大圆筒中间载热介质天然气加热炉是目前应用较广的天然气加热炉，提高该炉的热效率能产生较大的经济效益和社会效益。该炉常采用整体组装式结构，如图1所示，燃料和空气经燃烧器混合喷入大圆筒下部左侧的火筒内燃烧，产生的高温烟气经火筒流入后烟箱转向进入大圆筒下部右侧的烟管束，最后经烟囱排入大气。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和烟管束壁传递给中间载热介质，中间载热介质吸热升温；而需要加热的低温天然气流经布置在大圆筒上部左右两侧的多回程对流管束，由于该对流管束同样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。

    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^[3]引入了著名双极坐标系，将不规则的偏心区域转化为规则的矩形区域，从而大大简化了流场的几何条件，本研究采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维流动；③介质黏性耗散产生的耗散热可以忽略不计；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压缩的常物性处理^[4]。

    涡量-流函数方法是典型的非原始变量法之一，它不直接求解原始变量u、v、p，而是求解涡量ω和流函数ψ，在自然对流换热中，采用涡量-流函数法特别合适，这里流函数ψ的定义为：

 

在直角坐标系中，偏心圆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；ξ和η为双极坐标系的坐标分量，η从-∞到+∞；ξ从0到2π，可以覆盖全平面；e为偏心距，即两圆圆心的距离^[5～6]，如图2所示。

 

    经过双极坐标变换后，将不规则的偏心圆区域化为了规则的矩形区域^[7～8]，如图3所示，从而大大简化了流场的几何条件，为数值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一个非常好的算法环境。

为对二维大圆筒内加热元件偏心布置时介质的流动与传热进行研究，设外圆的半径为R_o，内圆的半径为R_i，内圆的圆心位于外圆的垂直中心线上，两圆的偏心距为e，并设外圆的内壁面温度恒定，T_o为303K，内圆的外壁面温度恒定，T_i为343K。大圆筒内的介质为空气或水，当介质为空气时，瑞利数(Ra)为7.2×10⁴；当介质为水时，瑞利数(Ra)为5.6×10⁵，两者都小于10⁶，所以介质流动均处于层流状态，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应用二阶迎风差分格式求得。当介质为空气时，控制方程的求解采用压力-速度耦合基于SIMPLE算法；当介质为水时，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，解出各个变量。由于该模型结构比较简单，温度变化不太大，所以计算均取得了良好的收敛速度。

为了研究加热元件在大圆筒内的位置对换热的影响，计算了加热元件上偏心及右偏心布置时大圆筒内介质水的流场及温度分布。结果表明：介质水在大圆筒内垂直方向上都出现了明显的温差，由于加热元件附近的水温较高，因此介质水均沿加热元件外壁向上流动，其中上偏心布置的循环较好，介质水上升后，沿大圆筒内壁向两侧下流，形成了左右二个循环回路，但大圆筒下部导热区域较大，亦即大圆筒下部存在着较大的流动死角区域。在右偏心布置的情况下，介质水上升后，主要沿大圆筒内壁向左侧下流，在筒体内形成向左的自然循环，但大圆筒左下侧的流动死角区域较大。

    现有大圆筒中间载热介质天然气加热炉的换热面布置往往以大圆筒圆截面的垂直和水平直径为轴而对称布置，火筒和烟管束布置在水平轴的下方组成加热面，多回程对流管束布置在水平轴的上方组成受热面，根据上述计算结果分析，这种布置形式存在着如下缺陷：一是因为贴近火筒和烟管束壁面处的介质温度较高，因此沿着火筒和烟管束壁面将形成上升流，而对流管束附近的介质温度相对较低，则将形成下降流，由于这种上升和下降流均是自发形成的而没有恰当的组织，因此两股流体之间将发生对冲，此外，火筒和烟管束之间也存在温差，对流管束的多个回程之间同样存在温差，均能引发介质流动，从而导致了大圆筒内流场组织的紊乱，造成大圆筒内加热不均匀；二是由于大圆筒内流场上下温差较小，自然对流的动力也小，很难形成有效流场，因此加热面和受热面之间的对流传热非常弱，在某些场合，若冷热流体之间的温差很小时，由于大圆筒内的流场近乎静止，传热方式接近导热，则传热效率更低；三是在整个流场中，还存在着不少流动死角，如大圆筒底部等。所有这些因素都使大圆筒内有效传热流场被破坏，使加热面和受热面的有效利用降低，从而使大圆筒中间载热介质天然气加热炉效率降低，能耗高，不利于节能降耗和环境保护。

    为对上述结论加以验证，进行了大圆筒内介质流动的可视化流场试验，试验目的是对实测数据和观察到的情况进行分析，为加热炉实物的试验和实际设计打基础。考虑到大圆筒内流场分布可能较紊乱，因此采用可视手段，目的是能够观察到流场的基本动向。试验用可视化加热炉大圆筒外壳由有机玻璃构成，火筒和烟管束由黄铜制成，布置于大圆筒下方，用电加热器加热空气模拟烟气流入火筒经转向室流入烟管束然后排入大气，电加热器采用2kW、4kW、6kw的功率，由此形成热风循环系统；大圆筒内中间载热介质采用水，因水量较大，为使试验时介质水的温度能迅速达到要求，设计了预热水系统，即专门配备了预热水箱，内有电加热器能较快地加热介质水，使其达到预定温度后再注入大圆筒内；对流管束受热面由紫铜管制成，布置于大圆筒上方，对流管束弯成“U”型，一端为进口，一端为出口，被加热流体为空气，为控制其初始温度，在冷风系统中配有空调器以降低空气温度。为测量大圆筒圆截面上流场的温度分布，在圆截面的纵轴和横轴上布置了温度测点，编号分别为BL1～9，如图4所示。试验时同时开启冷风及热风循环系统，并通过预热水系统将大圆筒内中间载热介质水的温度控制在41.7℃和63℃，以观察流场，并测试不同加热功率对大圆筒内水温的影响。

 

    测试结果由图5所示，在不同的加热功率下，横轴上测点BL4的温度最高，纵轴上测点BL8的温度最高，因为这两个测点离火筒位置最近，而火筒是模拟烟气的入口，气流温度最高，测点BL3至BL4的温度变化幅度在中间载热介质水温为41.7℃时比为63℃时大，其原因是介质水温较低时，与火筒内的气流温差较大，使火筒壁面附近对流换热加大，介质水温上升快，因此火筒周围形成了较强的上升流；而介质水温为63℃时，由于介质与气流间的温差较小，对流换热相对弱，上升流的动力也小。纵轴上各测点温度显示：在不同的加热功率和中间载热介质温度下，温度分层现象明显，测点BL8温度最高，自BL3、BL7至BL6依次降低，而BL9比BL8低，但高于其他测点，这与流场换热状况相吻合；测点BL6的温度，在加热功率较小时，会低于介质温度，表明在此附近区域加热气流提供的热量不足，被加热气流只能吸收中间载热介质的初始热量达到升温的目的。试验结果证实了数值计算反映的大圆筒中间载热介质天然气加热炉流场中存在的问题。

    根据数值计算和试验研究结果，为加强加热炉大圆筒内传热流场的有效性，针对该类加热炉的结构，提出了一种简单而有效的改良结构(国家发明专利：ZL200810036447.9)，将大圆筒内的加热面即火筒和烟管束，以及受热面即对流管束，从原来的以纵轴和横轴对称布置的结构，旋转一个角度，使火筒和烟管束尽可能处于较低的位置，从而尽可能增大引起自然对流的动力，研究表明：该旋转角度以20°为最佳，这时大圆筒内温度最高的火筒位于大圆筒的最下部，形成一股较强的向上热流，由于火筒、烟管束和对流管束内的流体温度依次逐渐下降，温差产生的动力促使大圆筒内中间载热介质形成顺时针顺畅循环的热流场，进而消除了大圆筒底部的“死角”，达到强化传热提高加热炉效率的目的。研究还表明旋转角度太小，达不到增大动力的目的，角度太大，会导致烟管束与出口对流管束处于同一水平位置，反而破坏了自然对流循环的形成。

    1) 大圆筒中间载热介质天然气加热炉是目前应用较广的天然气加热设备，但数值计算和试验结果均表明：大圆筒内对称布置加热面和受热面的结构不利于热流场的形成。

    2) 将加热面和受热面位置旋转一个角度的布置结构优化了加热炉的整体传热效果，提高了加热炉热效率，研究表明最佳旋转角度为20°。

    3) 加热面和受热面旋转布置的改良结构，方法简便，不需要增加投资，效益明显，易推广使用。

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(本文作者：严平¹ 曹伟武¹ 钱尚源¹ 郭韵¹ 于彩霞² 1.上海工程技术大学；2.上海理工大学)