羅永欣 門啟明 姚春榮 趙 凱 王學生

（1.南通中集罐式儲運設備制造有限公司 2.華東理工大學機械與動力工程學院)

壓力容器

移動容器加熱結(jié)構(gòu)對流體分布影響的研究

羅永欣*1門啟明2姚春榮1趙 凱1王學生2

（1.南通中集罐式儲運設備制造有限公司 2.華東理工大學機械與動力工程學院)

利用數(shù)值模擬的方法，研究了一種典型的移動式壓力容器外置式加熱管連接處開孔對管內(nèi)流動性能的影響。開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稱，但同時也使管內(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。

移動容器 加熱管 開孔 流動 數(shù)值模擬 壓力容器

0 前言

移動式壓力容器廣泛應用于各種化工物料、化工中間體、農(nóng)藥、飲料食品和酒類等液態(tài)物品的運輸[1]。根據(jù)運輸物料的種類不同，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，移動容器最常用的加熱方式為外盤管加熱方式，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[5]。本文針對一種常用的移動容器外置式加熱結(jié)構(gòu)，對其連通管和縱向加熱管連接處擋板開孔的特殊結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬研究，并對模擬結(jié)果進行了分析，研究結(jié)果可以為工程應用提供一定的參考。

1 計算模型及網(wǎng)格劃分

圖1所示為一種典型的外置式移動容器加熱系統(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)中的開孔情況[6]。本文主要研究分流管和縱向加熱管連接處開孔對加熱管中流體流動的影響。

為了節(jié)省建模時間，采用二維模型進行數(shù)值模擬研究，并對模型進行了簡化，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孔為10 mm、20 mm和40 mm四種計算模型，具體的模型尺寸及無擋板和擋板開孔兩種結(jié)構(gòu)局部細節(jié)見圖2。利用ICEM CFD軟件對模型進行二維網(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)格并進行了網(wǎng)格無關解驗證，最后選定網(wǎng)格尺寸為5 mm進行劃分，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 加熱管二維計算模型及局部結(jié)構(gòu)

2 求解設置及邊界條件

使用fluent 12.1軟件，采用有限體積法將控制方程離散化。速度-壓力耦合關系采用SIMPLE算法進行穩(wěn)態(tài)計算，對流項采用二階迎風格式。選擇水作為流體介質(zhì)，使用fluent默認的物性參數(shù)。采用標準κ-ε湍流模型來關聯(lián)管內(nèi)湍流情況，關閉能量方程。

由于加熱系統(tǒng)原始結(jié)構(gòu)進口處并非對稱結(jié)構(gòu)，流體流至加熱管連接處時兩側(cè)流體流量并不相等，因此本文采用的二維模型設計了兩個進口，對其定義不同的進口流速，來研究連接處小孔對流動的影響。加熱管進口設置為速度進口 (velocity inlet)，進口 1流速為 1 m/s，進口 2為 0.5 m/s，出口為outflow。連接處擋板設置為壁面 (wall)邊界，無擋板和小孔邊界為內(nèi)部面 (interior)。

3 計算結(jié)果及討論

3.1 無擋板和擋板開孔結(jié)果對比

連接處無擋板加熱管內(nèi)速度矢量圖如圖3所示，可以看出，從兩個進口流入的流體經(jīng)過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，另一部分則流向進口2，并與進口2來流匯總后流入下部縱向加熱管。這種現(xiàn)象是由于兩側(cè)進口流量不對稱、進口1流速較快而產(chǎn)生的。連接處擋板開孔結(jié)構(gòu)加熱管內(nèi)流動情況與無擋板結(jié)構(gòu)相似，僅在開孔位置有所不同，兩種結(jié)構(gòu)連接處的速度矢量圖對比如圖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 連接處無擋板管內(nèi)速度矢量圖

在fluent軟件中統(tǒng)計兩種工況，將兩根縱向加熱管中的流量和壓降制成表1。由表1可見，連接處無擋板時，下部縱向加熱管流量大，這主要是由于進口1流速大，很大一部分流體并沒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。連接處開孔后，仍然有一部分進口1的流體流入下部縱向加熱管導致其流量較大。對比兩種工況可以發(fā)現(xiàn)，連接處加入開孔擋板使兩根加熱管中的流量分布更加均衡，也就是說，兩根加熱管中流體分布更加對稱。這樣的結(jié)構(gòu)使得在加熱過程中，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，開孔會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合。

圖4 兩種加熱結(jié)構(gòu)連接處速度矢量圖

表1 無擋板和擋板開孔兩種工況對比

3.2 孔徑對流場的影響

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行統(tǒng)計，并與20 mm孔徑做對比，結(jié)果見表2。對比三種孔徑結(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，也就是說加熱管連接處擋板開孔越小，流體加熱就越均勻，加熱效果也就越好。但與此同時，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比

4 結(jié)論

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

（1）系統(tǒng)進口的不對稱性導致縱向加熱管內(nèi)流體流量的不對稱；

（2）對比有、無開孔擋板兩種工況發(fā)現(xiàn)，在加熱管連接處加入開小孔擋板可使縱向加熱管流體流量分布更加均衡，但同時也增大了管內(nèi)壓降，這就需要設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)也可應用于其他流量分布不均導致加熱不對稱的場合。

[1]羅永紅．罐式集裝箱的開發(fā)與設計 [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計 [J]．專用汽車，2005(3)：25.

[3]祝學敏．化工品儲罐加熱系統(tǒng)的設計 [J]．科技創(chuàng)新導報，2008(30)：87.

[4]劉建平．鐵路罐式集裝箱設計的研究 [J]．鐵道貨運，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．罐式集裝箱傳熱過程分析及數(shù)值模擬 [D]．上海：華東理工大學，2012.

自主研制高溫油煤漿泵成功替代進口

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新產(chǎn)品鑒定。鑒定認定：該泵在結(jié)構(gòu)、材料、密封、暖泵等方面均有突破和創(chuàng)新，總體達到國內(nèi)領先、國際先進的水平，建議盡快投入批量生產(chǎn)，為煤化工、石油化工行業(yè)提供可靠的國產(chǎn)設備支持。由上海市機械工程學會、華東理工大學、神華科學技術研究院、SEI等單位專家及用戶代表組成的鑒定委員會認為，上海福斯特流體機械有限公司自主開發(fā)的MJ200-110型離心式高溫油煤漿泵，結(jié)構(gòu)科學合理、密封效果良好、暖泵方式獨特。在神華百萬噸級煤直接液化項目上近4年的使用證明，該設備運行可靠，可完全替代進口產(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，高級工程師。南通市，226003。