一种船用重油液相热物性计算方法

技术领域

本发明涉及重油流动和喷雾仿真技术领域，尤其是一种船用重油液相热物性计算方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

重油通常是以原油产品经过蒸馏后剩余的残渣为基本原料，并通过混合轻质油品和性能添加剂加工而成的，其成分主要分布在两个沸点范围内，组成体系呈高度非对 称特征，且这种生产过程使重油成分和热物性并不固定，显然在流动和喷雾仿真研究 中以单组分表征重油物性无法客观反应其热物性，而以多组分表征重油热物性更具合 理性，但是过于复杂的多组分组成体系在缺少足够物性测量实验支撑的前提下，无疑 会增加推导计算误差；从重油热物性特征的角度考虑，采用三种及以上组分体系在流 动和喷雾仿真研究中对表征重油热物性不具有更明显的优势，反而会大幅加重仿真计 算量。此外，不同型号重油热物性差异较大，某一型号重油的热物性不具有普适性。

发明人发现，船用低速机的流动和喷雾过程经历了大幅度的温度变化，由于重油热物性受温度影响变化剧烈，在低速机流动仿真研究中需要提供重油大尺度温度范围 内的热物性数据，然而通常重油热物性数据极其有限，目前缺少可供仿真研究使用的 大尺度温度范围内以双组分替代重油表征其液相热物性的计算方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种船用重油液相热物性计算方法，解决现有技术中缺少可供仿真研究使用的大尺度温度范围内以双组分替代重油表 征其液相热物性的技术问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种船用重油液相热物性计算方法，包括如下步骤：

以双组分替代重油计算其热物性，双组分包括第一种虚拟组分和第二种虚拟组分， 其中第一种虚拟组分为低碳数烃类纯净物；

根据已知重油基本热物性计算得到重油在临界温度范围内的平均密度和平均运动 粘度，并根据平均密度和平均运动粘度计算得到重油平均动力粘度；

根据已知第一种虚拟组分热物性和重油平均动力粘度，计算第二种虚拟组分在第一温度和第二温度时的动力粘度；

关联并迭代计算出第二种虚拟组分在第一温度和第二温度时的运动粘度、动力粘度、密度和无量纲比重参数，进而计算第二种虚拟组分的基础特征参数；

根据基础特征参数计算第二种虚拟组分在临界温度范围内的液相导热系数、定压比热、表面张力系数、饱和蒸气压和蒸发热热物性参数。

如上所述的一种船用重油液相热物性计算方法，所述重油在临界温度范围内的平均密度，是根据重油已知一个设定温度条件下的密度，通过重油密度与温度关联式获 得。

如上所述的一种船用重油液相热物性计算方法，根据重油已知两个设定温度条件下的运动粘度，通过重油运动粘度与温度关联式，获得重油临界温度范围对应任意温 度的平均运动粘度。

如上所述的一种船用重油液相热物性计算方法，根据所述重油平均密度和所述平均运动粘度，得到临界温度范围对应任意温度的平均动力粘度。

如上所述的一种船用重油液相热物性计算方法，所述第二种虚拟组分在第一温度和第二温度时的动力粘度采用高粘度比石油馏分粘度混合原则获得。

如上所述的一种船用重油液相热物性计算方法，以所述第二种虚拟组分在第一温度和第二温度时的动力粘度为边界条件，可以获得第二种虚拟组分在第一温度和第二 温度时的运动粘度和无量纲比重，并进一步获得不同温度条件下的运动粘度、密度和 动力粘度。

如上所述的一种船用重油液相热物性计算方法，所述基础特征参数包括第二种虚拟组分的摩尔质量、Watson特征因子、标准沸点、临界温度和临界压力特征参数，所 述第二种虚拟组分的摩尔质量根据其所述运动粘度和无量纲比重计算获得。

如上所述的一种船用重油液相热物性计算方法，所述Watson特征因子根据所述摩尔质量和API比重值得到，所述API比重值根据所述第二种虚拟组分的无量纲比重获 得。

如上所述的一种船用重油液相热物性计算方法，所述标准沸点根据Watson特征因子得到，所述临界温度和临界压力根据所述第二种虚拟组分的无量纲比重和所述标准 沸点得到。

如上所述的一种船用重油液相热物性计算方法，所述液相导热系数根据标准沸点得到，所述定压比热根据所述Watson特征因子和所述无量纲比重得到，所述表面张力 系数根据Watson特征因子和临界温度得到，所述饱和蒸汽压根据临界温度、临界压力 和标准沸点得到，所述蒸发热根据所述标准沸点和所述临界温度得到。

上述本发明的有益效果如下：

本发明通过一种简易可行的计算方法，定量表征了重油热物性特征，通过计算出第二种虚拟组分临界温度范围内的运动粘度、动力粘度、导热系数、定压比热、表面 张力系数、饱和蒸气压和蒸发热参数，同时利用第二种虚拟组分的各项特征参数结合 第一种虚拟组分正十二烷物性的前述各项特征参数，提供了表征重油的双组分物性数 据，利用这两组数据可实现以重油作为燃料的船用柴油机系统内重油的流动和喷雾预 测。

考虑了重油高碳数大分子和低碳数小分子共存的高度非对称组分特征，可以为准确预测重油喷雾过程快速提供基础液相热物性数据，适用于以重油作为燃料的船用柴 油机系统内重油的流动和喷雾预测，应用前景广阔。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的流程图。

图2是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的重油平均密度示意图。

图3是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的重油平均运动粘度示意图。

图4是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的重油平均动力粘度示意图。

图5是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的第二种虚拟组分动力粘度示意图。

图6是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的第二种虚拟组分密度示意图。

图7是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的第二种虚拟组分导热系数示意图。

图8是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的第二种虚拟组分定压比热示意图。

图9是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的第二种虚拟组分表面张力系数示意图。

图10是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的第二种虚拟组分蒸发热示意图。

图11是本发明一种船用重油液相热物性计算方法的第二种虚拟组分饱和蒸气压示 意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术 人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中缺少可供仿真研究使用的大尺度温度范围内以双组分替代重油表征其液相热物性的的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提 出了一种船用重油液相热物性计算方法。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种船用重油液相热物性计算方法，包括如下步骤：

以双组分替代重油计算其热物性，双组分包括第一种虚拟组分和第二种虚拟组分， 其中第一种虚拟组分为低碳数烃类纯净物；

根据已知重油基本热物性计算得到重油在临界温度范围内的平均密度和平均运动 粘度，并根据平均密度和平均运动粘度计算得到重油平均动力粘度；

根据已知第一种虚拟组分热物性和重油平均动力粘度，计算第二种虚拟组分在第一温度和第二温度时的动力粘度；

关联并迭代计算出第二种虚拟组分在第一温度和第二温度时的运动粘度、动力粘度、密度和无量纲比重参数，进而计算第二种虚拟组分的基础特征参数；

根据基础特征参数计算第二种虚拟组分在临界温度范围内的液相导热系数、定压比热、表面张力系数、饱和蒸气压和蒸发热热物性参数。

具体的，对本实施例的一种船用重油液相热物性计算方法作进一步说明：

重油的基本热物性如下表：

表1

步骤1中，根据表1中的重油密度，重油在临界温度范围内的密度，是根据重油 已知一个设定温度条件下的密度，此设定温度为15℃，根据包含未知常数项C的重油 密度和温度数学关联式，计算其中常数项从而得到的，重油平均密度和温度的关联式 为：

其中，ρ为重油平均密度，单位为kg/m

步骤1中，根据表1中的重油运动粘度数据，通过重油粘度与温度关联式，计算 得到其中常数项A和常数项B，从而得到重油受温度影响的平均运动粘度值，如图3 所示。重油平均运动粘度和温度的关联式如下：

lg[lg(ν

A＝12.8356×(2.57059·D

B＝12.8356×(D

D

D

其中，ν

根据图2和图3数据，计算出重油平均动力粘度值，如图4所示。

假定正十二烷为第一种虚拟组分，且存在第二种虚拟组分，与正十二烷混合后可组成表1中重油，其中假定正十二烷摩尔分数占比20％，第二种虚拟组分摩尔分数占比80％。

查阅正十二烷和图4中重油动力粘度数据，得到310.93K和372.04K时两者的动 力粘度，并根据高粘度比石油馏分的混合粘度对数关系式，从而计算出第二种虚拟组 分在310.93K和372.04K的动力粘度值，如下表2所示。高粘度比石油馏分的混合粘 度对数关系式为：

其中，第i种石油馏分的动力粘度，单位为N·s/m

表2

重油无量纲比重SG

其中，ν

由于动力粘度和运动粘度存在如下关系：μ

其中，μ

根据上述石油馏分各项物理参数的关联性，形成了密度ρ

以表2中的第二种虚拟组分动力粘度为边界条件通过迭代计算出密度和温度关联式中常数项C值，从而得到第二种虚拟组分不同温度条件下的动力粘度值和密度值， 见图5和图6，同时得到运动粘度值和无量纲比重SG

根据第二种虚拟组分无量纲比重SG

根据Riazi-Daubert方法中摩尔质量分数、运动粘度和SG

其中，MW为第二种虚拟组分的摩尔质量，单位为g/mol。

Watson特征因子根据《API technical data book-petroleum refining》中图2B2.2， 利用已计算得到的摩尔质量和API比重查图获得，并通过标准沸点和Watson特征因子 关系式计算得到标准沸点，该关系式为：

其中，T

根据Lee-Kesler方法利用无量纲比重SG

T

(14410-1.0069×10

其中，T

根据导热系数和标准沸点的关联式计算导热系数，结果如图7所示，该关联式为：

其中，

根据定压比热、Watson特征因子和SG

表面张力系数根据如下关联式计算得到，结果如图9所示：

其中，Tr为对比温度，Tr＝T/Tc，单位为K。

根据蒸发热、标准沸点和临界温度的关联式计算蒸发热，结果如图10所示，该关联式为：

利用对比压力解析式计算得到第二种虚拟组分的饱和蒸气压，如图11所示，饱和蒸气压的对比压力解析式为：

lnP

其中，Ω为修正的偏心因子；

修正偏心因子Ω根据对比温度为0.5时的对比压力计算，其计算式为：

饱和蒸气压解析式中两项对比压力的计算式为：

其中，Pr为对比压力，Pr＝P/Pc；Tr为对比温度，Tr＝T/Tc。

以平均标准沸点为参考点，根据上述计算式计算得出Ω值，并计算第二种虚拟组分临界温度范围内对应任意温度的饱和蒸气压。

至此，已经计算出第二种虚拟组分临界温度范围内的运动粘度、动力粘度、导热系数、定压比热、表面张力系数、饱和蒸气压和蒸发热，结合第一种虚拟组分正十二 烷物性，提供了表征重油的双组分物性数据，利用该数据可实现以重油作为燃料的船 用柴油机系统内重油的流动和喷雾预测。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。