大圆筒天然气加热炉流场研究及传热面优化.pdf

第 3 o卷第 2期 加工 利用 1 1 9 大 圆筒天然气加热炉流场研 究及传热面优化 严 平 曹伟武 钱 尚源 郭 韵 于彩霞 1 ． 上海工程技术大学2 ． 上 海理工 大学 严平等． 大圆筒 天然 气加 热炉流场研 究及传热面优化． 天然气工 业， 2 0 1 0 ， 3 O 2 1 1 9 1 2 2 ． 摘 要 在 天然气运 输和 应用过程 中， 天然气加热炉的使 用面大量广， 提高天然气加热炉 的热效率 ， 降低 其能耗 ， 显 得尤为重要。为此， 对大 圆筒天然气加热炉 内加热元件偏心布置时的流场进 行 了研 究， 引入双极坐标 系将不规 则的偏心 圆区域转化成规 则的矩形 区域 ， 为数值计算创造 了良好的算法环境 。通过 数值计 算， 得到 了大圆筒 内加热元件偏心布 置 时的温度分布和速度 矢量分布 ， 并设计 了可视化流场实验装置， 通过实验研究验证 了数值计算结果 ， 在 此基础上， 优 化 了 大 圆筒 内火筒、 烟管 、 被加热管束 的相对位置 ， 提 高 了加热炉的热效 率， 降低 了能耗 ， 节省 了钢耗量和初投 资， 具有较好 的 节 能 降 耗 效果 。 关键词 大 圆筒天然 气加 热炉 流场 温度 速度矢量 传热面 优化 双极坐标系 D0I 1 0 ． 3 7 8 7 ／ ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 3 2 天 然气加 热炉 在天 然 气 加 工 、 输 运 和应 用 过 程 中 发挥着 重要 的作 用 ， 是 不 可 缺少 的重 要 装备 _ l j 。鉴 于 我 国天然 气工业 在 迅 速 发 展[ 2 ] ， 天然 气 加 热 炉使 用 面 大量广 ， 因此， 提高天然气加热炉的热效率， 降低其能 耗 ， 在节 能成为基 本 国策 的今 天 ， 显得尤 为重 要 。 1 大圆筒天然气加热炉简介 大圆筒中间载热介质天然气加热炉是 目前应用较 广的天然气加热炉 ， 提高该炉的热效率能产生较大的 经济 效益 和社会 效 益 。该 炉 常 采用 整 体 组 装式 结 构 ， 如 图 1 所 示 ， 燃 料和 空气 经 燃 烧 器 混合 喷 人 大 圆筒 下 部左侧 的火 筒 内燃 烧 ， 产 生 的 高 温 烟气 经 火 筒 流入 后 烟箱转 向进 入大 圆筒 下 部 右侧 的烟 管 束 ， 最 后 经烟 囱 排人大气。由于火筒和烟管束均浸没在 中间载热介质 中， 所以在该加热过程中， 高温烟气将热量通过火筒壁 和烟管束壁传递给 中间载热介质 ， 中问载热介质吸热 升 温 ； 而 需要加 热 的低 温 天然 气 流 经 布 置 在大 圆筒上 部左 右 两 侧 的多 回程对 流 管束 ， 由于该 对 流管 束 同样 图 1大 圆 筒 中 间 载 热 介质 天 然气 加 热 炉 结 构 示 意 图 基金项 目 上海市科委科技攻关项 目 编号 0 7 2 1 1 2 0 1 5 ； 上海 市重点学科建设项 目 编号 P 1 4 0 1 。 作 者简 介 严 平 ， 女 ， 1 9 6 3年 生 ， 高级 工程师 ； 主要从 事天 然气 引射 输配 、 加热 和 L N G加 热气 化炉 的开 发研 究工 作 。地址 2 0 1 6 2 0 上海市上海工程技术大学能源与环境工程研究 所。电话 0 2 1 6 7 7 9 1 1 7 5 ， 1 3 9 0 1 9 3 5 4 3 6 。E m a i l p i n g y y e a h ． n e t 天然气工业 2 0 1 0 年 2月 浸没在中间载热介质中， 因此在温压的作用下， 中间载 热介质将大部分热量通过对流管束壁面传递给低温天 然气 ， 中间载热介质放热降温。显然在此过程中， 中间 载热介质传热过程 的形成 ， 亦 即大圆筒 内热流场的组 织是提高天然气加热炉效率的关键之一 。 2 加 热元件偏心布置 时的 自然对流 天然 气加 热炉 是 由大 圆 筒 内 的火筒 、 烟气 管束 和 对流管束偏心布置构成的， 为研究 中间载热介质的流 动情况 ， 将其抽象简化成大圆筒内加热元件偏心布置 时的对流换热状况进行数学描述 ， 并通过数值计算 ， 对 中间载热介质的流场和传热进行分析。 按加 热元件 在大 圆筒 内所 处位 置不 同可分为纵 向 偏 心和横 向偏 心 。对 于偏 心 圆筒 体 ， S y n d e r [ 。 引入 了 著名双极坐标系 ， 将不规则的偏心区域转化为规则 的 矩形 区域 ， 从 而大 大简化 了流 场的几何 条件 ， 本研究 采 用双极坐标建立数学模型进行数值 计算。为方便研 究 ， 作 如下假 设 ①偏 心 圆筒 体 内的介 质 物性 为 定 值 ， 按定 物性模 型处理 ； ② 偏 心 圆筒 体 内介 质 的流动 是 二 维流 动 ； ③介 质黏性 耗散 产生 的耗散 热可 以忽略不 计 ； ④介质 采 用 B o s s i n e s q假 设 ， 在 动 量 方 程 和 能 量 方 程 中， 除了浮力项的密度外 ， 其余各项的密度均作为不可 压缩 的常物性 处理 l_ 4 ] 。 2 ． 1涡量一 流 函数 方法 涡量一 流函数 方 法是 典 型 的非 原 始 变量 法 之一 ， 它不直 接求解 原始 变量 “ 、 、 P ， 而是 求 解 涡量 和 流 函数 ， 在 自然 对流换 热 中 ， 采 用涡 量一 流 函数法 特 别 合适 ， 这里流函数 的定义为 一“ ， 一 2 ． 2 双 极坐 标 系 在 直角坐 标 系中 ， 偏 心 圆的几 何形状 是不 规则 的 ， 为了使边界条件简化， 引入双极坐标系 ； 和 为双极 坐标 系的 坐标 分 量 ， 叩 从 一 。 。 到 o o ； 从 0到 2 7 【 ， 可 以覆盖 全平 面 ； e 为 偏 心距 ， 即两 圆圆 心 的距 离[ 5 ] ， 如 图 2 所 示 。 经 过双极 坐标 变换 后 ， 将 不 规则 的偏 心 圆 区域 化 为 了规 则 的矩 形 区 域l 7 ] ， 如 图 3所 示 ， 从 而大 大 简化 了流场的几何条件 ， 为数值求解圆筒体 内加热元件偏 心布置时介质的流动和温度分布提供了一个非常好的 算 法环 境 。 2 ． 3 数 值计算 分析 为 对二维 大 圆筒 内加 热元件偏 心布 置时介 质 的流 动与传 热 进 行研 究 ， 设 外 圆 的半 径 为R。 ， 内 圆的 半径 图 2双 极 坐标 系 图 2 n 一 鞋嚣醋鹜瑶嚣鬟 瑟黑 丁 c一 ■ D 卵 ． q o 图 3 偏 心 圆环 在 双 极 坐 标 系 中 的形 状 图 为 R． ， 内圆的 圆心 位 于外 圆 的垂 直 中心 线 上 ， 两 圆 的 偏心 距 为 e ， 并 设 外 圆 的 内壁 面 温 度 恒 定 ， T 0为 3 0 3 K， 内 圆的外壁 面温度 恒定 ， T i 为 3 4 3 K。大圆筒 内的 介质 为空气 或水 ， 当介质 为空气 时 ， 瑞利 数 R n 为 7 ． 2 1 0 ； 当介质 为 水 时 ， 瑞 利 数 R n 为 5 ． 6 1 0 ， 两者 都小 于 1 O 。 ， 所 以介质 流动 均处 于层流 状 态 ， 故选 用层 流模 型 。通用 控制 方程 的离 散采 用 有 限体 积 法 ， 控 制 区域 内网格 的划分 采用 四边 形结 构 网格 ， 控 制 容 积界 面 的物 理量应 用二 阶迎风 差分格式 求得 。当介 质为空 气时 ， 控 制方 程的求 解采用 压力一 速度耦 合基 于 S I M P L E算法 ； 当介 质 为 水 时 ， 离 散 后 的控 制 方 程采 用 耦 合式解 法 ， 即同时求 解连续 方程 、 动量方 程及 能量方程 的耦合 方程组 ， 解 出各 个 变量 。 由于该 模 型结 构 比较 简单 ， 温度变化不太大， 所以计算均取得了良好的收敛 速度 。 为 了研究 加热元 件在 大 圆筒 内 的位 置对换 热的影 响， 计算 了加热元件上偏心及右偏心布置时大圆筒 内 介质水 的流场 及温 度 分 布 。结果 表 明 介质 水 在大 圆 筒 内垂 直方 向上都 出现 了明 显 的温 差 ， 由 于加 热元 件 附近的水温较高， 因此介质水均沿加热元件外壁向上 流动， 其中上偏心布置的循环较好， 介质水上升后 ， 沿 大 圆筒 内壁 向两侧下 流 ， 形 成 了左 右二个循 环 回路 ， 但 第 3 O卷第 2期 加 工 利 用 大 圆筒 下部 导热 区域 较 大 ， 亦 即大 圆筒下 部 存 在 着较 大 的流动死角 区域 。在右偏心布 置的情 况下 ， 介质 水上 升后 ， 主要沿大 圆筒 内壁 向左侧 下 流 ， 在 简体 内形成 向 左的 自然循环 ， 但大 圆筒 左下侧 的流动死 角区域较大 。 现有大 圆筒 中问载 热介 质天然 气加 热炉 的换热 面 布置往 往 以大圆筒 圆截 面的垂 直和水 平直 径为 轴而对 称布置 ， 火筒和烟管束布置在水平轴的下方组成加热 面 ， 多 回程对 流管束 布置在 水平 轴 的上方组 成受 热 面 ， 根据上述计算结果分析 ， 这种布置形式存在着如下缺 陷 一是 因为贴 近火 筒 和 烟管 束 壁 面处 的介 质 温 度较 高 ， 因此 沿着火 筒和 烟管束 壁 面将 形成 上升 流 ， 而对流 管束附近的介质温度相对较低， 则将形成下降流 ， 由于 这 种上升 和 下 降 流 均 是 自发 形 成 的 而 没 有 恰 当 的组 织 ， 因此两 股流体 之 间将 发 生 对 冲 ， 此外 ， 火筒 和烟 管 束之 间也存 在温差 ， 对 流 管束 的 多个 回程 之 间 同样 存 在 温差 ， 均 能引发 介质 流动 ， 从 而 导致 了大 圆筒 内流场 组织 的紊乱 ， 造成 大 圆筒 内加 热不均 匀 ； 二是 由于大 圆 筒 内流 场上下 温差 较小 ， 自然 对流 的动力也 小 ， 很难形 成有效 流场 ， 因此加 热 面 和受 热 面 之 间 的对 流 传 热非 常弱 ， 在 某些场 合 ， 若 冷 热 流 体 之 间 的温 差很 小时 ， 由 于大 圆筒 内的流场 近乎静 止 ， 传 热方 式接 近导热 ， 则传 热效率更 低 ； 三 是在 整个流 场 中 ， 还存 在着不 少 流动死 角 ， 如大 圆筒底部 等 。所 有 这 些 因素 都 使 大 圆筒 内有 效传 热流 场被破 坏 ， 使加 热 面 和 受热 面 的 有效 利 用 降 低 ， 从 而使 大圆筒 中间载 热 介质 天 然 气 加 热炉 效 率 降 低 ， 能耗高 ， 不利于节能降耗和环境保护 。 3天然气加热炉可视化流场试验研究 为对 上述结 论加 以验 证 ， 进 行 了大 圆筒 内介 质 流 动的可视 化流场 试验 ， 试 验 目的是对 实 测 数 据和 观 察 到的情况 进行分 析 ， 为加 热 炉 实 物 的试 验 和 实 际设 计 打基 础 。考 虑到 大 圆筒 内流场 分 布 可 能较 紊 乱 ， 因此 采用 可视 手 段 ， 目的 是 能 够 观 察 到 流 场 的基 本 动 向 。 试验用 可视 化加热 炉 大 圆筒 外 壳 由有 机 玻 璃 构成 ， 火 筒和烟 管束 由黄铜制 成 ， 布置 于大 圆筒下 方 ， 用 电加 热 器加热空气模拟烟气流入火筒经转向室流入烟管束然 后 排人 大气 ， 电加 热 器 采 用 2 k W 、 4 k W 、 6 k w 的功 率 ， 由此形成热风循环系统 ； 大圆筒内中问载热介质采 用水 ， 因水 量较 大 ， 为使 试验 时介 质水 的温度 能迅 速达 到要 求 ， 设计 了预热水 系统 ， 即专 门 配 备 了预 热 水 箱 ， 内有 电加热 器能较 快 地 加 热介 质 水 ， 使 其 达到 预 定 温 度后 再注入 大 圆筒 内 ； 对 流管 束受 热面 由紫铜 管制 成 ， 布置于大 圆筒上方 ， 对 流管束弯成“ U” 型， 一端 为进 口， 一 端为 出 口， 被 加热 流体 为 空气 ， 为 控制 其 初 始 温 度 ， 在 冷 风 系统 中配 有 空调 器 以降低 空 气 温 度 。为 测 量 大 圆筒 圆截 面上 流 场 的 温度 分 布 ， 在 圆截 面的 纵 轴 和横轴上布置了温度测点 ， 编号分别 为 B L 1 ～9 ， 如图 4所示 。试 验 时 同时 开 启 冷 风 及 热 风循 环 系统 ， 并 通 过 预热水 系统 将大 圆筒 内 中间载热 介质水 的温度 控制 在 4 1 ． 7℃和 6 3℃ ， 以观察 流场 ， 并测 试不 同加热 功率 对大 圆筒 内水 温 的影 响 。 图 4可视化加热炉大圆筒横截面纵横直径上的温度测点 图 测试结 果 由图 5所示 ， 在不 同 的加 热功 率下 ， 横轴 上测 点 B L 4的温 度 最 高 ， 纵 轴 上 测 点 B I 8的 温 度 最 高 ， 因为这两 个测 点离火 筒位 置最 近 ， 而 火筒是 模拟 烟 气 的人 口， 气 流温 度最 高 ， 测点 B L 3至 B L 4的温 度 变 化 幅度 在 中间载热 介质 水温 为 4 1 ． 7℃ 时 比为 6 3℃ 时 大 ， 其原 因是 介质水 温较 低时 ， 与火 筒 内的气流 温差较 大 ， 使火 筒壁 面附 近对 流 换 热加 大 ， 介 质 水 温 上 升快 ， 因此 火筒周 围形 成 了较强 的上 升 流 ； 而介 质水 温 为 6 3 ℃时 ， 由于 介 质 与 气 流 问 的 温 差 较 小 ， 对 流 换 热 相 对 弱 ， 上 升流 的动力 也小 。纵轴 上各 测点 温度显 示 在不 同 的加 热功 率和 中 间载 热 介质 温 度 下 ， 温 度 分层 现 象 明显 ， 测 点 B L 8温 度 最 高 ， 自 B L 3、 B L 7至 B L 6依 次 降 低 ， 而 B L 9比 B L 8低 ， 但高 于其他 测点 ， 这 与流场换 热状 况相 吻合 ； 测点 B L 6的温度 ， 在 加 热功 率 较小 时 ， 会低于介质温度， 表明在此附近 区域加热气流提供 的 热量 不足 ， 被加 热气 流 只 能 吸收 中间 载热 介 质 的初 始 热量 达到升 温 的 目的 。试验 结果 证实 了数值 计算反 映 的大 圆筒 中 间 载热 介 质 天 然气 加 热 炉 流 场 中 存 在 的 问题 。 4 加热炉加热面和受热面 的优化布置 根据数值计算和试验研究结果， 为加强加热炉大 圆筒 内传热流场 的有效性 ， 针对该类 加热炉 的结构 ， 提出了一种 简单而有效的改 良结构 国家发明专利 天然气工业 2 0 1 0年 2月 ＼ 赠 p 、 赠 4 6 ． O O 4 5 ． O 0 4 4 ． 0 O 4 3 ． 0 O 4 2 ． O O 41 ． 0 O 6 7 0 0 6 6 ． 0 O 6 5 ． O O 6 4．0 O 6 3 ． 0 0 6 2 ． O O a 横 向直径上的温度 分布 4 1 ， 7 ／ “ 2 BL1 BL2 BL3 BL4 BL5 c 横 向直径上的温度分布 6 3 ．O ／ C ＼ 赠 ＼ 赠 b 纵 向直径上的温度 分布 4 1 ． 7 ／ C 图 5 横截面的纵横直径上温度分布图 Z L 2 0 0 8 1 0 0 3 6 4 4 7 ． 9 ， 将 大 圆 筒 内 的加 热 面 即火 筒 和 烟管束 ， 以及受热面即对流管束 ， 从原来的以纵轴和横 轴对称布置的结构 ， 旋转一个角度， 使火筒和烟管束尽 可能 处于较低 的位 置 ， 从 而尽 可 能 增大 引 起 自然 对 流 的动力， 研究表 明 该旋转角度以 2 O 。 为最佳 ， 这时大 圆筒内温度最高的火筒位于大圆筒 的最下部 ， 形成一 股较强的向上热流， 由于火筒、 烟管束和对流管束内的 流体温度依次逐渐下降， 温差产生的动力促使大 圆筒 内中间载热介 质形 成顺 时针 顺 畅循 环 的热流 场 ， 进 而 消除了大圆筒底部 的“ 死角” ， 达到强化传热提高加热 炉效率的目的。研究还表明旋转角度太小， 达不到增 大动力的目的， 角度太大， 会导致烟管束与出口对流管 束处于 同一水平 位置， 反 而破坏 了 自然对 流循 环的 形成 。 5 结 论 1 大圆筒中间载热介质天然气加热炉是 目前应用 较广的天然气加热设备 ， 但数值计算和试验结果均表 明 大圆筒内对称布置加热面和受热面的结构不利于 热流场 的形成 。 2 将加热 面和 受热 面位置旋 转一个 角度 的布置结 构优化了加热炉的整体传热效果 ， 提高 了加热炉热效 率 ， 研 究表 明最佳旋 转角度 为 2 0 。 。 d 纵 向直径上的温度分布 6 3 ． O ／ C 3 加热面和受热面旋转布置的改 良结构， 方法简 便 ， 不需要增加投资 ， 效益明显， 易推广使用。 参 考 文 献 E l i朱利凯 ． 天然 气处 理与加 工[ M] ． 北京 石油 工业 出版社 ， 1 99 7 ． E 2 ]李华启 ， 李东旭 ， 游佳 ， 等． 中国天然气资源开发与利用[ J ] ． 天 然气 工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 8 1 2 9 1 3 1 ． [ 3 ]S NY D E R W T，G OL D S T E I N G A．An a l y s i s o f f u l l y d e v e l o p e d l a mi n a r f l o w i n a n e c c e n t r i c a n n u l u s E J ] ． AI C HE l ， 1 96 5， 11 5 46 2 46 7． [ 4 ]P AT ANKA R S V． 传热和流体流动的数值方法 [ M] ． 郭 宽 良， 译． 合肥 安徽科学技术 出版社 ， 1 9 8 4 ． [ 5 ]KA Z AKI A J Y，R I V L I N R S ．T h e e f f e c t o f l o n g i t u d i n a l v i b r a t i o n o n p o i s e u i l l e f l o w i n a n o n - c i r c u l a r p i p e E J ] ． J o u r - n a l o f No n - Ne wt o n i a n Fl u i d M e c h a n i e s ，1 9 7 9 6 1 4 5 1 5 4 ． C 6 ]王小增 ， 窦益华 ， 杨久红． 偏心磨损套 管应力分布 的双极 坐 标解答[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 3 4 2 4 5 ． [- 7 3孙智 ， 高 涛， 崔海青． 流体在 内管做轴 向运动 的偏 心环空 中 的速度分布[ J ] ． 大庆石油学 院学报 ， 2 0 0 4 ， 2 8 1 1 0 1 4 ． C a ]CHO C H， CHAN G K S ．Nu m e r i e a l s i mu l a t i o n o f n a t u r a l c o n v e c t i o n i n c o n c e n t r i c a n d e c c e n t r i c h o r i z o n t a l c y l i n d r i c a l a n n u l i [ J ] ． J o u r n a l o f He a t Tr a n s f e r ， 1 9 8 2 1 0 4 6 2 4 6 3 0 ． 收稿 日期2 0 0 9 0 9 2 4 编辑何明 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载