l+2h+d
L2＝(M-1)l+2h+d
L′1＝6L1
L′2＝6L2
H′＝H+2
L″1＝L1+6
L″2＝L2+6
片″＝L-1
L1-气化器截面长度m
L2-气化器截面宽度m
片-气化器支腿高度m
N-气化器横向排管数个
M-气化器纵向排管数个
L′1-第一计算域长度m
L′2-第一计算域宽度m
H′-第一计算域高度m
L″1-第二计算域长度m
L″2-第二计算域宽度m
H″-第二计算域高度m。
4.根据权利要求1所述的一种空温式气化器支腿高度的计算方法，其特征在于：所述步骤b中物理模型采用Realizable k-ε湍流计算模型，表示如下：
Figure FDA0002819537520000031
Figure FDA0002819537520000032
Figure FDA0002819537520000033
Figure FDA0002819537520000034
Figure FDA0002819537520000035
Figure FDA0002819537520000036
其中，-<ui′uj′>为雷诺应力；vt为涡粘性系数。
5.根据权利要求1所述的一种空温式气化器支腿高度的计算方法，其特征在于：所述步骤c中定义截面露点百分比指标PIT为截面温度场评价指标，利用像素分析法求截面露点百分比指标PIT，将当地空气露点温度Td作为温度分界指标，定义截面露点百分比指标PIT为截面温度场评价指标，具体操作过程为：将气化器底部截面温度显示范围设置为露点温度Td至环境温度T得到露点温度分布图，通过软件Photoshop像素统计功能计算各温度分布范围的面积，并计算截面露点百分比指标PIT，
Figure FDA0002819537520000037
步骤c中根据不同支腿高度H所得PIT值绘制PIT-H曲线图，求得PIT斜率K，取斜率K小于0.01时的最小支腿高度值为最佳支腿高度值。
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