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基于FLUENT的加热炉模拟与优化

作　者: 郑志伟
导　师: 杨朝合；赵辉
学　校: 中国石油大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 加热炉 分区耦合 数值模拟 节能 优化
分类号: TQ054
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 451次
引　用: 4次
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内容摘要


加热炉是石油化工行业的主要加热设备,同时也是高能耗设备,加热炉的节能降耗是节能工作的重点环节。通过研究炉内传热过程来提高能源利用率,已成为技术创新的工作重点。本课题以某石化公司500万吨/年的常压加热炉为模拟对象,根据计算流体力学的基本原理,建立了管式加热炉炉管内外耦合传热的数学模型。根据所建立的耦合传热模型,对常压加热炉内的稳态传热过程进行模拟。通过与现场标定数据进行对比分析,验证了加热炉模型的准确性。同时,针对炉管周向热强度分布不均匀的问题,提出了强化传热的优化方案,通过优化前后的模拟结果分析,验证了优化方案的可行性。采用分区耦合的方法研究了常压加热炉辐射段内的流动、燃烧和管内外传热的工艺过程。计算中,实现了燃烧器、炉膛、炉管整体几何结构的建模和网格划分,选用标准k-湍流模型、非预混燃烧模型和离散坐标辐射传热模型,将炉管黑度定为0.8,模拟得到了炉内的流场、温度场及炉管表面温度和热强度分布的详细信息。炉膛温度及炉管表面热强度模拟结果与常压炉测定数据和设计数据非常吻合。结果表明,底部燃烧器的高速射流在炉膛下部产生较大回流区,对炉膛内烟气温度分布的均匀性至关重要;另外,炉管管壁温度和热强度分布存在明显的非均匀性,影响炉管使用寿命。以炉管表面热强度分布为边界条件,采用MATLAB编程,进行了管内一维流动计算,得到炉管出口的温度、压力和气化率数值,通过与常压炉测定数据比较,证明了所建加热炉耦合传热模型的可行性和准确性。通过单根炉管的模拟结果可知,在单面辐射炉中,炉管周向和轴向的温度和热强度分布存在明显的不均匀性,向火侧的热强度明显高于背火侧。在炉管背火侧的一定范围内增加适量的钉头或翅片,可以提高背火侧的受辐射面积。改造后,翅片管背火侧的辐射热强度比光管提高了14%左右,平均辐射热强度比光管提高了7%左右,同时,翅片管向火侧的辐射热强度仅为背火侧的1.18倍,周向热强度分布趋向均匀。该方案有效提高了炉管背火侧的热强度和炉管平均热强度,改善了炉管周向热强度分布,提高了炉膛热强度和加热炉热效率,延长了加热炉安全运行周期,对实现节能减排具有重要意义。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章 前言  11-22
  1.1 加热炉节能的必要性  11-12
  1.2 加热炉的节能措施  12-14
    1.2.1 改进燃烧装置  12
    1.2.2 改善炉型结构  12-14
  1.3 加热炉模拟的研究现状  14-20
    1.3.1 FLUENT 软件简介  15-16
    1.3.2 FLUENT 软件在燃气加热炉中的研究进展  16-19
    1.3.3 FLUENT 软件在燃油加热炉中的应用  19
    1.3.4 加热炉模拟中存在的问题  19-20
  1.4 本文研究的主要内容  20-22
第二章 加热炉模拟的基本理论  22-43
  2.1 辐射室模拟的基本理论  22-34
    2.1.1 湍流模型  22-27
    2.1.2 燃烧模型  27-30
    2.1.3 辐射模型  30-34
  2.2 管内一维流动的基本理论  34-43
    2.2.1 计算方法及整体框架  34-36
    2.2.2 计算模型选择  36-43
第三章 常压加热炉三维模型考察  43-66
  3.1 加热炉数学模型的建立  43-46
    3.1.1 加热炉的几何模型  43
    3.1.2 加热炉网格划分  43-44
    3.1.3 基本假设条件  44-45
    3.1.4 炉内热过程的数学模型  45
    3.1.5 边界条件  45
    3.1.6 计算结果处理  45-46
  3.2 加热炉燃烧器结构考察  46-54
    3.2.1 燃烧器简化结构介绍  47-49
    3.2.2 不同燃烧器简化结构燃烧效果分析  49-54
  3.3 网格无关性考察  54-59
    3.3.1 网格划分方案的确定  55-56
    3.3.2 不同网格划分方案结果分析  56-59
  3.4 湍流模型考察  59-62
  3.5 辐射模型考察  62-65
  3.6 小结  65-66
第四章 常压加热炉耦合传热模拟  66-88
  4.1 加热炉耦合传热的数值模拟方法  66-67
  4.2 单根光管与翅片管模拟结果对比  67-73
    4.2.1 单根光管模拟结果分析  68-70
    4.2.2 单根翅片管模拟结果分析  70-73
  4.3 炉管内外耦合传热计算  73-86
    4.3.1 全炉模拟辐射模型考察  74-77
    4.3.2 全炉模拟炉管黑度考察  77-79
    4.3.3 炉管内外耦合传热结果分析  79-86
  4.4 小结  86-88
结论与展望  88-90
参考文献  90-96
附录  96-97
致谢  97

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化工机械与仪器、设备 > 化工用炉灶、化工窑
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