大圓筒中間載熱介質(zhì)天然氣加熱爐是目前應(yīng)用較廣的天然氣加熱爐，提高該爐的熱效率能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該爐常采用整體組裝式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，燃料和空氣經(jīng)燃燒器混合噴入大圓筒下部左側(cè)的火筒內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)火筒流入后煙箱轉(zhuǎn)向進(jìn)入大圓筒下部右側(cè)的煙管束，最后經(jīng)煙囪排入大氣。由于火筒和煙管束均浸沒在中間載熱介質(zhì)中，所以在該加熱過程中，高溫?zé)煔鈱崃客ㄟ^火筒壁和煙管束壁傳遞給中間載熱介質(zhì)，中間載熱介質(zhì)吸熱升溫；而需要加熱的低溫天然氣流經(jīng)布置在大圓筒上部左右兩側(cè)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(zhì)中，因此在溫壓的作用下，中間載熱介質(zhì)將大部分熱量通過對流管束壁面?zhèn)鬟f給低溫天然氣，中間載熱介質(zhì)放熱降溫。顯然在此過程中，中間載熱介質(zhì)傳熱過程的形成，亦即大圓筒內(nèi)熱流場的組織是提高天然氣加熱爐效率的關(guān)鍵之一。

    天然氣加熱爐是由大圓筒內(nèi)的火筒、煙氣管束和對流管束偏心布置構(gòu)成的，為研究中間載熱介質(zhì)的流動情況，將其抽象簡化成大圓筒內(nèi)加熱元件偏心布置時的對流換熱狀況進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，并通過數(shù)值計(jì)算，對中間載熱介質(zhì)的流場和傳熱進(jìn)行分析。

    按加熱元件在大圓筒內(nèi)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(biāo)系，將不規(guī)則的偏心區(qū)域轉(zhuǎn)化為規(guī)則的矩形區(qū)域，從而大大簡化了流場的幾何條件，本研究采用雙極坐標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為方便研究，作如下假設(shè)：①偏心圓筒體內(nèi)的介質(zhì)物性為定值，按定物性模型處理；②偏心圓筒體內(nèi)介質(zhì)的流動是二維流動；③介質(zhì)黏性耗散產(chǎn)生的耗散熱可以忽略不計(jì)；④介質(zhì)采用Bossinesq假設(shè)，在動量方程和能量方程中，除了浮力項(xiàng)的密度外，其余各項(xiàng)的密度均作為不可壓縮的常物性處理^[4]。

    渦量-流函數(shù)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(shù)ψ，在自然對流換熱中，采用渦量-流函數(shù)法特別合適，這里流函數(shù)ψ的定義為：

 

在直角坐標(biāo)系中，偏心圓的幾何形狀是不規(guī)則的，為了使邊界條件簡化，引入雙極坐標(biāo)系；ξ和η為雙極坐標(biāo)系的坐標(biāo)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(jīng)過雙極坐標(biāo)變換后，將不規(guī)則的偏心圓區(qū)域化為了規(guī)則的矩形區(qū)域^[7～8]，如圖3所示，從而大大簡化了流場的幾何條件，為數(shù)值求解圓筒體內(nèi)加熱元件偏心布置時介質(zhì)的流動和溫度分布提供了一個非常好的算法環(huán)境。

為對二維大圓筒內(nèi)加熱元件偏心布置時介質(zhì)的流動與傳熱進(jìn)行研究，設(shè)外圓的半徑為R_o，內(nèi)圓的半徑為R_i，內(nèi)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(shè)外圓的內(nèi)壁面溫度恒定，T_o為303K，內(nèi)圓的外壁面溫度恒定，T_i為343K。大圓筒內(nèi)的介質(zhì)為空氣或水，當(dāng)介質(zhì)為空氣時，瑞利數(shù)(Ra)為7.2×10⁴；當(dāng)介質(zhì)為水時，瑞利數(shù)(Ra)為5.6×10⁵，兩者都小于10⁶，所以介質(zhì)流動均處于層流狀態(tài)，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(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的劃分采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，控制容積界面的物理量應(yīng)用二階迎風(fēng)差分格式求得。當(dāng)介質(zhì)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(dāng)介質(zhì)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(xù)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(jié)構(gòu)比較簡單，溫度變化不太大，所以計(jì)算均取得了良好的收斂速度。

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

    現(xiàn)有大圓筒中間載熱介質(zhì)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(jù)上述計(jì)算結(jié)果分析，這種布置形式存在著如下缺陷：一是因?yàn)橘N近火筒和煙管束壁面處的介質(zhì)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(zhì)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(fā)形成的而沒有恰當(dāng)?shù)慕M織，因此兩股流體之間將發(fā)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(fā)介質(zhì)流動，從而導(dǎo)致了大圓筒內(nèi)流場組織的紊亂，造成大圓筒內(nèi)加熱不均勻；二是由于大圓筒內(nèi)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(nèi)的流場近乎靜止，傳熱方式接近導(dǎo)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(nèi)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(zhì)天然氣加熱爐效率降低，能耗高，不利于節(jié)能降耗和環(huán)境保護(hù)。

    為對上述結(jié)論加以驗(yàn)證，進(jìn)行了大圓筒內(nèi)介質(zhì)流動的可視化流場試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康氖菍?shí)測數(shù)據(jù)和觀察到的情況進(jìn)行分析，為加熱爐實(shí)物的試驗(yàn)和實(shí)際設(shè)計(jì)打基礎(chǔ)?？紤]到大圓筒內(nèi)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(yàn)用可視化加熱爐大圓筒外殼由有機(jī)玻璃構(gòu)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(jīng)轉(zhuǎn)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(fēng)循環(huán)系統(tǒng)；大圓筒內(nèi)中間載熱介質(zhì)采用水，因水量較大，為使試驗(yàn)時介質(zhì)水的溫度能迅速達(dá)到要求，設(shè)計(jì)了預(yù)熱水系統(tǒng)，即專門配備了預(yù)熱水箱，內(nèi)有電加熱器能較快地加熱介質(zhì)水，使其達(dá)到預(yù)定溫度后再注入大圓筒內(nèi)；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(jìn)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(fēng)系統(tǒng)中配有空調(diào)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(diǎn)，編號分別為BL1～9，如圖4所示。試驗(yàn)時同時開啟冷風(fēng)及熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，并通過預(yù)熱水系統(tǒng)將大圓筒內(nèi)中間載熱介質(zhì)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(nèi)水溫的影響。

 

    測試結(jié)果由圖5所示，在不同的加熱功率下，橫軸上測點(diǎn)BL4的溫度最高，縱軸上測點(diǎn)BL8的溫度最高，因?yàn)檫@兩個測點(diǎn)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(diǎn)BL3至BL4的溫度變化幅度在中間載熱介質(zhì)水溫為41.7℃時比為63℃時大，其原因是介質(zhì)水溫較低時，與火筒內(nèi)的氣流溫差較大，使火筒壁面附近對流換熱加大，介質(zhì)水溫上升快，因此火筒周圍形成了較強(qiáng)的上升流；而介質(zhì)水溫為63℃時，由于介質(zhì)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(diǎn)溫度顯示：在不同的加熱功率和中間載熱介質(zhì)溫度下，溫度分層現(xiàn)象明顯，測點(diǎn)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(diǎn)，這與流場換熱狀況相吻合；測點(diǎn)BL6的溫度，在加熱功率較小時，會低于介質(zhì)溫度，表明在此附近區(qū)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(zhì)的初始熱量達(dá)到升溫的目的。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了數(shù)值計(jì)算反映的大圓筒中間載熱介質(zhì)天然氣加熱爐流場中存在的問題。

    根據(jù)數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究結(jié)果，為加強(qiáng)加熱爐大圓筒內(nèi)傳熱流場的有效性，針對該類加熱爐的結(jié)構(gòu)，提出了一種簡單而有效的改良結(jié)構(gòu)(國家發(fā)明專利：ZL200810036447.9)，將大圓筒內(nèi)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(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度以20°為最佳，這時大圓筒內(nèi)溫度最高的火筒位于大圓筒的最下部，形成一股較強(qiáng)的向上熱流，由于火筒、煙管束和對流管束內(nèi)的流體溫度依次逐漸下降，溫差產(chǎn)生的動力促使大圓筒內(nèi)中間載熱介質(zhì)形成順時針順暢循環(huán)的熱流場，進(jìn)而消除了大圓筒底部的“死角”，達(dá)到強(qiáng)化傳熱提高加熱爐效率的目的。研究還表明旋轉(zhuǎn)角度太小，達(dá)不到增大動力的目的，角度太大，會導(dǎo)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(huán)的形成。

    1) 大圓筒中間載熱介質(zhì)天然氣加熱爐是目前應(yīng)用較廣的天然氣加熱設(shè)備，但數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果均表明：大圓筒內(nèi)對稱布置加熱面和受熱面的結(jié)構(gòu)不利于熱流場的形成。

    2) 將加熱面和受熱面位置旋轉(zhuǎn)一個角度的布置結(jié)構(gòu)優(yōu)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(zhuǎn)角度為20°。

    3) 加熱面和受熱面旋轉(zhuǎn)布置的改良結(jié)構(gòu)，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(yè)出版社.1997.

[2] 李華啟，李東旭，游佳，等.中國天然氣資源開發(fā)與利用[J].天然氣工業(yè)，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(shù)值方法[M].郭寬良，譯.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)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(yīng)力分布的雙極坐標(biāo)解答[J].石油礦場機(jī)械，2006，35(3)：42-45.

[7] 孫智，高濤，崔海青.流體在內(nèi)管做軸向運(yùn)動的偏心環(huán)空中的速度分布[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，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.

 

(本文作者：嚴(yán)平¹ 曹偉武¹ 錢尚源¹ 郭韻¹ 于彩霞² 1.上海工程技術(shù)大學(xué)；2.上海理工大學(xué))