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2009年第28卷增刊
CAIEMIICAL INDUSTRYAND ENGNEERING PROGRESS
353
反射板几何结构对圆筒炉辐射室热效率的影响
窦从从,毛羽,王娟,王江云
(中国石油大学化工学院,北京102249)
摘要:为了提高圆筒炉輻射室的传热效果,在炉膛辐射室出口设置了不同几何结构的反射板,采用数值模拟方
法研究了反射板的设置对于炉内烟气流动、温度分布及辐射传热的影响。结果表明,反射板的存在,延长了烟气
在炉内的停留时间,炉膛上部空间取热面附近的温度有所上升,在一定程度上增加了炉膛取热面的吸热量,降低
了烟气出ロ温度,提高了輻射室热效率。随反射板直径的增大,炉膛取热量随之増加,但增加的幅度逐渐減小。
关键词:圆简炉;反射板;数值模拟;辐射传热;热效率
管式加热炉是石油炼制、石油化工工业中广泛应1;第三种结构带有一个直径为1.8m的平板形反射
用的加热设备,也是消耗燃料的主要设备,其中加热板2:第四种结构帯有一个直径为2.4m的平板形
炉热效率的高低与减少燃料消耗,降低污染物排放、反射板3,三种不同反射板的安装高度距炉膛底部
降低生产成本有着密切的关系。加热炉辐射室中都是8.9m。计算的四种工况如表1所示。
主要进行辐射传热,提供管内介质所需热量的70%
80%,所以提高辐射室的热效率是提高加热炉热效率
表1计算工况
的关键所在。而加热炉辐射室出口反射板的设置会对
3
整个炉膛的温度分布及辐射室的传热产生一定的影
结构无反射板反射板1反射板2反射板3
响,因此研究反射板的存在对加热炉辐射室内流动及
传热的影响规律,改进反射板结构,对于优化辐射室
炉膛底部燃烧器采用燃气燃烧器,燃烧过程中
的传热,提高辐射室的热效率以及进一步减少燃料消燃料和空气分别进入燃烧器和炉的燃烧区域,因
耗具有重要意义。本文采用数值模拟方法,对辐射室此使用气体扩散燃烧基本方程组来描述炉内的流
出口设置不同几何结构反射板的圆筒型加热炉的辐动、燃烧及传热过程。方程组的通用形式们如下。
射室进行了燃烧及传热的研究,获得其对炉膛内流体
-(p0)+(, o
流动、温度分布及辐射室热效率的影响规律。
模型及计算条件
式中,西为通用变量,为扩散系数,Ss为方
程源项。计算中采用标准kー8双方程湍流模型,简
所研究的圆筒型加热炉如图1所示,圆筒炉辐化的PDF扩散燃烧模型,离散坐标??辐射传热模
射室直径3m,高8.9m,燃烧器安装在炉膛底部。型来封闭方程组。
其中第一种结构为常规圆筒型加热炉,不带反射板
燃料的发热量是505kW,燃料和空气进口边界
第二种结构带有一个直径为1.2m的平板形反射板分别采用速度入口边界,炉膛壁面设置为定温壁面
700K,其它壁面简化为绝热壁面,烟図处采用充分发
展的压力出口边界。用有限差分法对上述方程进行离
反射板1反射板2反射板3
散化,压力速度耦合方程的求解采用 SMIPLE算法。
2计算结果及分析
2.1速度场
图2为炉膛不同高度处轴向速度沿径向的分
布。中心线上速度为正的较大值,靠近边壁处存在
负速度,说明在主射流区域的外围存在向下运动的
图1炉膛结构示意图
烟气,形成两个大的回流区分布在炉膛两侧。工况
1炉膛出口未设置反射板,炉膛内烟气的流动主要
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化工进展
2009年第28卷
受向上的燃烧烟气射流的影响,大部分烟气直接由
辐射室流出,有少量烟气回流,气流循环较弱,停
留时间短,部分热量来不及传入取热面便由烟气带
1234
234
234
出。随着炉膛出口反射板的设置,向上流动的烟气
遇到反射板后一部分绕过反射板继续向上流动,另
外一部分则折返向下流动,且随反射板直径的增加
烟气的速度有所减小,延长了高温烟气在炉膛内的
停留时间,有可能使传热得到一定改善。
图3炉膛温度分布图
-778K
22K;3--865K;4909K
图4为炉膛不同高度处温度沿径向的分布。由图
4可以看出,炉膛中心附近烟气温度变化较小,而取
热面附近烟气温度有所升高,且随着高度的增加,取
0.4
热面附近烟气温度的升高逐渐变得明显。烟气温度的
1.0-0.50.00.51.01.5
这种分布有利于改善炉管上部的受热状况。一般燃气
(a )==8m
燃烧的火焰较短,然相对较高的炉膛空间,使得炉膛
上部区域烟气温度较低,离火焰较远的取热面附近的
烟气温度也较低,因此一般取热面上部的受热较差,
沿炉膛高度方向的受热也就不均匀。加入反射板后,
炉内的流场发生变化,炉膛上部空间的温度场得到改
02
善,炉膛高度方向受热的均匀性变好,有利于增加取
热面在辐射室内的吸热量。随着反射板直径的增大,
其对烟气的阻挡和反射作用变得显著,取热面附近烟
气温度逐渐升高,进一步改善了辐射室的传热效果,
1.5-10-0.50.00.5
提高了烟气的利用率。
(b)-9.5m
2.3传热效果及辐射室热效率
图2不同高度处轴向速度沿径向的分布
由以上分析可知,在辐射室出口设置大小不同
的反射板后,流场及温度场都产生了一定程度的有
2.2温度场
利于传热的变化。对炉膛取热面取热量积分,结果
图3为用等温线显示的炉膛温度分布。由图3表明辐射室的传热效果有所改善。表2给出了各工
可以看出,在等温线4以下靠近炉膛中心部位的主况下的计算结果。
要区域,温度分布没有明显变化,等温錢4以上区
900
域,同一高度处温度有所降低。在靠近炉膛取热面
(壁面)附近的区域,温度分布则有一些变化。这
是由于加入反射板后,反射板对炉膛内上升烟气的
阻挡使烟气产生回流,同一温度的烟气在径向分布
的范围变宽,等温线1的形状说明了这一点,所以
在靠近壁面附近区域的温度有所提高。取热面附近
温度的上升,对提高传热效率是有利的。反射板将
1.5-1.0-0.5000.51-01.5
原先通过辐射传入对流段的热量反射回来,也是取
热面附近温度上升的原因。
(a)=8m