大圆筒天然气加热炉流场研究和传热面优化.pdf

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，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 ：(021mail：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