王佐任 劉永啟 呂金升 蔡向云 王英福
(1.濰坊聯(lián)興新材料科技股份有限公司,濰坊 262737;2.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,淄博 255049)
石油焦罐式煅燒爐底板換熱器的換熱特性研究
王佐任1劉永啟2呂金升2蔡向云1王英福1
(1.濰坊聯(lián)興新材料科技股份有限公司,濰坊 262737;2.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,淄博 255049)
針對石油焦罐式煅燒爐底板表面溫度高、散熱損失嚴(yán)重的問題,本文提出了一種爐底板換熱器,實現(xiàn)爐底散熱的有效回收利用。采用數(shù)值模擬的方法研究了爐底板換熱器內(nèi)的流固耦合換熱及流動情況,得到了不同流速下爐底板換熱器溫度分布和爐底板換熱器內(nèi)部的流動及傳熱規(guī)律,為爐底板的優(yōu)化設(shè)計提供了分析依據(jù)。
煅燒爐爐底板換熱器傳熱
在石油焦罐式煅燒爐結(jié)構(gòu)中,爐底板承受著整個爐體的重量。在爐底板中心部位為高溫煅后焦的排料通道。高溫煅后焦的一部分熱量經(jīng)過澆注料傳遞給爐底板,導(dǎo)致爐底板表面溫度高,散熱損失嚴(yán)重,勞動環(huán)境十分惡劣。鄭斌[1]等人開發(fā)了爐底板換熱器,有效地回收了爐底板散熱損失,同時改善了運行人員的勞動環(huán)境。明文雪[2]運用fluent軟件對煅燒爐冷卻水套內(nèi)水的流動和傳熱進(jìn)行三維數(shù)值模擬,得到冷卻水流程和溫度場,在此基礎(chǔ)上對水套做優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后冷卻效率提高了80%。本文針對爐底板換熱器的流固耦合換熱過程,采用fluent軟件來數(shù)值模擬流動和換熱的方法,同時分析換熱特性和流場情況,為爐底板換熱器的優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。
(1)幾何模型建立。爐底板換熱器的模型組成及其材料參數(shù)見表1:
表1爐底板模型組成及材料參數(shù)
本文以Pro/e為工具,對爐底板換熱器做簡化處理,略去螺孔、倒角,建立三維爐底板換熱器模型,轉(zhuǎn)化模型文件格式為sat,導(dǎo)入gambit軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模,相繼建立流體和耐火澆注料模型。建模要保證固體接觸面及流固接觸面耦合共用面。建立整體換熱系統(tǒng)模型如圖1所示,基本方程包含連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和固體導(dǎo)熱微分方程。
固體導(dǎo)熱微分方程:
圖1整體建模后系統(tǒng)物理模型
式中,ρ為密度,kg·m-3;c為比熱容,J·(kg·℃)-1;λ為導(dǎo)熱系數(shù),w·(m·℃)-1;t為溫度,℃;τ為時間,s。
(2)網(wǎng)格模型的建立。對流體和固體區(qū)域分別劃分網(wǎng)格,對流場變化大和溫度場變化明顯的區(qū)域保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量,固體區(qū)域使用四面體網(wǎng)格,單元尺寸為14,固體部分共生成70萬網(wǎng)格。流體區(qū)域劃分邊界層網(wǎng)格,四面體網(wǎng)格,尺寸7,生成60萬網(wǎng)格,整體模型共130萬網(wǎng)格數(shù)。
(3)邊界條件及設(shè)置。計算模型采用穩(wěn)態(tài),不考慮重力作用,求解器類型為基于壓力。入口流速0.6、0.8、1.0、1.2m/s,計算流動雷諾數(shù),流動為湍流。選擇湍流模型reliable k-ε,壁面函數(shù)選標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。計算區(qū)域分為耐火層、鑄鐵底板和流體區(qū)域。
邊界條件設(shè)定兩個耦合邊界,即固體接觸面和流固交界面,通過耦合可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。入口設(shè)定為速度入口。湍流定義方法為intensity和hydraudic diameter,經(jīng)計算湍流強度為4.5。其他壁面采用wall壁面,設(shè)定與物料接觸部分為定壁溫1170 K,外壁面與空氣接觸設(shè)為對流邊界,換熱系數(shù)為9 W·(m2·K)-1,爐底板換熱器上下面與硅磚接觸部分設(shè)為絕熱邊界 wall,磚與鑄鐵接觸面設(shè)為wall,thermal選項設(shè)置為coupled。動量能量離散方式為二階迎風(fēng)格式。
2.1爐底板溫度
爐底板下部底板與高溫物料直接接觸,若溫度過高,容易造成爐底板結(jié)構(gòu)失效。因而采用合理的冷卻水循環(huán),既能降低爐底板的熱負(fù)荷,同時若冷卻水熱量充足情況下,回收部分潛熱。
圖2a和圖2b為爐底板模型溫度云圖,可以看到底板下部溫度較高,換熱效果明顯,是換熱的主要部位,流固交界面最高溫度577 K,故換熱的重點區(qū)域在于下半部分對流換熱,通過強化換熱使得底板溫度降低,增大余熱回收量。換熱系數(shù)均值在283~376 W·(m2·K)-1之間,最大換熱系數(shù)在500~600 W·(m2·K)-1之間,出現(xiàn)在靠近進(jìn)口圓管的內(nèi)壁面附近。分析固體溫度場分布發(fā)現(xiàn),由于耐火層導(dǎo)熱系數(shù)低熱阻大,傳給鑄鐵底板的熱量有限,而下部底板直接與高溫物料接觸且導(dǎo)熱系數(shù)大傳熱效果明顯,流固交界面最高溫度達(dá)577 K,熱回收潛力較大。
圖2a V=0.8m/s時,換熱器整體溫度分布圖
圖2b V=1.2m/s時,換熱器整體溫度分布圖
2.2入口水流速對換熱特性的影響
圖3換熱器入口水流速與換熱量的關(guān)系
如圖3所示,觀察換熱量與水速關(guān)系曲線,換熱量隨速度增大而增大,這與水在水道內(nèi)流動狀態(tài)和水與壁面的換熱程度有關(guān)。說明繼續(xù)增大換熱器入口流速,換熱量有可能繼續(xù)增大,但是考慮到水的流速增大會導(dǎo)致湍流強度的增加,而湍流強度越大,流體與壁面邊界層之間會形成湍流邊界層或者是渦流區(qū)。渦流區(qū)的大小影響流場與壁面的換熱,因而,在實際設(shè)計中存在一個最佳流速,使得當(dāng)前換熱器結(jié)構(gòu)條件下,換熱量最大。流速大于最佳值后,換熱量開始下降。
熱量從熱石油焦側(cè)傳遞到冷流體要經(jīng)歷這三個過程:從耐火層熱側(cè)表面到冷側(cè)表面(即通過耐火磚層的熱傳導(dǎo)),從冷側(cè)表面到爐底板(鑄鐵)熱側(cè)表面(即爐底板內(nèi)部壁面的熱傳導(dǎo)),從爐底板熱側(cè)表面到冷卻水。所以K值的計算要考慮器壁的對流傳熱系數(shù),以及器壁本身的導(dǎo)熱系數(shù)。在實際問題中,則對一些熱阻小的項目進(jìn)行忽略,比如有相變時的對流傳熱系數(shù)比較大,則其對應(yīng)的這一側(cè)的對流傳熱熱阻就通??梢院雎?。換熱器的換熱系數(shù)主要由冷卻水側(cè)的對流傳熱系數(shù)和爐底板與耐火層的熱傳導(dǎo)傳熱系數(shù)組成。由于本換熱器冷卻水側(cè)未發(fā)生相變,對流換熱系數(shù)小,熱阻相對較大,而熱傳導(dǎo)造成的換熱系數(shù)的變化為固定值。所以換熱器的換熱系數(shù)主要取決于對流換熱情況。隨著速度的增大,對流效果增強,熱阻減小,由換熱系數(shù)與熱阻的關(guān)系得到換熱器的換熱系數(shù)增大(總換熱系數(shù)反比與總熱阻)。從圖4換熱系數(shù)與速度關(guān)系曲線可看出:速度越大,平均換熱系數(shù)越大。最大換熱系數(shù)屬于局部換熱系數(shù),即指某個點的換熱系數(shù),與熱阻成反比,在本換熱器中,根據(jù)對平均換熱系數(shù)的討論,最大換熱系數(shù)出現(xiàn)在流場內(nèi)速度最大的點。
圖4換熱器入口水流速與平均換熱系數(shù)/最大換熱系數(shù)的關(guān)系
2.3入口水流速對換熱器阻力損失的影響
如圖5所示,在水速由0.6m/s增至1.2m/s時,換熱器進(jìn)出口總阻力損失由430Pa增至1684Pa。阻力損失的大小反映了通道內(nèi)沿程阻力與局部阻力情況。沿程阻力與雷諾數(shù)和摩擦系數(shù)有關(guān),而雷諾數(shù)與速度大小成正比;局部阻力與阻力系數(shù)和速度有關(guān),速度越大,局部阻力損失越大。因而隨著流速的增大,沿程阻力和局部阻力增大,進(jìn)出口的總壓降增大。
圖5換熱器入口水流速與總阻力損失的關(guān)系
本文通過對爐底板換熱器流動及傳熱的數(shù)值模擬,得到爐底板整體模型的流場和溫度場。結(jié)果表明,換熱量、平均換熱系數(shù)及壓降隨著水流速的增大而增大,最大換熱系數(shù)出現(xiàn)在進(jìn)出口,即流速最高處。
[1]鄭斌,劉永啟,李瑞陽等.高溫煅燒石油焦排料過程余熱回收[J].化工進(jìn)展,2015,34(6):1539-1543.
[2]明文雪,羅立軍.基于CFD的罐式煅燒爐冷卻水套的優(yōu)化研究[J].炭素技術(shù),2013,32(3):B16-B18.
[3]霍喜軍,劉巨保,張強.內(nèi)外流動介質(zhì)下強化換熱管耦合傳熱數(shù)值模擬[J].石油化工設(shè)備,2011,40(3):19-24.
Research on the Heat Transfer Characteristics of a Petroleum Coke Pot Calcining Furnace Bottom Plate Heat Exchanger
WANG Zuoren1,LIU Yongqi2,LV Jinsheng2,CAI Xiangyun1,WANG Yingfu1
(1.Weifang Lianxing New Materials Technology Co.,Ltd,Weifang 262737;2.School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049)
The high surface temperature and heat loss are two serious problems in petroleum coke pot calcining furnace bottom plate. In order to solve the problems,a new furnace bottom plate heat exchanger is established.It can realize effective recycling of furnace bottom dissipation heat.Using numerical simulation method,fluid-solid heat transfer and flow in the heat exchanger are studied.Distribution of temperature inside the heat exchanger is obtained under different flow velocity,also the flow of fluid in the heat exchanger and the heat transfer law are established.Apply the numerical simulation analysis,it can provide basis for optimization designing of furnace bottom plate.
calciningfurnace;furnacebottomplate;heat exchanger;heat transfer
山東省科技發(fā)展計劃(2013GGX10404)及山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2013EEQ005,ZR2014EL030)。