移動(dòng)容器加熱結(jié)構(gòu)對(duì)流體分布影響的研究

羅永欣 門(mén)啟明 姚春榮 趙 凱 王學(xué)生

（1.南通中集罐式儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備制造有限公司 2.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

壓力容器

移動(dòng)容器加熱結(jié)構(gòu)對(duì)流體分布影響的研究

羅永欣*1門(mén)啟明2姚春榮1趙 凱1王學(xué)生2

（1.南通中集罐式儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備制造有限公司 2.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

利用數(shù)值模擬的方法，研究了一種典型的移動(dòng)式壓力容器外置式加熱管連接處開(kāi)孔對(duì)管內(nèi)流動(dòng)性能的影響。開(kāi)孔的目的是為了均衡不同縱向加熱管內(nèi)的流量，充分發(fā)揮每根加熱管的傳熱性能。分析了不同小孔直徑對(duì)加熱管內(nèi)流量和壓降的影響。結(jié)果表明，孔徑的減小使流體分布更加對(duì)稱，但同時(shí)也使管內(nèi)壓降劇增。因此孔徑的選取需要綜合考慮流量和壓降兩種因素的影響。

移動(dòng)容器 加熱管 開(kāi)孔 流動(dòng) 數(shù)值模擬 壓力容器

0 前言

移動(dòng)式壓力容器廣泛應(yīng)用于各種化工物料、化工中間體、農(nóng)藥、飲料食品和酒類等液態(tài)物品的運(yùn)輸[1]。根據(jù)運(yùn)輸物料的種類不同，有的物料凝固溫度較低，需要配備加熱、保溫裝置以保證能順利實(shí)現(xiàn)裝卸，也有些食品或生物制品為了保證質(zhì)量其溫度需要保持在一定的溫度以下。因此，很多移動(dòng)容器安裝有加熱系統(tǒng)。根據(jù)所在的位置不同，加熱系統(tǒng)可分為內(nèi)置式和外置式兩種[2-4]。

目前，移動(dòng)容器最常用的加熱方式為外盤(pán)管加熱方式，這種加熱方式具有不易腐蝕、貨物受熱均勻、容易清洗和檢修等優(yōu)點(diǎn)[5]。本文針對(duì)一種常用的移動(dòng)容器外置式加熱結(jié)構(gòu)，對(duì)其連通管和縱向加熱管連接處擋板開(kāi)孔的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可以為工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

圖1所示為一種典型的外置式移動(dòng)容器加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體和局部放大圖。該加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括三道加強(qiáng)圈和縱向加熱管，在連通管與縱向加熱管連接處有擋板，擋板上開(kāi)有一定直徑的小孔，圖1中局部放大圖顯示出了加熱系統(tǒng)中的開(kāi)孔情況[6]。本文主要研究分流管和縱向加熱管連接處開(kāi)孔對(duì)加熱管中流體流動(dòng)的影響。

為了節(jié)省建模時(shí)間，采用二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只保留兩根縱向加熱管。建立了連接處不加擋板以及擋板開(kāi)孔為10 mm、20 mm和40 mm四種計(jì)算模型，具體的模型尺寸及無(wú)擋板和擋板開(kāi)孔兩種結(jié)構(gòu)局部細(xì)節(jié)見(jiàn)圖2。利用ICEM CFD軟件對(duì)模型進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分，采用四邊形為主體的網(wǎng)格劃分方式 (quad dominant)，劃分了網(wǎng)格尺寸 (max element)為 10 mm、5 mm、2 mm的三種網(wǎng)格并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)解驗(yàn)證，最后選定網(wǎng)格尺寸為5 mm進(jìn)行劃分，得到四種模型的網(wǎng)格數(shù)均在7.3 W左右。

圖1 加熱系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和局部放大圖

圖2 加熱管二維計(jì)算模型及局部結(jié)構(gòu)

2 求解設(shè)置及邊界條件

使用fluent 12.1軟件，采用有限體積法將控制方程離散化。速度-壓力耦合關(guān)系采用SIMPLE算法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。選擇水作為流體介質(zhì)，使用fluent默認(rèn)的物性參數(shù)。采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型來(lái)關(guān)聯(lián)管內(nèi)湍流情況，關(guān)閉能量方程。

由于加熱系統(tǒng)原始結(jié)構(gòu)進(jìn)口處并非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，流體流至加熱管連接處時(shí)兩側(cè)流體流量并不相等，因此本文采用的二維模型設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)口，對(duì)其定義不同的進(jìn)口流速，來(lái)研究連接處小孔對(duì)流動(dòng)的影響。加熱管進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口 (velocity inlet)，進(jìn)口 1流速為 1 m/s，進(jìn)口 2為 0.5 m/s，出口為outflow。連接處擋板設(shè)置為壁面 (wall)邊界，無(wú)擋板和小孔邊界為內(nèi)部面 (interior)。

3 計(jì)算結(jié)果及討論

3.1 無(wú)擋板和擋板開(kāi)孔結(jié)果對(duì)比

連接處無(wú)擋板加熱管內(nèi)速度矢量圖如圖3所示，可以看出，從兩個(gè)進(jìn)口流入的流體經(jīng)過(guò)加熱管的分流后在出口處匯總流出系統(tǒng)。值得注意的是，從進(jìn)口1流入的流體一部分流入上部縱向加熱管，另一部分則流向進(jìn)口2，并與進(jìn)口2來(lái)流匯總后流入下部縱向加熱管。這種現(xiàn)象是由于兩側(cè)進(jìn)口流量不對(duì)稱、進(jìn)口1流速較快而產(chǎn)生的。連接處擋板開(kāi)孔結(jié)構(gòu)加熱管內(nèi)流動(dòng)情況與無(wú)擋板結(jié)構(gòu)相似，僅在開(kāi)孔位置有所不同，兩種結(jié)構(gòu)連接處的速度矢量圖對(duì)比如圖4所示。受到小孔的節(jié)流作用，流體在流經(jīng)小孔后速度會(huì)迅速升高，并且在擋板內(nèi)側(cè)形成明顯的漩渦。

圖3 連接處無(wú)擋板管內(nèi)速度矢量圖

在fluent軟件中統(tǒng)計(jì)兩種工況，將兩根縱向加熱管中的流量和壓降制成表1。由表1可見(jiàn)，連接處無(wú)擋板時(shí)，下部縱向加熱管流量大，這主要是由于進(jìn)口1流速大，很大一部分流體并沒(méi)有流入上部的縱向加熱管，而是沿著連接管流入下部縱向加熱管所致。連接處開(kāi)孔后，仍然有一部分進(jìn)口1的流體流入下部縱向加熱管導(dǎo)致其流量較大。對(duì)比兩種工況可以發(fā)現(xiàn)，連接處加入開(kāi)孔擋板使兩根加熱管中的流量分布更加均衡，也就是說(shuō)，兩根加熱管中流體分布更加對(duì)稱。這樣的結(jié)構(gòu)使得在加熱過(guò)程中，兩側(cè)加熱管擁有同樣的加熱效果，能充分發(fā)揮每根加熱管的傳熱性能，擁有更高的傳熱效率。但是也可以看到，開(kāi)孔會(huì)使加熱管中壓降有很大的增加，因此這種結(jié)構(gòu)適用于允許有較高壓降的場(chǎng)合。

圖4 兩種加熱結(jié)構(gòu)連接處速度矢量圖

表1 無(wú)擋板和擋板開(kāi)孔兩種工況對(duì)比

3.2 孔徑對(duì)流場(chǎng)的影響

將擋板孔徑10 mm和40 mm兩種結(jié)構(gòu)縱向加熱管的流量和壓降變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與20 mm孔徑做對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)比三種孔徑結(jié)構(gòu)縱向加熱管內(nèi)流量分布可以發(fā)現(xiàn)，隨著孔徑的減小，上下兩根縱向加熱管內(nèi)流量分布趨于均勻，也就是說(shuō)加熱管連接處擋板開(kāi)孔越小，流體加熱就越均勻，加熱效果也就越好。但與此同時(shí)，孔徑的減小伴隨著加熱管壓降的大幅增加，因此孔徑大小的確定是一個(gè)綜合考慮的結(jié)果，不能一味地追求更小的孔徑。

表2 三種不同孔徑工況對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了移動(dòng)容器外置式加熱結(jié)構(gòu)連接處加入開(kāi)孔擋板對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響，具體結(jié)論如下：

（1）系統(tǒng)進(jìn)口的不對(duì)稱性導(dǎo)致縱向加熱管內(nèi)流體流量的不對(duì)稱；

（2）對(duì)比有、無(wú)開(kāi)孔擋板兩種工況發(fā)現(xiàn)，在加熱管連接處加入開(kāi)小孔擋板可使縱向加熱管流體流量分布更加均衡，但同時(shí)也增大了管內(nèi)壓降，這就需要設(shè)備具有更高的抗壓能力；

（3）隨著孔徑的減小，縱向加熱管內(nèi)流量分布更加均勻，壓降也更大，因此孔徑的選擇需要綜合考慮這兩種因素的影響。

值得指出的是，這種結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于其他流量分布不均導(dǎo)致加熱不對(duì)稱的場(chǎng)合。

[1]羅永紅．罐式集裝箱的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì) [J]．科技資訊，2005(24)：6.

[2]張孝瓊．加熱管道外置式保溫罐車的設(shè)計(jì) [J]．專用汽車，2005(3)：25.

[3]祝學(xué)敏．化工品儲(chǔ)罐加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(30)：87.

[4]劉建平．鐵路罐式集裝箱設(shè)計(jì)的研究 [J]．鐵道貨運(yùn)，2009(6)：35-38.

[5]王新義，郭永華，袁彥華．一種保溫罐車的新型加熱裝置 [J]．專用汽車，2009(7)：54-55.

[6]任超．罐式集裝箱傳熱過(guò)程分析及數(shù)值模擬 [D]．上海：華東理工大學(xué)，2012.

自主研制高溫油煤漿泵成功替代進(jìn)口

今年8月，MJ200-110型高溫油煤漿泵在神華鄂爾多斯煤制油分公司通過(guò)新產(chǎn)品鑒定。鑒定認(rèn)定：該泵在結(jié)構(gòu)、材料、密封、暖泵等方面均有突破和創(chuàng)新，總體達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)的水平，建議盡快投入批量生產(chǎn)，為煤化工、石油化工行業(yè)提供可靠的國(guó)產(chǎn)設(shè)備支持。由上海市機(jī)械工程學(xué)會(huì)、華東理工大學(xué)、神華科學(xué)技術(shù)研究院、SEI等單位專家及用戶代表組成的鑒定委員會(huì)認(rèn)為，上海福斯特流體機(jī)械有限公司自主開(kāi)發(fā)的MJ200-110型離心式高溫油煤漿泵，結(jié)構(gòu)科學(xué)合理、密封效果良好、暖泵方式獨(dú)特。在神華百萬(wàn)噸級(jí)煤直接液化項(xiàng)目上近4年的使用證明，該設(shè)備運(yùn)行可靠，可完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。

（高楓）

Effect of Movable Vessel Heating Tube Structure on Fluid Distribution

Luo Yongxin Men Qiming Yao Chunrong Zhao KaiWang Xuesheng

For the external heating tube of a typical movable pressure vessel,studied the effect of openings in tube connection on flow performance in the tube with numerical simulation method.Purpose of openings was to balance flow in different vertical heating tubes,so as to fully play the heat transfer performance of each heating tube. Analyzed the effects on flow and pressure drop of different openings diameters,the results showed that the decrease of opening diameter lead to a more symmetrical flow distribution,but a significant addition of pressure drop in the tube.Thus,the effects on flow and pressure drop should be taken into consideration while selecting the opening diameter.

Movable vessel;Heating tube;Opening;Flow;Numerical simulation;Pressure vessel

TQ 051.5

2013-04-11）

*羅永欣，男，1966年生，高級(jí)工程師。南通市，226003。