CN115898854B

CN115898854B - 一种海洋lng冷能回收泵空化可视化实验系统

Info

Publication number: CN115898854B
Application number: CN202310016802.0A
Authority: CN
Inventors: 王聪; 郭琳; 黄崇亮; 李卓良; 孔亚龙; 刘志刚; 吕明明
Original assignee: Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2023-01-06
Filing date: 2023-01-06
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2043-01-06
Also published as: CN115898854A

Abstract

本发明公开一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，属于低温泵空化实验成像技术领域，包括真空隔热仓，真空隔热仓为透明绝缘材质，真空隔热仓固定连通有真空生成模块，真空隔热仓内部固定设置有低温泵实验舱，低温泵实验舱内固定设置有低温泵，低温泵外侧壁固定设置有空化份额成像模块，低温泵实验舱外侧壁固定连接有电容层析成像模块，低温泵实验舱连通有变工况模块一端，变工况模块另一端连通有存储模块；本发明有助于研究低温流体在压力、温度以及转速变工况情况下空化泡群产生、发展以及溃灭演变过程的诱发机理。同时，本发明具有预测效率高、可靠性强等优势。

Description

一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统

技术领域

本发明属于低温泵空化实验成像技术领域，特别是涉及一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统。

背景技术

近年来，海洋中蕴含着丰富的生物资源、矿物资源以及海洋能资源，在不久以后，必将成为世界经济社会发展的重要资源宝库，温差能是依附于海水中的可再生资源，温差能是指海洋表层和深层海水之间温差储存的热能，利用这种热能可以实现循环发电。但是，海洋表层温度与深层海水温度之间的温差小，在海洋中海水深度每下降1000米，海水温度就会下降1℃-2℃，在水深3000米至4000米处，海水温度也只有2℃至1℃。随着深度的增加，开采成本显著增加。天然气作为一种清洁能源，日益得到广泛的应用。为克服地理条件的限制，天然气在远距离输运时，往往以液态形式储存，即液化天然气(LNG)。在LNG接收端，温度为-162°C的LNG需要经过气化过程才能输运到用户终端，气化过程中，每吨LNG将释放出大约830-860 MJ的能量。传统气化方法直接通过海水气化器或者空气气化器将冷能释放到环境中去，造成了极大的能源浪费。目前，利用LNG冷能与海洋表层海水温差发电是最有效的温差能利用方式之一。

以LNG泵为代表的低温泵在输运LNG过程中起着心脏的作用，是运输液化天然气的动力部分，其性能优劣直接影响到温差发电效率。但是，空化汽蚀现象是在低温泵运行过程中极易发生的一种现象。空化是指当液体中局部压力低于当地温度下饱和蒸气压时，在液体内部或者固液交界面上形成蒸汽空泡或空穴的过程。在空化过程中，伴随着质量、能量和动量的急速变化。常温水体中的空化过程通常被认为是忽略换热的等温过程，只针对饱和蒸气压、速度、涡量等参数进行定性研究。但是，诸如LNG、液氧、液氮之类的“热敏流体”具有极小液/气密度比以及显著的相变温差，受热力学效应、叶片高速旋转等因素的影响，导致空化泡群在分布上出现重叠、颗粒化分布，汽液界面高度模糊化，光路与射线难以清晰捕捉相分布特征，同时在旋转边壁与深低温环境影响下，介入式测量方法干扰流场并存在安全隐患，导致常规的多相流动测试手段难以直接应用于旋转交变流场热敏流体空化研究中。

低温泵在实现LNG冷能驱动海洋温差能发电过程中，由于温度及流量波动易出现空化。不同于常温工况，低温空化由于受热力学效应以及低温流体特殊热物性的影响，往往难以通过常规的高速摄像等非侵入式测量手段进行观测，采用探针等接触式测量则容易造成泄露，产生安全隐患，因此对于低温泵内空化流的诱发机理始终未有清晰的认识。

因此，需要设计一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，以解决目前在热力学效应影响下低温空化气泡成像模糊的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，包括真空隔热仓，所述真空隔热仓为透明绝缘材质，所述真空隔热仓固定连通有真空生成模块，所述真空隔热仓内部固定设置有低温泵实验舱，所述低温泵实验舱内固定设置有低温泵，所述低温泵外侧壁固定设置有空化份额成像模块，所述低温泵实验舱外侧壁固定连接有电容层析成像模块，所述低温泵实验舱连通有变工况模块一端，所述变工况模块另一端连通有存储模块；

所述空化份额成像模块包括宏观瞬态传感器、红外温度成像仪，所述宏观瞬态传感器固定设置在所述低温泵外侧壁，所述红外温度成像仪固定设置在所述低温泵入口一侧；

所述真空生成模块、变工况模块、存储模块、宏观瞬态传感器、红外温度成像仪电性连接有中控台。

优选的，所述宏观瞬态传感器包括振动计、声级计、压力脉动传感器、多通道电源适配器，所述振动计、声级计与所述低温泵外侧壁固定连接，所述压力脉动传感器与所述低温泵出口连通，所述振动计、声级计、压力脉动传感器与所述多通道电源适配器电性连接，所述多通道电源适配器与所述中控台电性连接。

优选的，所述电容层析成像模块包括电极板，所述电极板与所述低温泵实验舱外侧壁固定连接，所述电极板电性连接有电容采集器一端，所述电容采集器另一端电性连接有图像重建计算机。

优选的，所述真空生成模块包括液环真空泵，所述液环真空泵通过管道与所述真空隔热仓连通，所述管道上设置有真空压力表，所述液环真空泵与所述中控台电性连接。

优选的，所述变工况模块包括压力变送器，所述压力变送器入口与所述存储模块连通，所述压力变送器出口连通有温度变送器入口，所述温度变送器出口与所述低温泵连通，所述低温泵还固定连接有三相异步电机的输出轴，所述压力变送器、温度变送器、三相异步电机与所述中控台电性连接。

优选的，所述低温泵实验舱通过“十字”固定架悬浮固定在所述真空隔热仓内部，所述真空隔热仓开设有正面孔、上面孔、后面孔，所述正面孔连通有低温液体供给管道，所述上面孔连通有低温液体出口管道，所述后面孔为所述三相异步电机与所述低温泵固定连接的密封孔。

优选的，所述存储模块包括两个液氮杜瓦罐，所述液氮杜瓦罐第一出口与气动三通阀第一入口连通，所述液氮杜瓦罐第二出口设置有阀门，所述气动三通阀第二入口连通有空气压缩机，所述气动三通阀第三入口连通有背压安全阀，所述气动三通阀出口连通有开关阀入口，所述开关阀出口与所述压力变送器入口连通。

本发明具有如下技术效果：

1.变工况模块可调节来流温度与压力，避免来流温度与压力的波动影响空化结果，可以实现对低温泵实验舱入口来流温度的准确和稳定控制。提高实验空化的可信度。

2.真空隔热仓采用透明材质，配合空化份额成像模块实现了对低温泵内部空化流动的高清拍摄；

3.真空生成模块中的真空绝热环境，可有效隔绝热传导对能量的交换，避免传热对空化气泡生成、发展以及溃灭的二次影响。

4.利用红外温度成像仪与电容层析成像模块可将温度与电介质常数进行数理关联，转换成对空化气泡群的表征的捕捉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统的整体结构示意图；

图2为空化气泡成像原理示意图。

其中，1、液氮杜瓦罐；2、气动三通阀；3、开关阀；4、背压安全阀；5、中控台；6、液环真空泵；7、压力变送器；8、温度变送器；9、宏观瞬态传感器；10、三相异步电机；11、真空隔热仓；12、真空压力表；13、电极板；14、红外温度成像仪；15、同轴电缆；16、电容采集器；17、USB电缆；18、图像重建计算机；19、空化截面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-图2，本发明提供一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，包括真空隔热仓11，真空隔热仓11为透明绝缘材质，真空隔热仓11固定连通有真空生成模块，真空隔热仓11内部固定设置有低温泵实验舱，低温泵实验舱内固定设置有低温泵，低温泵外侧壁固定设置有空化份额成像模块，低温泵实验舱外侧壁固定连接有电容层析成像模块，低温泵实验舱连通有变工况模块一端，变工况模块另一端连通有存储模块；

空化份额成像模块包括宏观瞬态传感器9、红外温度成像仪14，宏观瞬态传感器9固定设置在低温泵外侧壁，红外温度成像仪14固定设置在低温泵入口一侧；

真空生成模块、变工况模块、存储模块、宏观瞬态传感器9、红外温度成像仪14电性连接有中控台5。

进一步优化方案，宏观瞬态传感器9包括振动计、声级计、压力脉动传感器、多通道电源适配器，振动计、声级计与低温泵外侧壁固定连接，压力脉动传感器与低温泵出口连通，振动计、声级计、压力脉动传感器与多通道电源适配器电性连接，多通道电源适配器与中控台5电性连接。

宏观瞬态传感器9将红外温度成像仪14采集数据与电介质极化电容进行数理整合，振动计、声级计、压力脉动传感器通过信号线与多通道电源适配器电性连接，多通道电源适配器通过电缆与中控台5连接，可在中控台5显示振动频率、声噪参数、脉动压力等。宏观瞬态传感器9收集到信号后，采用离散时间傅里叶变换（DTFT）开展连续时间信号频谱分析对信号进行处理。

进一步优化方案，电容层析成像模块包括电极板13，电极板13与低温泵实验舱外侧壁固定连接，电极板13电性连接有电容采集器16一端，电容采集器16另一端电性连接有图像重建计算机18。

电极板13通过电流激励产生电势，将工作流体内的空化气泡电介质极化，并对极化电势进行采集。

电极板13通过同轴电缆15与电容采集器16电性连接，电容采集器16通过USB电缆17与图像重建计算机18电性连接。

红外温度成像仪14固定于低温泵入口左侧；红外温度成像仪14通过电缆与图像重建计算机18电性连接。

电容层析成像原理：基于电容层析成像介电感应理论，并配合红外成像技术，同步获得流场汇总不同温度下介电常数分布特征，进而利用温度修正的Maxwell关联式得到流场汇总的相含率分布。

温度修正的Maxwell关联式：

其中，

表示气相含率，

表示介电常数，

是混合相，

是液相，

是气相。

进一步优化方案，真空生成模块包括液环真空泵6，液环真空泵6通过管道与真空隔热仓11连通，管道上设置有真空压力表12，液环真空泵6与中控台5电性连接。

液环真空泵6为真空隔热仓11提供真空环境，液环真空泵6通过电缆与中控台5电性连接，液环真空泵6通过密封管道与真空隔热仓11密封连接；真空压力表12设置在密封管道中央位置。

进一步优化方案，变工况模块包括压力变送器7，压力变送器7入口与存储模块连通，压力变送器7出口连通有温度变送器8入口，温度变送器8出口与低温泵连通，低温泵还固定连接有三相异步电机10的输出轴，压力变送器7、温度变送器8、三相异步电机10与中控台5电性连接。

压力变送器7、温度变送器8、三相异步电机10通过电缆与中控台5电性连接，中控台5可以控制变送压力与温度，并通过三相异步电机10控制低温泵转速，中控台5还可以显示压力、温度数值。

压力变送器7出口通过管道与温度变送器8入口连通，温度变送器8出口通过管道穿过真空隔热仓11与低温泵接通。

进一步优化方案，低温泵实验舱通过“十字”固定架悬浮固定在真空隔热仓11内部，真空隔热仓11开设有正面孔、上面孔、后面孔，正面孔连通有低温液体供给管道，上面孔连通有低温液体出口管道，后面孔为三相异步电机10与低温泵固定连接的密封孔。

真空隔热仓11仓壁通过外部法兰与低温液体供给管道、低温液体出口管道连通。

进一步优化方案，存储模块包括两个液氮杜瓦罐1，液氮杜瓦罐1第一出口与气动三通阀2第一入口连通，液氮杜瓦罐1第二出口设置有阀门，气动三通阀2第二入口连通有空气压缩机，气动三通阀2第三入口连通有背压安全阀4，气动三通阀2出口连通有开关阀3入口，开关阀3出口与压力变送器7入口连通。

空气压缩机与中控台5通过电缆连接，受中控台5控制，用于驱动整个系统内的液氮流动，背压安全阀4用于稳定整个系统的安全压力，液氮杜瓦罐1第一出口与气动三通阀2第一入口通过管道来连通，液氮杜瓦罐1第二出口安装有压力指示器，压力指示器与中控台5电性连接，可显示低温液体现存量，开关阀3出口通过管道与压力变送器7入口连通。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，其特征在于，包括真空隔热仓（11），所述真空隔热仓（11）为透明绝缘材质，所述真空隔热仓（11）固定连通有真空生成模块，所述真空隔热仓（11）内部固定设置有低温泵实验舱，所述低温泵实验舱内固定设置有低温泵，所述低温泵外侧壁固定设置有空化份额成像模块，所述低温泵实验舱外侧壁固定连接有电容层析成像模块，所述低温泵实验舱连通有变工况模块一端，所述变工况模块另一端连通有存储模块；

所述空化份额成像模块包括宏观瞬态传感器（9）、红外温度成像仪（14），所述宏观瞬态传感器（9）固定设置在所述低温泵外侧壁，所述红外温度成像仪（14）固定设置在所述低温泵入口一侧；

所述真空生成模块、变工况模块、存储模块、宏观瞬态传感器（9）、红外温度成像仪（14）电性连接有中控台（5）。

2.根据权利要求1所述的一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，其特征在于，所述宏观瞬态传感器（9）包括振动计、声级计、压力脉动传感器、多通道电源适配器，所述振动计、声级计与所述低温泵外侧壁固定连接，所述压力脉动传感器与所述低温泵出口连通，所述振动计、声级计、压力脉动传感器与所述多通道电源适配器电性连接，所述多通道电源适配器与所述中控台（5）电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，其特征在于，所述电容层析成像模块包括电极板（13），所述电极板（13）与所述低温泵实验舱外侧壁固定连接，所述电极板（13）电性连接有电容采集器（16）一端，所述电容采集器（16）另一端电性连接有图像重建计算机（18）。

4.根据权利要求1所述的一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，其特征在于，所述真空生成模块包括液环真空泵（6），所述液环真空泵（6）通过管道与所述真空隔热仓（11）连通，所述管道上设置有真空压力表（12），所述液环真空泵（6）与所述中控台（5）电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，其特征在于，所述变工况模块包括压力变送器（7），所述压力变送器（7）入口与所述存储模块连通，所述压力变送器（7）出口连通有温度变送器（8）入口，所述温度变送器（8）出口与所述低温泵连通，所述低温泵还固定连接有三相异步电机（10）的输出轴，所述压力变送器（7）、温度变送器（8）、三相异步电机（10）与所述中控台（5）电性连接。

6.根据权利要求5所述的一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，其特征在于，所述低温泵实验舱通过“十字”固定架悬浮固定在所述真空隔热仓（11）内部，所述真空隔热仓（11）开设有正面孔、上面孔、后面孔，所述正面孔连通有低温液体供给管道，所述上面孔连通有低温液体出口管道，所述后面孔为所述三相异步电机（10）与所述低温泵固定连接的密封孔。

7.根据权利要求5所述的一种海洋LNG冷能回收泵空化可视化实验系统，其特征在于，所述存储模块包括两个液氮杜瓦罐（1），所述液氮杜瓦罐（1）第一出口与气动三通阀（2）第一入口连通，所述液氮杜瓦罐（1）第二出口设置有阀门，所述气动三通阀（2）第二入口连通有空气压缩机，所述气动三通阀（2）第三入口连通有背压安全阀（4），所述气动三通阀（2）出口连通有开关阀（3）入口，所述开关阀（3）出口与所述压力变送器（7）入口连通。