一種新型裂解爐爐管強化傳熱數(shù)值模擬

李保有，郭英鋒，張磊，劉海軍

（惠生工程（中國）有限公司，北京 100102）

一種新型裂解爐爐管強化傳熱數(shù)值模擬

李保有，郭英鋒，張磊，劉海軍

（惠生工程（中國）有限公司，北京 100102）

利用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamic，CFD）方法對含新型內(nèi)插件強化傳熱輻射爐管（fortified induced turbulence，F(xiàn)IT）進行了流體流動與傳熱特性的研究，采用RNG雙方程模型求解了動量方程和能量方程，給出了FIT爐管內(nèi)的流體流動和傳熱特性，包括速度場、湍動強度和溫度場的分布；計算了FIT爐管的強化傳熱因子和壓降。研究結(jié)果表明，F(xiàn)IT爐管內(nèi)插件迫使流體流動由活塞流轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)流，增強了流動湍流程度，符合流動-能量場協(xié)同理論，同時流體邊界層由于FIT爐管的特殊結(jié)構(gòu)而減薄。FIT爐管具有增強輻射傳熱、減薄邊界層、增加比表面積和旋流增強等強化傳熱特性。相比于普通當(dāng)量圓爐管，F(xiàn)IT強化傳熱爐管的整體傳熱能力提高了20%左右，證明該新型爐管強化傳熱效果顯著，可以在工程實際中應(yīng)用。

數(shù)值模擬；計算流體力學(xué)；強化傳熱管；管式裂解爐

裂解爐在乙烯裝置中占核心地位，它是乙烯工藝流程的起點。裂解爐的運行優(yōu)劣反映了乙烯裝置的技術(shù)水平，如裂解爐反應(yīng)的選擇性和收率直接決定了產(chǎn)品品質(zhì)，裂解爐熱效率的高低對整個乙烯裝置的運行效益和節(jié)能降耗有重大影響等。國內(nèi)外研究者已經(jīng)對裂解爐的技術(shù)進步做了大量研發(fā)工作，工作重點體現(xiàn)在提高裂解爐熱效率，具體是加強裂解爐反應(yīng)管傳熱效率。早期裂解爐管大多是光滑圓管，工程技術(shù)人員從高溫、短停留和低烴分壓裂解原理出發(fā)，通過組合改變爐管管徑大小、管程數(shù)以及每程爐管的根數(shù)等來提高傳熱效率[1]，或通過提高材料耐溫等級及采用各種強化傳熱手段以提高裂解溫度。以上所述技術(shù)今后還會推陳出新，但其挖掘潛力不大[2]。近年來，許多公司又研制出在管內(nèi)添加擾流子（內(nèi)插件）的新型爐管，流體通過管內(nèi)內(nèi)插件后被強制旋轉(zhuǎn)、剪切，這種技術(shù)增加了管內(nèi)流體湍動程度，同時增強了管內(nèi)流體速度和溫度梯度之間的協(xié)同程度[3]。這種新型乙烯裂解爐管已證實其強化傳熱效果明顯，成為技術(shù)發(fā)展趨勢[4]。如Exxon公司推出的波紋管[5]、Kellogg公司發(fā)明的八翅梅花管[6]、Kubota公司最新開發(fā)的MERT爐管[7]和中國石化集團公司等單位聯(lián)合研究的內(nèi)置扭曲片熱交換管[8]等。但以上新型爐管存在裂解爐運行周期的中、后期強化傳熱效果降低、爐管造價高、管內(nèi)壓降高、制造難度高或易堵塞等缺點，這些缺點限制了此類型換熱管在工程中的應(yīng)用推廣。

結(jié)合多年來在裂解爐項目的工程經(jīng)驗，惠生工程有限公司開發(fā)出一種新型的具有強化傳熱內(nèi)插件的FIT爐管[9]，這種爐管兼具上述強化傳熱爐管的優(yōu)點，并克服了其他強化傳熱爐管在制造及使用中的缺點。

新型強化傳熱爐管見圖 1，該爐管由外管、固定桿和螺旋帶組成。內(nèi)固定桿為空心管，流體在固定桿與外管之間形成的環(huán)形間隙間流動，并在螺旋帶的作用下強制形成旋轉(zhuǎn)。螺旋帶固定在中心桿上，其外緣與爐管內(nèi)壁并不接觸，保持一定的間隙。螺旋帶可以連續(xù)使用，也可以分段設(shè)置，其扭曲比也可根據(jù)具體需要來確定。在具體工程應(yīng)用中，如何量化FIT爐管內(nèi)輻射反射熱、爐管比表面積、內(nèi)插件扭曲度的影響以及流體邊界層減薄對傳熱影響程度是本文討論的主要內(nèi)容。在本文中，上述問題將從流體動力學(xué)機理角度出發(fā)，利用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的方法展開探討。

圖1 新型強化傳熱爐管（FIT）結(jié)構(gòu)

1 CFD模擬計算

1.1 數(shù)值方法

利用流體動力學(xué)基理分別建立質(zhì)量、動量及能量守恒的基本微分方程組來描述流體的流動和傳熱細節(jié)[10-11]。采用反映爐管內(nèi)各向異性湍流流動和旋流的RNG雙方程模型封閉方程組。方程組用式（1）表示[12]。

對以上方程組進行有限單元法離散化，使用計算流體動力學(xué)軟件Fluent平臺，應(yīng)用二階迎風(fēng)插值格式來離散質(zhì)量、動量、能量及湍動方程，壓力修正方法采用SIMPLE算法。求解過程中用超松弛法來優(yōu)化計算。

1.2 幾何模型

首先建立了一系列內(nèi)插件管和普通管模型，在相同的當(dāng)量內(nèi)徑基礎(chǔ)上進行模擬計算，對比相同流量及入口條件下的總傳熱量。爐管結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 爐管模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

計算采用的六面體網(wǎng)格劃分及放大部分如圖 2所示，其中近壁處網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總量121345。把以上爐管放入相同長度、入口煙氣溫度和入口質(zhì)量的煙氣風(fēng)道中考察輻射和對流傳熱。

1.3 邊界條件

（1）反應(yīng)管進口假定為均勻分布，物料為乙烷，進口條件設(shè)相同的質(zhì)量流量 M(kg/s)，Tin入口溫度為843K。

（2）各反應(yīng)管出口設(shè)為壓力出口，相對壓力Poutlet=0.0kPa（表壓）。

圖2 計算模型網(wǎng)格劃分

（3）在光滑管壁處，對流體采用無滑移壁面函數(shù)法，即壁面處流體速度Uwall=0m/s。

2 計算結(jié)果分析

2.1 流動特性

裂解爐管內(nèi)的流體流經(jīng)內(nèi)插件后，被強迫旋轉(zhuǎn)，增強了湍流程度[13]，如圖3所示。這種流動狀態(tài)對爐管管壁有一個很強的切向沖刷作用，流體徑向傳質(zhì)加強，減薄了近爐管管壁的邊界層，而且從螺旋片與管內(nèi)壁間隙短路流過的流體對邊界層的沖刷使邊界層進一步減薄，減小了其關(guān)鍵熱阻，使得爐管傳熱效率得到加強。

圖3 管內(nèi)流體流動矢量和流線圖

管內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)流動及螺旋片與管內(nèi)壁間隙的短路流動明顯減薄了流體邊界層，管內(nèi)徑向速度分布見圖 4，內(nèi)插件管速度沿管徑的分布比普通當(dāng)量圓管內(nèi)的平坦些；近壁區(qū)域，速度梯度比普通當(dāng)量圓管內(nèi)的大。按照工程上一般規(guī)定，邊界層外緣的流速等于主體流速的0.99倍[14]，從而可估算出普通當(dāng)量圓管邊界層厚度δ管2≈16.65mm，內(nèi)插件管邊界層厚度δ管7≈9.41mm。內(nèi)插件管的邊界層厚度大約減薄到普通當(dāng)量圓管的 56.5%，這對邊界層關(guān)鍵熱阻的減少非常有利。

圖4 爐管徑向速度分布

2.2 傳熱特性

爐管內(nèi)加入內(nèi)插件強制流體旋轉(zhuǎn)和湍動增強，增大了徑向傳質(zhì)，使得管內(nèi)流動方向與溫度傳遞方向產(chǎn)生場協(xié)同，有利于提高傳熱效率，這從場協(xié)同角度[15]上來說是一種比較完美的強化換熱的情況，見圖 5。相同入口條件下，內(nèi)插件爐管與相同當(dāng)量直徑的普通圓管相比，徑向截面平均溫度明顯高于普通當(dāng)量圓管的平均溫度，表明傳熱能力明顯加強；且溫度徑向梯度小于當(dāng)量圓管的溫度梯度，同一截面上流體的溫度分布更加均勻，這對管內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)有利[9]。以下是傳熱效率提高的幾個關(guān)鍵因素。

2.2.1 輻射加強

普通的當(dāng)量圓管內(nèi)不存在輻射反射面，因而無法進行輻射熱傳遞。而在圓管內(nèi)加入內(nèi)插件，就會發(fā)生輻射反射，如圖 6。內(nèi)插件吸收的輻射熱再以對流熱傳遞的方式返傳給爐管中心流體qr=qc2。其中內(nèi)插件是絕熱體，吸收熱量全部返傳給流體，這造成爐管中心流體溫度提高，如圖5所示，傳熱優(yōu)勢明顯。

加入內(nèi)插件增加了反射傳熱量，見表 2。模型為同一個內(nèi)插件爐管，設(shè)計一個計算內(nèi)插件對輻射的反射，另一個不計算輻射反射，其他條件相同，單獨考察輻射反射的增加量。根據(jù)計算結(jié)果，對總傳熱量的增加程度，輻射加強平均值為5.0%。

2.2.2 比表面積增強

本文研究的強化傳熱爐管，流體在內(nèi)管與外管之間的環(huán)形間隙間流動。根據(jù)比表面積定義，則該爐管的比表面積計算為A1=4d1/(d12?d22)。與本內(nèi)插件管具有同樣當(dāng)量內(nèi)徑的普通圓管[當(dāng)量內(nèi)徑de=(d12?d22)1/2]的傳熱比表面積 Ae=4/(d12?d22)1/2，兩者比值為 A1/Ae=1/[1?(d2?d1)2]1/2>1，內(nèi)插件換熱管比表面相對于普通當(dāng)量管有很大提高。比表面積增加即增大了傳熱面積，從而增大傳熱量。不同內(nèi)徑爐管的比表面積隨內(nèi)插桿外徑的增大而增大，其變化趨勢見圖7。內(nèi)插件管與相同當(dāng)量直徑的普通當(dāng)量圓管的熱傳遞計算見表 3，計算條件相同，剔除輻射加強，因比表面積增加而得到的熱傳遞增加量為8.41%。

圖5 爐管徑向溫度分布

圖6 熱傳遞機理

表2 CFD計算結(jié)果

圖7 內(nèi)插件管比表面積增大

表3 CFD計算數(shù)據(jù)

2.2.3 旋流增強

傳熱速率方程中Q=K×A×ΔT的K值由管外熱阻、管材熱導(dǎo)率、管內(nèi)熱阻三部分確定。在爐膛的狀態(tài)和爐管的材質(zhì)確定后，提高K值需要通過提高管內(nèi)流體的對流傳熱系數(shù)來實現(xiàn)。在強化傳熱爐管內(nèi)部，通過在內(nèi)管與外管之間的環(huán)形間隙中設(shè)置螺旋形狀的導(dǎo)片，使間隙內(nèi)的流體被迫旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生二次流并形成復(fù)雜的旋渦，見圖 3，流體湍流程度增強，從而使得管內(nèi)傳熱系數(shù)增大。同時，流體的湍動和徑向傳質(zhì)的加強也造成了同溫度傳遞方向的場協(xié)同效應(yīng)，有利于流體的混合和溫度傳遞。

為了考察旋流增強程度，設(shè)計了無旋轉(zhuǎn)的管 4和有旋轉(zhuǎn)的管5模型，計算條件相同，從表4計算結(jié)果中得知，扭曲因子對總傳熱貢獻了5.92%。

表4 CFD計算數(shù)據(jù)

2.2.4 邊界層減薄

按照邊界層流動理論，當(dāng)流體流經(jīng)管道時，由于黏性力原因，緊貼在管道壁處形成一層薄薄的邊界層。實際情況已經(jīng)證明，邊界層內(nèi)的傳熱阻力非常大[13]，也是對流傳熱關(guān)鍵熱阻所在區(qū)域。因此，減小該區(qū)域的邊界層厚度可以極大地增加傳熱。在強化傳熱爐管中，流體旋流減薄管內(nèi)流體的邊界層，同時內(nèi)插件的螺旋片與爐管管壁留有間隙，流體流動在此處的短路效應(yīng)也對邊界層形成了進一步的沖刷，見圖3、圖4。流體邊界層的減薄減小了關(guān)鍵熱阻，提高了傳熱效率。

表5為螺旋片與管內(nèi)壁間隙帶來的邊界層減薄因素的CFD計算結(jié)果，這一邊界層減薄因子對總傳熱平均貢獻系數(shù)為2.56%。

表5 CFD計算數(shù)據(jù)

2.3 爐管結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱、阻力的影響

先進的高選擇性裂解爐的爐管均具有短停留時間和較大的比表面積優(yōu)勢，可以獲得較高的烯烴收率，并減少結(jié)焦。相同的生產(chǎn)能力下，大直徑爐管的比表面積小（圖7），不利于傳熱，同時停留時間過長。結(jié)合現(xiàn)在裂解爐上常用爐管的當(dāng)量直徑、制造難易程度以及工藝參數(shù)，同時考慮筋片抗沖刷性能，F(xiàn)IT爐管選擇外管內(nèi)徑為100mm，內(nèi)管外徑為20mm，筋片厚度為10mm（表1）。

螺旋片與管內(nèi)壁間隙直接影響了邊界層減薄因素，反映了強化傳熱的效果優(yōu)劣。根據(jù)控制變量試驗法，選擇表1中管7為基本FIT爐管，在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)變量不變的情況下，改變螺旋片與管內(nèi)壁間間隙分別為0（A）、5mm（B）、10mm（C）、15mm（D）。大于15mm的縫隙會導(dǎo)致爐管內(nèi)流體大部分短路，螺旋片的旋流增強起不到作用。分別對以上4種特性的爐管進行了CFD模擬實驗，模擬結(jié)果見圖8，即縫隙為10mm的爐管在各流量工況下強化傳熱效果最佳。

同理，在保持其他變量不變的情況下，改變扭曲片螺距分別為1000mm（E）、2000mm（F）、4000mm（G）、8000mm（H），考察螺旋片的扭曲片螺距變化對FIT爐管的傳熱影響，見圖9，扭曲片螺距為2000mm的爐管在各流量工況下總傳熱量最大，因此FIT爐管選用2000mm的扭曲片螺距結(jié)構(gòu)。

流體流經(jīng)FIT爐管的內(nèi)插件時，造成一定程度的壓力損失。流體阻力主要由形體阻力和摩擦阻力構(gòu)成。其形體阻力主要集中于扭曲片區(qū)域，F(xiàn)IT爐管選用2000mm的扭曲片螺距，且形狀簡單，形體阻力對壓力損失的貢獻不大。FIT爐管的壓力損失主要由共性的摩擦阻力產(chǎn)生，因此FIT爐管的壓降相比當(dāng)量內(nèi)徑的普通圓管的壓降增長不大。CFD模擬計算結(jié)果（圖10）顯示，F(xiàn)IT爐管的壓降增加了大約60%。

圖8 縫隙對強化傳熱影響

圖9 螺距對強化傳熱影響

圖10 管內(nèi)壓降對比

3 結(jié) 論

惠生工程有限公司發(fā)明的 FIT爐管具有以下特性。

（1）FIT爐管內(nèi)增加內(nèi)插件，使得流體流動由活塞流轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)流，增強了湍流程度，使得管內(nèi)流體的速度梯度和溫度梯度協(xié)同一致，對增加強化傳熱效果非常有利。

（2）管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流動沖刷及管內(nèi)壁間隙的短路流動明顯減薄了流體邊界層，相比普通當(dāng)量圓管，邊界層厚度降低了56.5%，減小了管內(nèi)關(guān)鍵熱阻。FIT爐管的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)為螺距 2000mm，管壁間隙10mm。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，F(xiàn)IT爐管具有增強輻射傳熱、減薄邊界層、比表面積增加和旋流增強等特性，相比于普通當(dāng)量圓爐管的傳熱能力分別按以上特性提高了 5%、5.92%、8.41%和 2.56%，整體傳熱能力提高了20%左右，壓降增加了60%左右，強化傳熱效果明顯。

符 號 說 明

A ——換熱面積，m2

A1——FIT爐管比表面積，m

Ae——當(dāng)量爐管比表面積，m

d ——扭曲片與管內(nèi)壁間隙，mm

d1——爐管外管內(nèi)徑，mm

d2——爐管內(nèi)管外徑，mm

de——當(dāng)量爐管直徑，mm

GS ——總傳熱面積，m2

H ——扭曲片厚度，mm

h ——爐管熱導(dǎo)率，W/(m?K)

K ——總傳熱系數(shù)，W/(m2?K)

L ——爐管長度，mm

M——爐管入口質(zhì)量流量，kg/s

P——扭曲片螺距，mm

Poutlet——出口壓力，kPa（表壓）

Q——傳熱量，W

qc1——管內(nèi)壁對物流對流傳熱，W

qc2——內(nèi)插件對物流對流傳熱，W

qcb——爐膛對流傳熱，W

qk——管壁對流傳熱，W

qr——內(nèi)插件吸收的輻射熱，W

qrb——爐膛輻射傳熱，W

Tbox——爐膛溫度，K

Tin——流體入口溫度，K

Tout——流體出口溫度，K

Twi——爐管內(nèi)壁溫度，K

Two——爐管外壁溫度，K

管i——裂解爐輻射爐管類型，i=1，2，3，4，5，6，7

U——爐管總傳熱系數(shù)，W/(m2?K)

Uwall——壁面處流速，m/s

u,v,w—— x, y, z方向的速度，m/s

x,y,z——坐標軸的方向

ρ——密度，kg/m3

ω——通用變量

δ管i——爐管內(nèi)邊界層厚度，mm

Γφ——通用擴散系數(shù)

Sφ——通用方程原項

σ ——玻爾茲曼常數(shù)，建議取為5.72×10?8W/(m2?k4)

ΔT ——冷熱流體溫差，K

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Numerical simulation of a new type intensified heat transfer radiation tube for cracking furnace

LI Baoyou，GUO Yingfeng，ZHANG Lei，LIU Haijun
（Wison Engineering(China) Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

The flow and heat transfer characteristics of fortified induced turbulence (FIT) tube with inserts were studied with computational fluid dynamics (CFD). The momentum and energy equations were solved by using RNG turbulent flow model. The flow and heat transfer characteristics of FIT tube，namely velocity field，turbulent flow field，temperature field were presented and pressure drop，intensified heat transfer factors were calculated. The heat transfer of FIT tube was intensified because swirling flow instead of piston flow by using special tape placed inside the FIT tube caused more turbulence and hydrodynamic boundary layer was cut thinner. Multiple mechanism elements (radiation factor，surface factor，twist factor and boundary layer cutting factor) to intensify the heat transfer of furnace radiant tube were established in the analysis. Compared with plain tube，F(xiàn)IT tube showed a significant increase of heat transfer by about 20%，and could be used as a good heat transfer radiation tube.

numerical simulation; computational fluid dynamics; intensified heat transfer radiant tube; cracking furnace

TQ 021.3

A

1000-6613（2015）12-4203-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.12.012

2015-01-18；修改稿日期：2015-07-27。

李保有（1965—），男，碩士，高級工程師。聯(lián)系人：郭英鋒，工程師。E-mail guoyingfeng@wison.com。