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3种强化传热炉管的流动和传热特性的数值模拟研究[1]

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　2011年第40卷第7期 石 油 化 工PETROCHEMICALTECHNOLOGY

[收稿日期]2011-04-06;[修改稿日期]2011-04-26。[作者简介]袁霞光(1972—),男,湖南省岳阳市人,硕士,高级工程师,电话010-59968795,电邮8yxg@sinopec.com。

3种强化传热炉管的流动和传热特性的数值模拟研究

袁霞光(中国石油化工股份有限公司科技开发部,北京100728)

[摘要]利用数值模拟方法对梅花管、MERT管和扭曲片管3种强化传热炉管进行了流动和传热特性的研究。采用RNGk-ε湍

流模型求解了动量方程和能量方程,给出了3种强化传热炉管的流动和传热特性,包括速度场、湍动强度场和温度场的分布;计算了3种强化传热炉管的压降、摩擦系数、努塞尔数(Nu)和强化传热综合因子。研究结果表明,梅花管主体为活塞流,MERT管和扭曲片管为旋转流;管内湍动强度在强化传热构件附近相对较大;管内流体温度场比较均匀。由强化传热元件产生的压降和摩擦系数的大小顺序为:MERT管>梅花管>扭曲片管;Nu的大小顺序为:MERT管>梅花管>扭曲片管;强化传热效果的优劣顺序为:扭曲片管>梅花管>MERT管。[关键词]数值模拟;管式裂解炉;流场;温度场;强化传热炉管;乙烯[文章编号]1000-8144(2011)07-0743-06 [中图分类号]TQ221.2 [文献标识码]A

NumericalSimulationofFlowandHeatCharactersofThreeStrengthenedHeatTransferTubes

YuanXiaguang(ScientificDevelopmentDepart,SINOPEC,Beijing100728,China)

[Abstract]Theflowandheattransfercharactersofplumblossom2shapetube(PBT),mixingelement

radianttube(MERT)andswirlingelementofradianttube(SERT),whichwereusedincrackingfurnacesforethyleneproduction,werestudiedbynumericalsimulation.ThemomentumandenergyequationsweresolvedusingRNGk2εturbulentflowmodel.Theflowandheattransfercharactersofthethreestrengthenedheattransfertubes,namelythevelocityfield,theturbulentflowfield,thetemperaturefield,thepressuredrop,thefrictionalcoefficient,theNusseltnumber(Nu)andthecomprehensivefactorforstrengthenedheattransfer,werepresentedorcalculated.TheresultsshowedthatthemainflowpatterninPBTwasplugflowwhiletheflowpatternsinMERTandSERTwereswirlflows,andtheturbulenceintensitynearthestrengthenedheattransfercomponentswasobviousbig.ItwasshowedthattheordersofboththepressuredropsandthefrictioncoefficientswereMERT>PBT>SERT.ItwasalsoindicatedthatthetemperaturesinthethreeheattransfertubewereuniformandtheNuorderwereMERT>PBT>SERT.Finally,theresultshowedthattheeffectofimprovingheattransferwasinorderofSERT,PBTandMERT.[Keywords]numericalsimulation;crackingfurnace;flowfield;temperaturefield;strengthenedheat

transfertube;ethylene

裂解炉中的强化传热和抑制结焦一直是裂解领域的重要研究方向。为了延缓结焦和增强传热,各大裂解炉开发商研制了3种强化传热炉管:梅花管、MERT管和扭曲片管。Kellogg公司最早研发了梅花管[1-5],并将其用于毫秒炉,使炉管壁温下降20～30℃,进料量增加了20%～25%。Lummus公司将8翅直形梅花管用于SRT-Ⅴ型裂解炉的第一程,使其生产能力提高了10%,乙烯收率增加1%～2%。Kubota公司推出了MERT管[6],

此种炉管可

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2011年第40卷

使传热效率提高20%～50%,投料量增加15%,裂解炉运行周期延长一倍。为了减少MERT管压降,Kubota公司又相继开发了Slit-MERT管及X-MERT管[7-10],炉管压降减少了三分之二。中国石化等单位联合开发了扭曲片管[11],工业应用效果良好[12-13],裂解炉处理量可提高10%左右,炉管壁温下降20℃左右,运行周期至少延长50%。尽管3种强化传热炉管在工业上都取得了较好的效果,但由于技术保密的原因,它们的基础研究主要集中在各专利厂商的内部,公开的文献相对较少。在高温和高雷诺数(Re)条件下,采用实验方法对强化传热炉管进行研究较为困难。为了深入了解3种强化传热炉管的流动和传热特性,本工作利用数值模拟技术对3种强化传热炉管的流动和传热特性进行了研究,所采用的数学模型已经过检验,误差在10%以内[14]。

1　3种强化传热炉管的实体建模利用GAMBIT软件对3种强化传热炉管进行实体建模和网格划分。3种强化传热炉管的基本结构相同,均为长圆管,区别在于其特征结构。3种强化传热炉管的特征模型见图1,结构参数见表1～3。由于MERT管内肋的体积大小与炉管体积大小相差比较悬殊,因此MERT管的网格数达几十万个。

图1　3种强化传热炉管的特征模型Fig.1　Featuremodelofthethreestrengthenedheattransfertubes.

表1　梅花管的结构参数Table1　StructuralparametersofPBTLengthoftube/m5.1Mindiameter/mm67Equivalentdiameter/mm73Numberoffin8Maxdiameter/mm79

表2　MERT管的结构参数Table2　StructuralparametersofMERTLengthoftube/m5.1Diameterofpipe/mm73Diameterofribreinforcing/mm4Inclinationdegreeofribreinforcing/°60

Numberofribreinforcingpercircling2

表3　扭曲片管的结构参数Table3　StructuralparametersofSERTLengthoftube/m5.1Diameterofpipe/mm73Twistedratio2.5

2　数学模型由于3种强化传热炉管的内湍流流动是各向异性的,所以采用RNGk-ε模型。RNGk-ε模型比

标准k-ε模型对顺流变和流线弯曲影响的预报能力强。计算中选取的连续性方程、动量方程、能量方程和湍流方程(即RNGk-ε模型的k,ε运输方程)如下。(1)连续性方程:

9ρ9t+∑3i=199x

i

(ρui)=0(1)

(2)i方向的动量方程:

9(

ρ

u

i)

9t+∑3j=199xj(ρuiuj)=-9p9xi+∑3j=199x

j

μeff

9ui9xj+9u

j

9x

i

(2)

(3)能量方程:

∑3i=199xi(ρui(H+K+ek))-∑3i=1∑Nj=199xiHjρD

eff

9y

j

9x

i

-

∑3i=19

9x

i

λeff

9T

9x

i

=0(3)

其中,H=ρNj=1yjHj;ek=12ρ2i=1u2i。上述各方程中:

μeff=μm+μturb;λeff=λm+λturb;Deff=Dm+Dturb(4)

(4)RNGk-ε模型的k,ε运输方程为:

99t(ρk)+99xi(ρkui)=99xi(αkμeff)9k

9x

j

+μturbS2-ρε(5)

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大型管式加热炉燃烧传热CFD数值模拟_刘德新

大型管式加热炉燃烧传热CFD数值模拟_刘德新


收稿日期 ： ２ ０ １ ４ ２ ０ １ ４ ０ １ １ ７ ０ ３ １ ８ － － 修回日期 ： － － ） 。 中国石油科研项目 （ 基金项目 ： ２ ２ ２ ０ １ ２ Ｇ Ｊ Ｔ Ｃ ０ ０ － － ， ： 。 作者简介 ： 男， 博士 ， 工程师 ， 刘德新 （ 从事芳烃联合装置的设计研发工作 ； ａ １ ９ ８ ０ Ｅ－ｍ ｉ ｌ ｌ ｉ ｕ ｄ ｅ ｘ ｉ ｎ ０ １＠ｃ ｎ ｃ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ －） ｐ
Ｆ Ｄ 数值模拟 第 ４ 期 刘德新 ．大型管式加热炉燃烧传热 Ｃ
９ ３
学（ 研究了二次风分级比 Ｒ 软件 Ｆ Ｃ Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ， Ｄ） （ 二次空气与总空气 体 积 之 比 ） 对 辐 射 室 内 速 度、 温 度、 组分浓 度 、 火 焰 高 度 和 ＮＯ 生 成 速 率 的 影 响 规 ［ ］ 律 。 同时 Ｃ Ｄ 也广泛应用于其他领域 ８－９ 。 Ｆ 大型加热炉炉膛内部的热过程包括复杂的流体 流动 、 传热传质 、 燃 料 燃 烧 等 物 理 化 学 过 程， 目前对 于芳 烃 装 置 中 的 大 型 加 热 炉 Ｃ Ｄ 模拟分析少有报 Ｆ 告， 本文将应用 Ｃ Ｄ 对大型加热炉内部流场和温度 Ｆ 场进行模拟分析 。
度 。 网格的形状 、 结构和所采用的湍流模型和计算 方法都对计算 精 度 有 影 响 。 所 以 在 利 用 Ｃ Ｄ 对加 Ｆ 热炉进行模拟计算时 ， 采用什么样的网格型式 、 网格 密度和湍流模型都要慎重考虑 。 而且由于大型加热 ， 如何选取具 炉炉膛内部 空 间 较 大 （ １ ０ ｍ×２ ０ ｍ） 有代表性的区域进 行 计 算 ， 也是需要仔细考虑的问 题 。 应在能保证模 拟 计 算 精 度 的 前 提 下 ， 尽可能地 选用简单的方法和 模 型 ， 对较小的计算区域进行模 拟 。 这样不仅可以 简 化 问 题 ， 而且可以大幅减少计
开缝翅片换热器三维流动传热特性数值研究

开缝翅片换热器三维流动传热特性数值研究

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顺排管束流动和传热数值模拟

顺排管束流动和传热数值模拟

顺排管束流动和传热数值模拟刘万旺;许志美;宗原;赵玲;柏德鸿;严水霖【摘要】采用数值模拟的方法考察了列管式换热器中顺排管束的流动和传热问题,计算了不同纵向节径比(SL/D)和横向节径比(ST/D)对顺排管束传递特征的影响,并综合评价了其换热效果.结果表明,管排结构中大部分圆管均受尾流影响,在前列圆管尾流的作用下,尾涡结构被改变.相比于单圆管,管排结构强化传热的作用较明显,且对管排横向间距变化较为敏感.结果显示,增大SL/D和S T/D均能提高努塞尔数(Nu),但同时阻力系数也随之增大.当SL/D=2.7,ST/D=2.5时,管束的综合传热能力最优.此外观察到管排结构可以减小涡脱落频率,对涡脱落起一定的抑制作用,并通过线性拟合得到了管排斯特劳哈尔(St)数与雷诺(Re)数的关系.【期刊名称】《华东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(045)001【总页数】8页(P15-22)【关键词】管排;强化传热;数值模拟;涡脱落【作者】刘万旺;许志美;宗原;赵玲;柏德鸿;严水霖【作者单位】华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237;华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海200237【正文语种】中文【中图分类】TK124列管式换热器在工业生产过程中具有广泛的应用，高温流体通过密集的管束可以将热量进行回收。

当流体在管束中流动时，如果管壁温度低于流体露点温度，则会发生低温腐蚀，造成设备的损坏[1-2]。

此外，当壳层流体在管束间横向流动时，还可能由于流体在管束间涡旋脱落频率和管束的声学驻波频率相重合，从而引起管束振动[3-4]。

因此，对于工业列管式换热器设计而言，有必要充分考虑流场对换热过程的影响，从而正确布置受热面、选择换热面积，保证工业换热器制造的经济性和运行的可靠性。

3种管内强化管沸腾换热性能对比

3种管内强化管沸腾换热性能对比

3种管内强化管沸腾换热性能对比欧阳新萍;陈静竹;李泰宇【摘要】对3种不同螺纹结构的强化管的管内沸腾换热性能进行对比实验研究，采用R22为实验工质。

3种强化管的内径和外径相同，分别为6.9 mm和7.92 mm；管外均为光滑表面，管内的强化结构参数则不同：螺纹的螺旋角变化范围为14°～18°，螺纹高为0.15～0.22 mm，螺纹槽宽度为0.1～0.2 mm。

在给定进口和出口制冷剂的状态下，通过改变管内工质的质量流速，测试3根强化管的换热特性与质量流速的关系，并进行性能对比。

实验结果表明：3种螺纹管管内沸腾传热系数分别比光管高出60%～80%，80%～120%和80%。

分析认为，当流动处于层状流或者层状流与环状流的过渡区时，较大的螺旋角有利于换热；当流体处于环状流时，较多的螺纹头数有利于换热。

%An experimental study was carried out on the boiling heat transfer of R22 flowing inside three internal thread tubes with different geometrical parameters. Three enhanced tubes have the same inner and outer diameters, which are 6.9 mm and 7.92 mm respectively. The outside surface of the tube is smooth, while the inside enhanced structure is different. The variation range of the helix angle is from14° to18°, the thread height is between 0.15 mm and 0.22 mm, and the thread width is from 0.1 mm to 0.2 mm. The relationship between the heat transfer performance and the mass velocity in three enhanced tubes and a smooth tube was tested by changing the mass velocity of refrigerant under given condition of import and export of refrigerant, and their performance is compared. Experimental results indicate that the heat transfer coefficients of three internal thread tubes are 60%—80%, 80%—120%and 80%higher than that of smooth tube. Analysis suggests that the larger helix angle is advantageous to the heat transfer ,when fluid is on laminar flow or the transition of laminar flow and annular flow, and more of thread amount is advantageous to the heat transfer,when the fluid is on annular flow.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】6页(P2076-2081)【关键词】热力学;传热;气液两相流;沸腾;内螺纹管【作者】欧阳新萍;陈静竹;李泰宇【作者单位】上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093;上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093;电装中国投资有限公司上海技术中心，上海 201108【正文语种】中文【中图分类】TK124引言沸腾传热强化技术在强化传热领域中占有非常重要的地位。