天然气加热炉内介质水非稳态耦合热流场研究

设计制造高效节能的加热气化设备是油气工业中迫切需要解决的问题。本文深入研究天然气加热炉传热机理,开创性地构建了大空间非稳态自然对流及介质参与性辐射耦合传热模型,求解水作为中间载热介质的天然气加热炉内非稳态耦合热流场,并通过天然气加热、传热流动试验平台,对边界条件进行试验校准并验证了数值分析模型的正确性。结果显示,加热炉内流场不均,整体循环不佳,加热炉的启动时间为2.5 h,加热效率仅为83.5%,介质参与性辐射占总传热量的24.5%。显然,传统加热炉结构有待优化,且介质参与性辐射影响不可忽略。     

二维非均匀介质内辐射与瞬态导热耦合传热分析

充分利用间断谱元法对非规则区域良好适应性、数值稳定、局部高阶收敛性等优点,开展了二维非均匀介质内辐射与瞬态导热耦合传热分析。在求解过程中,将空间计算域离散为多个不重合的单元,并在单元内采用高阶谱节点进行离散。对于非均匀介质内离散坐标形式的辐射传递方程,根据离散角度上的辐射能传递方向,确定单元间的上下游关系,并采用迎风格式来实现单元间辐射信息的有效传递;对于瞬态能量守恒方程,采用全隐格式进行瞬态项离散。通过多组非均匀介质内辐射与瞬态导热耦合传热算例,发现了间断谱元法具有随单元数增加的线性收敛特性,以及随单元内节点数增加的指数收敛特性;通过与文献中结果对比,发现最大相对误差均小于1%,验证了间断谱元法的正确性和有效性;随着辐射与导热耦合参数的增加,导热在耦合传热所占比重会加大,非均匀介质带来的温度场非均匀性会减弱,达到稳态的时间变长。     

天然气加热炉可视化实验研究

针对天然气加热炉的结构,设计搭建了可视化天然气加热炉实验系统.可视化实验系统用电加热的热空气来模拟燃烧热烟气,用降温的冷空气来模拟被加热的天然气.通过实验系统对筒体内中间载热介质的流动与温度分布进行实验分析,提出了一种改进结构,优化布置筒内加热面和冷却面,提高传热效果.     

加热炉直段炉管与管内外流体多场耦合分析

加热炉炉管、炉管内外流体以及筒体构成了一个复杂的多场耦合系统,研究具有一定的难度。现开展加热炉炉管多场耦合分析,为验证多场耦合分析方法的正确性,对共轭传热分析及热应力分析进行了验证计算,结果误差均在10%左右。采用小变形和耦合传热理论,考虑流、固、热三者之间的相互影响,以及流体动力学特性和载荷非线性特性,利用ANSYS、CFX软件,实现了加热炉炉管多场耦合数值模拟,并校核炉管强度。     

辐射-导热耦合换热边界元算法

本文提出了一种求解辐射-导热耦合换热问题的边界单元算法(BEM),该方法将两种传热方式通过辐射热源耦合起来.首先,采用BEM对辐射传热方程、辐射热源方程和含有辐射热源的热传导方程进行离散;其次,利用辐射传热方程消除辐射热源方程中的辐射热流项;然后,根据Stefan-Boltzmann定律形成含有温度四次方以及热流密度表示的非线性代数方程组.出现在所有积分方程中的域积分由径向积分法转换成边界积分,形成了对于参与性介质问题也只需在边界上划分单元的纯边界元算法.最后,用Newton-Raphson迭代法对方程组进行求解.提供的数值算例将表明本文所介绍方法的正确性与有效性.     

热油管道非稳态工况传热与流动的耦合计算模型

在进行热油管道工艺计算和运行工况分析时,通常将热力非稳态工况近似按稳态处理,这使得计算结果与实际情况偏差很大,不能客观地反映实际工况。在充分考虑管内油流热力、水力耦合以及管内油流与管外介质耦合的基础上,提出了一个比较完整的非稳态工况传热与流动双层耦合模型。采用双特征线法求解管内油流参数,用有限单元法求解管外土壤温度场,并编制了相应的计算程序。利用该模型和英国ESI公司的管道模拟软件TLNET分别对所建立的几种热油管道非稳态工况进行了模拟计算。结果表明,该模型比较合理,可用于热油管道非稳态工况的计算。     

热油管道非稳态工况传热与流动的耦合计算模型

在进行热油管道工艺计算和运行工况分析时，通常将热力非稳态工况近似按稳态处理，这使得计算结果与实际情况偏差很大，不能客观地反映实际工况。在充分考虑管内油流热力、水力耦合以及管内油流与管外介质耦合的基础上，提出了一个比较完整的非稳态工况传热与流动双层耦合模型。采用双特征线法求解管内油流参数，用有限单元法求解管外土壤温度场，并编制了相应的计算程序。利用该模型和英国ESI公司的管道模拟软件TINET分别对所建立的几种热油管道非稳态工况进行了模拟计算。结果表明，该模型比较合理，可用于热油管道非稳态工况的计算。     

中间辐射体对加热炉内传热过程影响的数值模拟

针对黑体定向辐射技术节能的机理问题，以实验室规模具有中间辐射体的室状加热炉为研究对象，建立了具有中间辐射体的物理模型，以CFD商业计算软件Fluent建立平台计算黑体定向辐射条件下的气体流动、传热、燃烧的三维耦合数学模型，并根据实验结果对数学模型进行验证.研究结果表明:中间辐射体的加入改变了炉体燃烧室内的流动情况及炉墙对钢坯固体辐射的比表面积，分别从气体辐射及固体辐射角度增强了钢坯表面辐射换热强度，燃烧温度降低20K左右，钢坯加热速度提升16.7%，钢坯表面最高温度提升40K.加热效率的提升带来了更好的节能效果.     

金属冲击加热过程传热机构的研究

本文采用热态试验和数学模拟的方法,研究了金属板坯在快速冲击加热炉内被射流冲击加热时的内外部传热机构。结果表明炉内的热交换主要集中在炉膛下部并以对流换热为主,在传给金属的热量中,对流换热量可高达80％。研究还发现了冲击加热后期出现金属向炉膛的反向辐射这一新的传热特征,反向辐射出现的时间主要取决于对流传热率的大小。     

管式加热炉旋流场燃烧节能技术研究

通过对加热炉几种工况进行热力计算、冷态试验的流场分布及阻力测定和热态试验的炉膛温度场分布及管壁温度等参数的测定,确定将管式加热炉炉膛内直流燃烧改为旋流场燃烧和增加辐射筒,增设烟气含氧量分析,可以将燃烧的过剩空气系数从1.35减小到1.15以下,极好地改善炉膛内的燃烧状况和对流辐射传热效果,从而降低排烟温度45℃,减少加热炉排烟损失,节约了煤气量6%以上.     

基于附壁效应的斯特林机多孔介质加热器传热特性研究

针对传统斯特林机加热器加热管管外出现“热点”现象,提出斯特林机的多孔介质型加热器,以提高加热管外传热平均温度。通过改进纽曼与包克附壁射流模型,提出斯特林机加热器多孔介质模型。通过本多孔介质模型下流动传热特性与Fu x.方程下的对流换热特性对比、同时分析不同流速与孔径下的加热管换热系数,验证出：在附壁效应下,多孔介质模型对碳化硅等大孔径、内部结构均匀且形状变化平滑的泡沫型多孔介质有较好的拟合特性。     

侧壁式感应加热中间包磁/热/流耦合模拟

提出一种新的中间包感应加热方式,建立了三种线圈模型,模拟研究了三种线圈模型的电磁力分布及其对中间包内流场和温度场的影响,并结合RTD曲线评估了最佳线圈模型和加热功率.结果表明:感应线圈向端部移动有利于改善浇注区远端钢液流动形态及温度分布;相同加热功率条件下,U形感应加热线圈优于E形感应加热线圈,且相较于双侧对称分布U形线圈,单侧U形线圈的热效率更佳,冶金效果更好;提高感应加热功率有利于改善钢液的流动和提高铸坯的质量;对于四流中间包,加热功率为800~1 000 kW时,可达到均温补热的效果.     

水套炉的参数优化及自耗气降低技术研究

在集气工艺流程中设置水套炉是为了防止天然气节流降压时形成的水合物堵塞管道。由于现场操作水平较低,为防止水合物形成,水套炉出口的温度通常比水合物形成的最高温度高出很多,增加了水套炉的自耗气。通过对水套炉的研究,建立了一套计算水套炉合理加热温度和自耗气量的模型,利用该模型,对中原油田所有水套炉的运行情况进行了计算与分析,确定了不同季节的开启方案、需要的加热温度以及每年的自耗气量。结果表明,该方案不仅可以降低水套炉的自耗气,而且可以降低分离器的操作温度,从而达到降低烃露点和水露点、减少集气管线内的积液量、提高管输效率、降低清管次数、提高经济效益的目的。     

火烧油层注气加热过程的模拟计算研究

在火烧油层的注气加热过程中,需要根据点火需求优化注气参数。考虑了空气在井筒、油层的流动及换热过程,包括空气进入油层的混合过程、水蒸发进入空气和湿空气降温后凝结为水的组分及相态变化、油层之间的导热过程,建立了相应的瞬态模型,提出了基于龙格库塔法的求解方法。利用该模型及求解方法进行了模拟注气验证,并用于油田的实际火烧油层点火过程的监测系统。研究表明：点火过程中加热带扩展速度非常有限（6 d 后加热带半径仍小于0.6 m）,并且受油层中含水率影响较大,加热带温度主要受电加热器功率和注气速度影响,受注气时间长短影响较小。点火过程中应保持电加热器功率和注气速度稳定。     

水火弯板数值模拟中热源模型参数研究

水火弯板热源热流密度模型的选取和定义，是水火弯板数值模拟中一个关键问题．采用高斯分布热流密度模型对水火弯板中的气体火焰热源展开了研究，利用实验和数值模拟相结合的方法，通过在一定范围内调整热流密度模型中的热源半径r和热效率η等参数．使数值计算的温度场分布趋近于实验测量的温度场分布，确定了水火弯板热源热流密度模型．在一定丙烯流量范围内，分析了热源半径和热效率的插值偏差对计算结果的影响，结果表明该模型能够满足水火弯板数值计算的精度要求．算例验证了该热源模型在有限元计算中的可靠性．     

沥青路面现场微波加热再生模型与实验

为了求解微波加热再生沥青混合料内的温度分布,研究了由于沥青混合料介电常数和比热容是温变参数,从而导致电磁场分布和吸收微波功率的非线性变化.建立了电磁场控制方程和热传递方程耦合的二维非线性热电耦合模型,提出了按微波周期为时间步长交替迭代求解该非线性模型的求解方法.使用了工作频率为2.45 GHz的微波系统,通过连续或间歇辐射加热方式,对不同体积的沥青混合料进行了加热实验.实验结果证实了微波加热再生通过辐射热传递能实现瞬间体积加热,具有快速、加热均匀、保证质量和无污染等特点.     

交流电热器加热板的温度振荡

文章论述家用交流电接器架热器加板的传热模型，得出其温度振荡解，供热设计使用。     

水火弯板计算中高斯分布热源模型各参数的实验确定

水火弯板数值计算所用高斯分布的热源模型中热流密度由热效率和热源半径决定,而热效率和热流密度主要取决于乙炔流量。通过实验与计算相结合的方法确定水火弯板常用乙炔流量范围内效率及热源半径与乙炔流量间的关系,并根据热效率及热源半径的取值偏差对计算结果的影响进行分析。结果表明,它们间的关系能满足水火弯板数值计算的精度要求。