PDF《天然气加热炉结构 及 其传 热特性分析》

.

. 上海理工大学学报第31卷 第3期J.U n i v e r s i t y o f S h a . n g h a i f

0 r s c i n c a . a n d T e c h n o l o g y V o

1 .

3 1 No .

3 2

0 0

9 文章编号 :

1 0

0 7 ―6

7 3

5 (

2 0

0 9 )

0 3 ―0

2 5

1 ―0

4 天然气 加热炉 结构及 其传 热特性分析 郭韵,曹伟 武,严平,于彩 霞,钱尚源2 (

1 . 上海理工 大学 能源 与动力工程学 院, 上海

2 0

0 0

9 3 ;

2 . 上海工程技术大学 机械 工程 学院 , 上海

2 0

1 6

2 0 ) 摘要 :天然气加热炉作为一种特殊的炉型形 式, 是天然气应用系统中不可缺少的设备. 针对天然气 加热炉的结构, 其冷源和热源在筒体 内均呈偏心布置. 使 用双极坐标 系对 圆筒体 内加热元件偏心布 置时的 自 然对流换热进行 了研究和分析. 结果表明, 加热元件 下偏心布置时, 在 筒体 内的流动和传 热状况最好.关键 词 :天 然 气加 热炉;

偏 心布 置 ;

自然对 流 ;

双极 坐标 系 中图分类号 : TE

9 6

3 文献标志码 : A St r uc t ur e a nd he at t r a ns f e r anal ys i s on na t ur al g as he at e r G L D Y u d,C A O W e i ― W H . , Y A N e i W ,Y U C a . . x i a ,Q I A N S h a n g - y u a n (

1 . S c h o o l o fE n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f S h a n gh a i f o r S c / e n c e a n d T e c h n o l o g y , S h a n gh a i

2 0

0 0

9 3,C h i n a ;

2. C o l l e g e o fMe c h a n i c a l E m g i n e e r in g ,S h a n gh a i U n i v er s i t y o f En g i n e e r in g S c i e n c e,S h a n g h a i2

0 1

6 2 0,C h i n a) Ab s t r a c t :As a s p e c i a l t y p e o f h e a t e r , n a t u r a l g a s h e a t e r i s i n d i s p e n s a b l e e q u i p me n t i n n a t u r a l g a s a p pl i c a t i o n s y s t em . Ac c o r di ng t o t h e s t r uc t u r e o f n a t u r a l g a s he a t e r, i t s he a t i ng s u r f a c e a nd c o ol i n g S U r f a c e a r e a l l e c c e n t r i c a l l y ― o r i e n t e d . Th e ma t h e ma t i c a n a l y s i s o f n a t u r a l c o n v e c t i o n i n e c c e n t r i c c y l i n d e r wa s c o n d u c t e d, t h e me d i u m f l o w a n d t e mp e r a t u r e f i e l d we r e n u me r i c a l l y s i mu l a t e d i n t h e b i p o l a r c o o r d i n a t e s y s t e m . Th e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e f l o w a n d h e a t t r a n s f e r wo u l d p e r f o r m t h e b e s t wh e n t h e h e a t i n g s u r f a c e i s i n t h e l o we r h a l f o f t h e c y l i n d e r . Ke y wo r d s :na t ur a l g a s h e a t e r;

e c c e nt r i c a l l y - o r i e nt e d c o l l o c a t i o n;

na t u r a l c o n v e c t i o n;

b i - p o l a r c o o r d i na t e 天然气在开采、 输送及应用过程中 , 常常需要加 热. 因为天然气中含有水合物 , 在长途输送过程 中, 为防止 由于天然气温度过低而导致水合物析出凝结 成固体 , 从而堵住管道设备引起事故[

1 ] , 因此需要加 热;

此外在天然气应用过程 中, 往往需要对其减压 , 而压降较大时会导致天然气温降过大 , 也需要加热 ;

更有 由于工艺需要而需天然气保持一定温度 , 则更 需要加热 . 因此在天然气减压 系统 和供气系统 中常 设置加热设备 , 可见天然气加热炉是天然气输送应 用系统中不可缺少 的重要设备. 根据天然气加热炉 的结构可知 , 简体 内的火筒 、 烟管、 盘管在筒体 内均 呈偏心布置. 故本文对 圆筒体 内加热元件偏心布置 时介质的流场和传热进行分析.

1 结构及工作过 程 天然气加热炉的外观结构为卧式金属 圆筒体 , 内设火筒 、 烟管及盘管 , 通过 中间载热介质来传递热 收稿 日期 :

2 0

0 8―0 4―1

1 基金项 目: 上海市重点学科建设资助项 目( P

1 4

0 1 ) ;

上海市科委重大科技资助项 目(

0 4

3 0

1 2

0 1

3 ) 作者简 介:郭韵(1977一) , 女,讲师 . E . ma i l : g r a c e g u o

1 9

7 6 @

1 2

6 . c o r n 工作 单位 : 上海 工 程技 术大 学 机械 工程学 院,上海

2 0

1 6

2 0 上海理工大学学报2009年 第31卷量,如图

1 所示

1 3

1 4 图1天然 气加热炉 结构 示意 图Fi g .

1 S c he m e o f n a t ur a l g a s he a t e r

1 . 烟囱

2 . 前烟箱

3 . 烟气 出口

4 . 盘管

5 . 火筒 、 烟管

6 . 载热介质

7 . 温度计

8 . 温度传感器

9 . 液位计

1 0 . 液位传感器 l

1 . 压力表

1 2 . 膨胀箱

1 3 . 天燃气进 口14.天然气出 口 天然气加热炉的工作过程为 , 燃料燃烧产生 的 热量经过火筒和烟管传递给中间载热介质, 中间载 热介质再加热盘管 内的天然气 . 在整个传热过程 中, 中间载热介质与火筒、 烟管及盘管 的传热形式为 自 然对流涣热 , 而产生 自然对流换热 的根本原 因是不 均匀的温度场造成了不均匀 的密度场 , 由此产生的 浮升力成为运动的动力 . 所以, 对 中间载热介质在筒 体内的温度分布及流动 的研究是天然气加热炉筒体 内传热理论的重要环节 .

2 自然对流分析 圆筒体中自然对流的研究是传热学中的经典课 题之一 . 圆筒体按 内圆在筒体 内布置形式 的不 同可 分为同心圆筒体 、 最大偏心圆筒体及偏心圆筒体

3 种结构形式 , 在研究 圆筒体内自然对流换热时, 因内 圆布置位置的不 同会采用不 同的坐标系来进行研 究,如极坐标 、 正切圆坐标和双极坐标等I _

2 叫] .

2 .

1 基本方程的建立

2 .

1 .

1 假设条件 为了研究方便 , 将偏心圆筒体 内介质的物性作 为定值 , 按定物性模型处理 , 并假设 : a . 偏心 圆筒体 内介质的流动是二维流动;

b .介质黏性耗散产生的 耗散 热可以忽略不计 ;

C .介质采用 B o u s s i n e s q近似,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.

2 .

1 .

2 坐标系的选择 由于在直角坐标系下偏心圆筒体的几何形状是 不规则的, 为了使边界条件简化 , 引入双极坐标系 . 将不规则的偏心区域化为规则 的矩形区域, 从 而简 化流场的几何条件 . 双极坐标系是一种正交曲线坐 标系, 和 为双极坐标系下 的坐标分量 , 从 0到

2 7 c , 叩从 一∞到+o . ;

可以覆盖全平面;

e为偏心距 , 即两 圆圆心的距离 , 如图 2所示 . =

0 、、 、 : . O X 图2坐标 系转换简 图Fi g .

2 Sc h e ma t i c o f c o o r d i n a t e s t r a n s f o r ma t i o n 双极坐标和直角坐标的转换关系[ 为=― cs i n , Y : c s i n hG c o s h C O S (

1 ) ― ― ― ― ― ― ― ― ― , : ― ― ― ― ― ― ― L l 叩~cOs n叩一cOs々 式中, C 为双极坐标参数 . 经过双极坐标变化后 , 将不规则的偏心 圆区域 化为了规则 的矩形区域 , 如图2所示. 从而大大简化 了流场的几何条件, 为求解圆筒体 内加热元件偏心 布置时介质的流动和温度分布提供了有利条件.

2 .

1 .

3 控制方程 为求得对流空间的传热特性 , 控制方程中的压 力梯度是不必求知的, 故用 流函数一 涡量法, , [

6 求解 控制方程组 , 引人流函数

5 f 『 和涡量 , 并定义为 : , :一V, : 一(2)―― , ―― =一,=―― 一――Zaaaa在给出偏心圆简体 自然对流的支配方程组之前, 先 要将方程无量纲化 , 定义 以下无量纲参数. 特征长度 L = R.一R (

3 ) e e (

4 ) 式中, R . 、 R 分别为 圆筒 体和加热元件 的半径 ;

￡ 为偏心圆环的偏心度 . : (

5 ) 西=一()Tt―T. 式中, T . 、 T 为简体内壁面和加热元件外壁面的温 度. 准则数为 格拉晓夫数 G

7 '

: (

6 ) 普朗特数 = (

7 ) 瑞利数 Ra=g (

8 ) 第 3期 郭韵,等:天然气加热炉结构及其传热特 性分析 式中, g为重力加速度 ;

为介质的体积膨胀系数 ;

为介质的运动黏度 ;

为介质的热扩散系数. 二维偏心圆筒体 自然对流问题在双极坐标系下 的控制方程[ 为 =一 ∞ (

9 ) ∞ = 击[去(u+)]+R[一(sina+COSCr/)一l、af,e(sina一a)]、o【n||:-i(u~'

'

+蓦)(11)其中U=,一式中, a为 轴方向与重力加速度方 向的夹角 ;

为 拉梅系数 , 即 边界条件 当:{时,

5 f l =U=V=0 , =1 当=.时,=U=V=0 , =0

2 .

2 计算方法 用上述数学模型研究如 图 3所示 . 天然气加热 炉筒体内加热元件下偏 心布置时介质水的流动与传 热. 当Ra=5 . 6*1

0 时, 小于

1 0 , 介质流动处于层 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采用二 阶迎风差分 格式求得 , 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, 联立求解 出各个变量 .

0 y 、 J . 一To/f0Rt l 茧/―/ 图3物理模型 图Fi g.

3 Ph y s i c a l m o d e l 由于介质水的温度变化不太大 , 为了得到更好 地收敛速度 , 采用 B o u s s i n e s q近似, 即除了动量方 程 的浮力项之外 , 在动 量方程 和能量方程中将密度 看成常数. 计算温度条件依据加热炉在实际运行时 的某一温度工况 , 筒 体的 T. =3

2 3 K, 加 热元件 的Ti =3

6 8 K. 在温差小 于50K时, 采用 B o u s s i n e s q 近似所带来的相对误差小 于4%. 为了提高计算效 率,可以采用 B o u s s i n e s q近似 .

2 .

3 计算结果与分析 图 4为介质水 的等温线 图和流动矢量 图. 从图

4 ( a ) 中可以看 出, 介质水在 圆筒体 内的温度分布是 不均匀的. 介质水会沿着加热元件外壁面上升 , 附着 在加热元件外壁面的导热层逐渐增厚 ( 在加热元件 顶部导热层最厚) , 在 浮升力作用下 , 热水流在加热 元件顶部分离并继续上升 , 形成热羽毛状温度分布, 当热水流上升碰到筒体 内壁时被冷却, 同时沿着简 体 内壁下行 , 并附着在壁面上形成导热层 , 导热层随 水流下行而增厚 , 在接 近简体底 部时 , 由于空 间变 窄,使简体内壁导热层与加热元件外壁导热层重叠 , 形成纯导热区. 由此可知 , 传热 温差较小时, 在大简 体内尽管会出现微 弱的 自然对 流, 但在局部区域仍 会 出现导热, 有流动死角区域 , 这对简体内的传热效 果将产生较大影 响. 流体介质 温度较高的部分主要 分布在加热元件外壁面附近及加热元件顶部 . 介质水在筒体 内垂直方 向上 出现了明显的温度 分层现象, 在径 向方 向上没有 明显的温度逆转, 仅在 靠近简体 内壁面处才出现了温度逆转, 所以从流动矢 量分布图来看 , 流动部分主要分布在靠近加热元件外 壁面和简体 内壁面区域及加热元件顶部中心线上. 本文还通过简体内加热元件不同布置位置时, 在 不同角度上介质水的局部换热系数来 比较换热特性 . ( a ) 等温线 图(b)流动矢量 图图4等温线 图和流动 矢量 图Fi g.

4 I s o t h e r m s p r o f il e a n d f l o w v e e t o g r a m p r o f il e 局部换热系数 定义为 : 在 加热元 件外 壁面 的不同角度上 , 热流密度 与壁 面温度和介质水温度 之差的比值. 如图

5 所示 ( 见下页) , 为加热元件中 心辐射的半径与 Y 轴正 向间的夹角.

2 5

4 上海理工大学学报2009年 第31卷图5定义的O角 度Fi g .

5 De f in i t i o n o f0 经计算得到加热元件外壁面在不同角度上的局 部换热系数 , 如图 6所示 , 从 图中可 以看出, 4种布 置情形的最大局部换热 系数均 出现在加热元件顶 部, 因为加热元件顶部热流密度最大, 且壁面温度与 介质水温度之差较小 ;

随着 0角度的增大 ( 在1~

1 8

0 . 范围内) , 局部换热系数逐渐变小 , 因为从加热 元件顶部至底部 , 介质水温是逐渐降低 的, 导致加热 元件壁面温度与介质水温度之差变大 ;

而在这 4种 布置情形 中, 下偏心布置时 , 不论哪个角度的局部换 热系数都高于另外 3种布置时的相 同角度上的局部 换热系数 , 因此认为加热元件下偏 心布置时简体 内 的传热效果最好, 亦即其 自然对流状况最好 . 总而言 之,由于加热元件附近的水温较高, 因此水流均沿加 热元件外壁向上流动, 然后脱离顶部继续 向简体内 壁顶部流动. 当下偏心布置时, 加热元件顶部与筒体 顶部之间有较大空间, 介质水 的流动与换热得以充 分发展 , 而当加热元件上偏心 、 右偏心或 同心布置 时, 由于加热元件顶部与简体顶部间的空间相对狭 f、

2 5 蚀2.0重1 .

0 5

0 图6加热元件外壁面在不 同角度上的局部换热系数 F i g .

6 Lo c a l h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o fo ut e r s p a c e o f h e a t s o u r c e u n d e r d i f f e r e nt日小,介质水的流动与换热没有充分发展 , 介质水在筒 体内形成 自然对流 的趋势不如下偏心布置. 所 以下 偏心布置时介质 的平 均温度要高于其他情形 , 更利 于介质的换热.

3 结论天然气加热炉传热流动的理论研究, 采用了双 极坐标下 圆筒体内加热元件偏心布置时 自然对流的 数学描述 , 将不规则 的偏心区域化为 了规则的矩形 区域, 简化 了流场的几何条件. 通过对简体内加热元 件偏心布置时 自然对流的计算分析, 得出以下结论 : a . 介质水沿着简体垂直 方向上 出现明显的温 度分层现象 , 温度较高的区域主要分布在加热元件 的顶部, 流动仅在靠近加 热元件及简体的壁面附近 较为活跃 . b .由于加热元件下偏心布置为 自然对流提供 了发................