大圓筒天然氣加熱爐流場研究及傳熱面優化

嚴平曹偉武錢尚源郭韻于彩霞

1.上海工程技術大學 2.上海理工大學

大圓筒天然氣加熱爐流場研究及傳熱面優化

嚴平1曹偉武1錢尚源1郭韻1于彩霞2

1.上海工程技術大學 2.上海理工大學

嚴平等.大圓筒天然氣加熱爐流場研究及傳熱面優化.天然氣工業,2010,30(2):119-122.

在天然氣運輸和應用過程中,天然氣加熱爐的使用面大量廣,提高天然氣加熱爐的熱效率,降低其能耗,顯得尤為重要。為此,對大圓筒天然氣加熱爐內加熱元件偏心布置時的流場進行了研究,引入雙極坐標系將不規則的偏心圓區域轉化成規則的矩形區域,為數值計算創造了良好的算法環境。通過數值計算,得到了大圓筒內加熱元件偏心布置時的溫度分布和速度矢量分布,并設計了可視化流場實驗裝置,通過實驗研究驗證了數值計算結果,在此基礎上,優化了大圓筒內火筒、煙管、被加熱管束的相對位置,提高了加熱爐的熱效率,降低了能耗,節省了鋼耗量和初投資,具有較好的節能降耗效果。

大圓筒天然氣加熱爐 流場 溫度 速度矢量 傳熱面 優化 雙極坐標系

天然氣加熱爐在天然氣加工、輸運和應用過程中發揮著重要的作用,是不可缺少的重要裝備[1]。鑒于我國天然氣工業在迅速發展[2],天然氣加熱爐使用面大量廣,因此,提高天然氣加熱爐的熱效率,降低其能耗,在節能成為基本國策的今天,顯得尤為重要。

1 大圓筒天然氣加熱爐簡介

大圓筒中間載熱介質天然氣加熱爐是目前應用較廣的天然氣加熱爐,提高該爐的熱效率能產生較大的經濟效益和社會效益。該爐常采用整體組裝式結構,如圖1所示,燃料和空氣經燃燒器混合噴入大圓筒下部左側的火筒內燃燒,產生的高溫煙氣經火筒流入后煙箱轉向進入大圓筒下部右側的煙管束,最后經煙囪排入大氣。由于火筒和煙管束均浸沒在中間載熱介質中,所以在該加熱過程中,高溫煙氣將熱量通過火筒壁和煙管束壁傳遞給中間載熱介質,中間載熱介質吸熱升溫;而需要加熱的低溫天然氣流經布置在大圓筒上部左右兩側的多回程對流管束,由于該對流管束同樣浸沒在中間載熱介質中,因此在溫壓的作用下,中間載熱介質將大部分熱量通過對流管束壁面傳遞給低溫天然氣,中間載熱介質放熱降溫。顯然在此過程中,中間載熱介質傳熱過程的形成,亦即大圓筒內熱流場的組織是提高天然氣加熱爐效率的關鍵之一。

圖1 大圓筒中間載熱介質天然氣加熱爐結構示意圖

2 加熱元件偏心布置時的自然對流

天然氣加熱爐是由大圓筒內的火筒、煙氣管束和對流管束偏心布置構成的,為研究中間載熱介質的流動情況,將其抽象簡化成大圓筒內加熱元件偏心布置時的對流換熱狀況進行數學描述,并通過數值計算,對中間載熱介質的流場和傳熱進行分析。

按加熱元件在大圓筒內所處位置不同可分為縱向偏心和橫向偏心。對于偏心圓筒體,Synder[3]引入了著名雙極坐標系,將不規則的偏心區域轉化為規則的矩形區域,從而大大簡化了流場的幾何條件,本研究采用雙極坐標建立數學模型進行數值計算。為方便研究,作如下假設:①偏心圓筒體內的介質物性為定值,按定物性模型處理;②偏心圓筒體內介質的流動是二維流動;③介質黏性耗散產生的耗散熱可以忽略不計;④介質采用Bossinesq假設,在動量方程和能量方程中,除了浮力項的密度外,其余各項的密度均作為不可壓縮的常物性處理[4]。

2.1 渦量—流函數方法

渦量—流函數方法是典型的非原始變量法之一,它不直接求解原始變量 u、v、p,而是求解渦量ω和流函數ψ,在自然對流換熱中,采用渦量—流函數法特別合適,這里流函數ψ的定義為:

2.2 雙極坐標系

在直角坐標系中,偏心圓的幾何形狀是不規則的,為了使邊界條件簡化,引入雙極坐標系;ξ和η為雙極坐標系的坐標分量,η從-∞到+∞;ξ從0到2π,可以覆蓋全平面;e為偏心距,即兩圓圓心的距離[5-6],如圖2所示。

經過雙極坐標變換后,將不規則的偏心圓區域化為了規則的矩形區域[7-8],如圖3所示,從而大大簡化了流場的幾何條件,為數值求解圓筒體內加熱元件偏心布置時介質的流動和溫度分布提供了一個非常好的算法環境。

2.3 數值計算分析

為對二維大圓筒內加熱元件偏心布置時介質的流動與傳熱進行研究,設外圓的半徑為Ro,內圓的半徑為Ri,內圓的圓心位于外圓的垂直中心線上,兩圓的偏心距為 e,并設外圓的內壁面溫度恒定,To為303K,內圓的外壁面溫度恒定,Ti為343K。大圓筒內的介質為空氣或水,當介質為空氣時,瑞利數(Ra)為7.2×104;當介質為水時,瑞利數(Ra)為5.6×105,兩者都小于106,所以介質流動均處于層流狀態,故選用層流模型。通用控制方程的離散采用有限體積法,控制區域內網格的劃分采用四邊形結構網格,控制容積界面的物理量應用二階迎風差分格式求得。當介質為空氣時,控制方程的求解采用壓力—速度耦合基于SIMPLE算法;當介質為水時,離散后的控制方程采用耦合式解法,即同時求解連續方程、動量方程及能量方程的耦合方程組,解出各個變量。由于該模型結構比較簡單,溫度變化不太大,所以計算均取得了良好的收斂速度。

圖2 雙極坐標系圖

圖3 偏心圓環在雙極坐標系中的形狀圖

為了研究加熱元件在大圓筒內的位置對換熱的影響,計算了加熱元件上偏心及右偏心布置時大圓筒內介質水的流場及溫度分布。結果表明:介質水在大圓筒內垂直方向上都出現了明顯的溫差,由于加熱元件附近的水溫較高,因此介質水均沿加熱元件外壁向上流動,其中上偏心布置的循環較好,介質水上升后,沿大圓筒內壁向兩側下流,形成了左右二個循環回路,但大圓筒下部導熱區域較大,亦即大圓筒下部存在著較大的流動死角區域。在右偏心布置的情況下,介質水上升后,主要沿大圓筒內壁向左側下流,在筒體內形成向左的自然循環,但大圓筒左下側的流動死角區域較大。

現有大圓筒中間載熱介質天然氣加熱爐的換熱面布置往往以大圓筒圓截面的垂直和水平直徑為軸而對稱布置,火筒和煙管束布置在水平軸的下方組成加熱面,多回程對流管束布置在水平軸的上方組成受熱面,根據上述計算結果分析,這種布置形式存在著如下缺陷:一是因為貼近火筒和煙管束壁面處的介質溫度較高,因此沿著火筒和煙管束壁面將形成上升流,而對流管束附近的介質溫度相對較低,則將形成下降流,由于這種上升和下降流均是自發形成的而沒有恰當的組織,因此兩股流體之間將發生對沖,此外,火筒和煙管束之間也存在溫差,對流管束的多個回程之間同樣存在溫差,均能引發介質流動,從而導致了大圓筒內流場組織的紊亂,造成大圓筒內加熱不均勻;二是由于大圓筒內流場上下溫差較小,自然對流的動力也小,很難形成有效流場,因此加熱面和受熱面之間的對流傳熱非常弱,在某些場合,若冷熱流體之間的溫差很小時,由于大圓筒內的流場近乎靜止,傳熱方式接近導熱,則傳熱效率更低;三是在整個流場中,還存在著不少流動死角,如大圓筒底部等。所有這些因素都使大圓筒內有效傳熱流場被破壞,使加熱面和受熱面的有效利用降低,從而使大圓筒中間載熱介質天然氣加熱爐效率降低,能耗高,不利于節能降耗和環境保護。

3 天然氣加熱爐可視化流場試驗研究

為對上述結論加以驗證,進行了大圓筒內介質流動的可視化流場試驗,試驗目的是對實測數據和觀察到的情況進行分析,為加熱爐實物的試驗和實際設計打基礎?？紤]到大圓筒內流場分布可能較紊亂,因此采用可視手段,目的是能夠觀察到流場的基本動向。試驗用可視化加熱爐大圓筒外殼由有機玻璃構成,火筒和煙管束由黃銅制成,布置于大圓筒下方,用電加熱器加熱空氣模擬煙氣流入火筒經轉向室流入煙管束然后排入大氣,電加熱器采用2kW、4kW、6kW的功率,由此形成熱風循環系統;大圓筒內中間載熱介質采用水,因水量較大,為使試驗時介質水的溫度能迅速達到要求,設計了預熱水系統,即專門配備了預熱水箱,內有電加熱器能較快地加熱介質水,使其達到預定溫度后再注入大圓筒內;對流管束受熱面由紫銅管制成,布置于大圓筒上方,對流管束彎成“U”型,一端為進口,一端為出口,被加熱流體為空氣,為控制其初始溫度,在冷風系統中配有空調器以降低空氣溫度。為測量大圓筒圓截面上流場的溫度分布,在圓截面的縱軸和橫軸上布置了溫度測點,編號分別為BL1～9,如圖4所示。試驗時同時開啟冷風及熱風循環系統,并通過預熱水系統將大圓筒內中間載熱介質水的溫度控制在41.7℃和63℃,以觀察流場,并測試不同加熱功率對大圓筒內水溫的影響。

圖4 可視化加熱爐大圓筒橫截面縱橫直徑上的溫度測點圖

測試結果由圖5所示,在不同的加熱功率下,橫軸上測點BL4的溫度最高,縱軸上測點BL8的溫度最高,因為這兩個測點離火筒位置最近,而火筒是模擬煙氣的入口,氣流溫度最高,測點BL3至BL4的溫度變化幅度在中間載熱介質水溫為41.7℃時比為63℃時大,其原因是介質水溫較低時,與火筒內的氣流溫差較大,使火筒壁面附近對流換熱加大,介質水溫上升快,因此火筒周圍形成了較強的上升流;而介質水溫為63℃時,由于介質與氣流間的溫差較小,對流換熱相對弱,上升流的動力也小?？v軸上各測點溫度顯示:在不同的加熱功率和中間載熱介質溫度下,溫度分層現象明顯,測點BL8溫度最高,自BL3、BL7至BL6依次降低,而BL9比BL8低,但高于其他測點,這與流場換熱狀況相吻合;測點BL6的溫度,在加熱功率較小時,會低于介質溫度,表明在此附近區域加熱氣流提供的熱量不足,被加熱氣流只能吸收中間載熱介質的初始熱量達到升溫的目的。試驗結果證實了數值計算反映的大圓筒中間載熱介質天然氣加熱爐流場中存在的問題。

4 加熱爐加熱面和受熱面的優化布置

根據數值計算和試驗研究結果,為加強加熱爐大圓筒內傳熱流場的有效性,針對該類加熱爐的結構,提出了一種簡單而有效的改良結構(國家發明專利:ZL200810036447.9),將大圓筒內的加熱面即火筒和煙管束,以及受熱面即對流管束,從原來的以縱軸和橫軸對稱布置的結構,旋轉一個角度,使火筒和煙管束盡可能處于較低的位置,從而盡可能增大引起自然對流的動力,研究表明:該旋轉角度以20°為最佳,這時大圓筒內溫度最高的火筒位于大圓筒的最下部,形成一股較強的向上熱流,由于火筒、煙管束和對流管束內的流體溫度依次逐漸下降,溫差產生的動力促使大圓筒內中間載熱介質形成順時針順暢循環的熱流場,進而消除了大圓筒底部的“死角”,達到強化傳熱提高加熱爐效率的目的。研究還表明旋轉角度太小,達不到增大動力的目的,角度太大,會導致煙管束與出口對流管束處于同一水平位置,反而破壞了自然對流循環的形成。

圖5 橫截面的縱橫直徑上溫度分布圖

5 結論

1)大圓筒中間載熱介質天然氣加熱爐是目前應用較廣的天然氣加熱設備,但數值計算和試驗結果均表明:大圓筒內對稱布置加熱面和受熱面的結構不利于熱流場的形成。

2)將加熱面和受熱面位置旋轉一個角度的布置結構優化了加熱爐的整體傳熱效果,提高了加熱爐熱效率,研究表明最佳旋轉角度為20°。

3)加熱面和受熱面旋轉布置的改良結構,方法簡便,不需要增加投資,效益明顯,易推廣使用。

[1]朱利凱.天然氣處理與加工[M].北京:石油工業出版社,1997.

[2]李華啟,李東旭,游佳,等.中國天然氣資源開發與利用[J].天然氣工業,2005,25(8):129-131.

[3]SNYDER W T,GOLDSTEIN G A.Analysis of fully developed laminar flow in an eccentric annulus[J].AICHEJ,1965,11(5):462-467.

[4]PATANKAR S V.傳熱和流體流動的數值方法[M].郭寬良,譯.合肥:安徽科學技術出版社,1984.

[5]KAZAKIA J Y,RIVLIN R S.The effect of longitudinal vibration on poiseuille flow in a non-circular pipe[J].Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics,1979(6):145-154.

[6]王小增,竇益華,楊久紅.偏心磨損套管應力分布的雙極坐標解答[J].石油礦場機械,2006,35(3):42-45.

[7]孫智,高濤,崔海青.流體在內管做軸向運動的偏心環空中的速度分布[J].大慶石油學院學報,2004,28(1):10-14.

[8]CHO C H,CHANG K S.Numerical simulation of natural convection in concentric and eccentric horizontal cylindrical annuli[J].Journal of Heat Transfer,1982(104):624-630.

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.032

Yan Ping,senior engineer,was born in1963.She is mainly engaged in study of research and development of ejector-transportation and distribution,heating furnace and LNG gasification furnace.

Add:Shanghai201620,P.R.China

Tel:+86-21-67791175 Mobile:+86-13901935436 E-mail:pingy@yeah.net

Research of flowfield in large cylinder natural gas heating furnace and optimized arrangement of heat exchanging areas

Yan Ping1,Cao Weiwu1,Qian Shangyuan1,Guo Yun1,Yu Caixia2
(1.S hanghai University ofEngineering Science,S hanghai201620,China;2.University of S hanghai f or Science and Technology,S hanghai200093,China)

During the process of transportation and utilization of natural gas,a great number of natural gas heating furnaces have been widely used,so it is very important to improve their thermal efficiency and reduce energy consumption.Therefore,a study was carried out on the flow field in the off-center arrangement of heating elements in a large cylinder natural gas heating furnace,and a bipolar coordinate was introduced to change the irregular eccentric area into the regular rectangular one,providing a good condition for the numerical algorithm.Through calculation,temperature distribution and velocity vector were obtained in the off-center arrangement of heating elements,then,a visual experiment apparatus was designed to test and verify the calculated results.On the basis of this,the relative location of flame tube,breathing tube,and the heated tube bundle were arranged to improve thermal efficiency of the heating furnace and reduce energy consumption,thus,saving the steel dosage and preliminary investment.

large cylinder,natural gas heating furnace,flow field,temperature,velocity vector,heat exchanging areas,optimization,bipolar coordinate

book=119,ebook=183

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.02.032

2009-09-24 編輯 何 明)

上海市科委科技攻關項目(編號:072112015);上海市重點學科建設項目(編號:P1401)。

嚴平,女,1963年生,高級工程師;主要從事天然氣引射輸配、加熱和LNG加熱氣化爐的開發研究工作。地址: (201620)上海市上海工程技術大學能源與環境工程研究所。電話:(021)67791175,13901935436。E-mail:pingy@yeah.net

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE2,pp.119-122,2/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)