大圆筒天然气加热炉流场研究及传热面优化

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1、第3o卷第2期加工利用·119·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，2010，3O(2)：119122．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，

2、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：10．3787／．issn．1000—0976．2010．02．032天然气加热炉在天然气加工、输运和应用过程中经济效益和社会效益。该炉常采用整体组装式结构，发挥着重要的作用，是

3、不可缺少的重要装备_lj。鉴于如图1所示，燃料和空气经燃烧器混合喷人大圆筒下我国天然气工业在迅速发展[2]，天然气加热炉使用面部左侧的火筒内燃烧，产生的高温烟气经火筒流入后大量广，因此，提高天然气加热炉的热效率，降低其能烟箱转向进入大圆筒下部右侧的烟管束，最后经烟囱耗，在节能成为基本国策的今天，显得尤为重要。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1大圆筒天然气加热炉简介和烟管束壁传递给中间载热介质，中问载热介质吸热大圆筒中间载热介质天然气加热炉

4、是目前应用较升温；而需要加热的低温天然气流经布置在大圆筒上广的天然气加热炉，提高该炉的热效率能产生较大的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：072112015)；上海市重点学科建设项目(编号：P1401)。作者简介：严平，女，1963年生，高级工程师；主要从事天然气引射输配、加热和LNG加热气化炉的开发研究工作。地址(201620)上海市上海工程技术大学能源与环境工程研究所。电话：(021)67791175

5、，13901935436。Email：pingy@yeah．net天然气工业2010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

6、述，并通过数值计算，对图2双极坐标系图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，Synder[。引入了=2n一著名双极坐标系，将不规则的偏心区域转化为规则的鞋嚣醋鹜瑶嚣鬟瑟黑矩形区域，从而大大简化了流场的几何条件，本研究采=丁c一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D卵．qo维流动；③介质黏性耗散产生的耗散热可以忽略不计；图3偏心圆

7、环在双极坐标系中的形状图④介质采用Bossinesq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为R．，内圆的圆心位于外圆的垂直中心线上，两圆的压缩的常物性处理l_4]。偏心距为e，并设外圆的内壁面温度恒定，T0为3032．1涡量一流函数方法K，内圆的外壁面温度恒定，Ti为343K。大圆筒内的涡量一流函数方法是典型的非原始变量法之一，介质为空气或水，当介质为空气时，瑞利数(Rn)为7．2它不直接求解原始变量“、、P，而是求解涡量和流×10；当介质为水时，瑞利数(Rn)为

8、5．6×10，两者函数，在自然对流换热中，采用涡量一流函数法特别都小于1O。，所以介质流动均处于层流状态，故选用层合适，这里流函数的定义为：流模型。通用控制方程的离散采用有限体积法，控制一“，一区域内网格的划分采用四边形结构网格，控制容积界2．2双极坐标系面的物理量应用二阶迎风差分格式求得。当介质为空在直角坐标系中，偏心圆的几何形状是不规则的，气时，控制方程的求解采用压力一速度耦合基于SIM—为了使边界条件简化，引入双极坐标系；和为双极PLE算法；当介质为水时，离散后