固定床反应器中错流流动的数值模拟

为了了解内置有传热管列而被强化的固定床床层内的错流流动, 在考虑对流项和扩散项对流场的作用情况下,基于Ergun方程建立了该种固定床反应器多孔介质的数学模型,模拟了床层的压力分布, 然后在管子按不同的三角形和正方形排列方式情况下,研究了床层内气体在多圆管管间及周边的速度分布.由于管道的阻挡,沿主体流动方向的速度分量v在圆管正前、后方近壁处,v显著下降,随着离开圆管距离的增大,其影响减弱,影响范围≤1.0Dt;气体在圆管前后流速下降,管间流速呈现增大的波形曲线,其波峰和波幅的大小以及波形曲线的形状,不仅与管间距离和入口速度有关,而且与圆管的排列方式有关.计算结果与实验值比较表明模型能正确描述床层的压力分布;采用三角形排列方式,与采用正方形排列方式相比,强化了床层内的对流传热,使得床层内温度分布更趋于均匀.     

固定床内错流传热——-I. 床层的温度分布

对固定床中流体与换热管呈错流流动的传热进行了实验研究，并以二维传热模型进行模拟. 比较模拟结果与实验测得数据得到如下结论：错流传热影响区域主要在换热管的后方，在前方几乎没有影响；错流传热过程与流体流动方向密切相关，热量传递顺流体流动方向进行，逆流动方向几乎不发生热量传递；随着Reynolds数增大，等温线范围变窄，被加热区宽度变小. 拟合关联得到了壁给热系数hw和床层有效导热系数 b的关系式：hwDP/ f=14.77+0.058 RepPr, b/ f=15.14+0.296RepPr.     

固定床内错流传热——I.床层的温度分布

对固定床中流体与换热管呈错流流动的传热进行了实验研究,并以二维传热模型进行模拟.比较模拟结果与实验测得数据得到如下结论:错流传热影响区域主要在换热管的后方,在前方几乎没有影响;错流传热过程与流体流动方向密切相关,热量传递顺流体流动方向进行,逆流动方向几乎不发生热量传递;随着Reynolds数增大,等温线范围变窄,被加热区宽度变小.拟合关联得到了壁给热系数hw和床层有效导热系数lb的关系式:hwDP/lf=14.77+0.058RePr,l/l=15.14+0.296RePr.     

气体流动条件下钴基催化剂固定床的传热

在气体流量4~8 Nm3/h、气体分布器进口温度190~210℃、加热管壁温约240℃的条件下,对气体流动时活性组分呈蛋壳型分布的钴基催化剂固定床的传热进行了实验研究,建立了二维拟均相传热模型,利用正交配置法和Levenberg-Marquardt法对其求解,得到了钴基催化剂床层径向有效导热系数及壁给热系数的关联式,并将传热参数与由气体处于静态时固定床的有效导热系数计算而得的固定床传热参数值进行了比较,在气体入口温度范围内考察了其对固定床传热参数的影响. 结果表明,实验所得传热参数与文献值的最大偏差绝对值均在15%以内.     

固定床冷却的错流传热

采用挤条型催化剂载体Al2O3和合成氨铁系催化剂为填充物,以空气为介质,在床层被冷却的情况下,研究固定床中内置圆管被冷却的错流传热。被冷却床层中的等温线是以流动方向为长轴的椭圆形曲线,被冷却的区域主要在换热管的后方,其前方几乎没有影响。错流传热过程与流体流动方向密切相关,床层被冷却时,热量传递是逆流体流动方向进行,顺流动方向几乎不发生热量传递。得到了气体雷诺数为10-220,床径／粒径为3～15条件下填充低导热系数颗粒和高导热系数颗粒床层的传热关联式。     

固定床内错流传热——II.床层对壁给热系数的经验关联式

采用3种导热性能不同的固体颗粒为填充物,以空气为介质,在床层被加热的情况下,研究了固定床中内置圆管的错流传热.采用最小二乘法对实验数据进行拟合,得到以床层对壁的平均给热系数、气体的导热系数和床层中被加热圆管的管径计算的Nusselt准数经验关联式:Nuf=31(lb0/ls)1.4(Db/Dp)0.2Rep0.33Pr0.62,Rep=10~180,Db/Dp=28~116,lb0/ls=0.5~0.2.Reynolds数以固体颗粒的等外表面积当量直径进行计算.结果表明,在错流传热过程中,表征气体流动特性的参数Rep仍是错流传热的重要影响因素,Nusselt准数除与床层的结构参数Db和颗粒的当量直径Dp有关外,还与颗粒的导热系数ls和床层的导热系数lbo密切相关.     

固定床内错流传热——-II. 床层对壁给热系数的经验关联式

采用3种导热性能不同的固体颗粒为填充物，以空气为介质，在床层被加热的情况下，研究了固定床中内置圆管的错流传热. 采用最小二乘法对实验数据进行拟合，得到以床层对壁的平均给热系数、气体的导热系数和床层中被加热圆管的管径计算的Nusselt准数经验关联式: Nuf 31( b0/ s)1.4(Db/Dp)0.2Rep0.33Pr0.62, Rep 10 180, Db/Dp 28 116, b0/ s 0.5 0.2. Reynolds数以固体颗粒的等外表面积当量直径进行计算. 结果表明，在错流传热过程中，表征气体流动特性的参数Rep仍是错流传热的重要影响因素，Nusselt准数除与床层的结构参数Db和颗粒的当量直径Dp有关外，还与颗粒的导热系数 s和床层的导热系数 bo密切相关.     

竖直管气固鼓泡流化床传热机理的CPFD模拟

针对细颗粒气固鼓泡流化床中床料与竖直传热管壁面间的传热行为,在前期实验的基础上,采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法从颗粒在传热壁面更新的角度,深入分析了传热特性与壁面气固流动行为之间的关联性。结果表明,模拟得到的传热管壁面颗粒更新通量和基于颗粒团更新模型的颗粒团平均停留时间均能很好解释实验测得的传热系数变化规律,这证实颗粒团更新是影响传热过程的控制性因素。模拟还发现随加热管从床层中心向边壁的移动,加热管周向方向上颗粒更新通量和传热系数的不均匀性都呈增大趋势。随着表观气速的增大,气泡行为导致床层颗粒内循环流率增大,这是导致颗粒团在加热管壁面上的更新频率增大以及床层与壁面间传热系数增大的根源。     

水平管油气两相段塞流及其传热特性

海底油气管道的冷却传热过程是结蜡、水合物等海洋石油工业流动保障问题的关键控制因素。采用电容探针与热电偶、热电阻等流动及温度测量手段对不同冷却条件下空气-油段塞流的流动参数和传热参数进行实验测量,分析了空气-油段塞流流动参数对传热特性的影响,并与空气-水对流换热进行对比。结果表明,空气-油段塞流对流传热系数主要受液相折算速度的影响,且冷却液温度越低,管底热流体黏度越大,导致热边界层越厚,传热系数降低;受黏性力及边界层影响,对流传热系数远小于空气-水;沿管壁周向,从管顶到管底的对流传热系数不断增大。提出了适用于冷却条件下的油气段塞流传热关联式和传热模型。     

竖直管气固鼓泡流化床传热机理的CPFD模拟

针对细颗粒气固鼓泡流化床中床料与竖直传热管壁面间的传热行为,在前期实验的基础上,采用计算颗粒流体力学(CPFD)方法从颗粒在传热壁面更新的角度,深入分析了传热特性与壁面气固流动行为之间的关联性。结果表明,模拟得到的传热管壁面颗粒更新通量和基于颗粒团更新模型的颗粒团平均停留时间均能很好解释实验测得的传热系数变化规律,这证实颗粒团更新是影响传热过程的控制性因素。模拟还发现随加热管从床层中心向边壁的移动,加热管周向方向上颗粒更新通量和传热系数的不均匀性都呈增大趋势。随着表观气速的增大,气泡行为导致床层颗粒内循环流率增大,这是导致颗粒团在加热管壁面上的更新频率增大以及床层与壁面间传热系数增大的根源。     

不锈钢三维强化管内的换热和压降特性

采用实验方法对比制冷剂R410A在3根强化管和1根光滑管内的换热和压降特性。所有的三维双侧强化管均通过高压分层轧制制成,其立体化内表面结构分别是旋涡状凸起和船型凹坑与花瓣纹背景图案的叠加。通过热平衡分析,实验热损失小于5%。保持制冷剂侧流量不变的情况下,改变水侧的质量流率,可以通过Wilson图解法计算每个管型的水侧传热系数。经热阻模型计算,1EHT-1的管内单相换热性能最佳,3EHT次之,1EHT-2最弱。3根强化管的蒸发和冷凝换热实验结果差距较大,不锈钢的低热导率对凸起/凹坑区域的温度分布影响是主要原因。     

Heat transfer in fixed bed gas—solid systems

Fluid-to-particle heat transfer measurements in fixed bed were performed via microwave heating technique. The selective absorption of microwave power by the particles alone achieved constant uniformity in the solid temperature within the bed. Thus it successfully separated the fluid-to-particle heat transfer mode from the particle-to-particle mode.Based on the experimental data, a model for heat transfer mechanism in a fixed bed was proposed to consist of (i) conductive heat transfer with motionless fluid; (ii) effect of fluid flow on conduction; and (iii) heat transfer due to convection alone. The sum of the above three modes as predicted was then compared with data reported in literature for total heat transfer in fixed beds and showed very good agreement.     

管形对水平管降膜圆周膜厚和Nusselt数的影响

针对海水淡化系统的水平管降膜蒸发,建立了二维数值模型,分析了光滑圆管和6种不同截面形状的蛋形管外降膜流动及传热特性。采用VOF方法考察了不同管型对管外液膜分布和传热特性的影响。数值结果表明:蛋形管外液体沿周向流动较圆管稍快,且可获得更均匀更薄的液膜;液膜厚度随半轴比ε增大而减小,随周向先逐渐减小后迅速增加,圆管和蛋形管的液膜最小值分别出现在周向相对坐标0.69和0.70~0.84附近。蛋形管的膜内量纲1温度较圆管的小,其热边界层厚度较薄,具有更好的传热性能。拟合数据得到,ε为2.4的蛋形管具有最好的传热性能,其Nusselt数可达0.32,较圆管的高出12.68%。最后,将数值模拟结果与文献中的数据进行了对比,验证了数值模型的可行性和合理性。     

固定床中热气体非稳态渗流传热与煤热解过程

针对煤燃烧前热解脱硫工艺 ,研究固定床中气体渗流传热传质与煤热解反应综合过程 ,建立多孔介质非稳态渗流传热传质与煤热反应相互作用的物理数学模型 ,研究不同情况下床内气固温度和煤热解挥发分析出浓度瞬态分布规律 .计算结果表明 ,固定床中煤料的热解反应主要发生在床层下部的热渗透作用区域 ,随着运行时间的延长 ,煤热解区段不断向床高方向推移 .提高热气入口温度 ,热渗透作用区域内的物料温度水平提高 ,煤粒热解反应期缩短 .在热作用区域 ,煤热解反应与渗流传热传质过程密切相关 .模型计算结果与文献中的实验数据进行了比较 ,两者符合较好 .研究结果对于煤燃烧前热解脱硫装置的设计与运行具有一定的参考作用     

Simulation of natural gas steam reforming furnace

A mathematical model for natural gas reformer is established to draw up homogeneous phase one-dimensional reaction kinetics equation in the reforming tubes, and compute the tube external radiant heat transfer with zone method. Simulation result is compared with the operating data carried on Selas reformer used in Brown and Root Braun 1000 t NH₃/day production system in Urumqi Second Ammonia Plant, and they match well. This model has laid the foundation for the design variable optimization research, for example, the relations among specific heat transfer area of furnace tube, tube outlet temperature, tube pressure drop and maximum tube-wall temperature, as well as the effect of tube pitch, furnace chamber width, burner arrangement, furnace wall blackness, production load, water carbon ratio and fuel distribution on operation behaviors.     

HEAT TRANSFER IN A SUBCOOLED WATER FILM FALLING ACROSS A HORIZONTAL HEATED TUBE

A numerical simulation and an experimental study were carried out for sensible heat transfer for a subcooled water film falling across a horizontal heated tube. A laminar model and a turbulent model were adopted to calculate the heat transfer coefficient. The whole wetting zone on the tube surface was divided into two zones: the top stagnation zone and the lateral free film flow zone. The initial boundary conditions for the free film flow zone were determined by calculating the fluid and the temperature fields in the stagnation zone. A modified wall function method was used for the turbulent model. The comparisons between the experimental data and the numerical solutions show that the experimental data agree reasonably well with the laminar model solutions. Finally, two simple correlations were proposed for predicting the convective heat transfer of a falling film for engineering applications.     

A Numerical Study on Fully Developed Fluid Flow and Heat Transfer in a Spiral Finned Tube

In this paper, the standard k-εtwo-equation model is adopted to numerically simulate fully developed fluid flow and heat transfer in a spiral finned tube within a cracking furnace for ethylene manufacturing. By variable transformation, the orlglnal 3-D problem is converted into a 2-D problem in spiral coordinates. The algorithm of SIMPLEC is used to study the fully developed fluld flow and heat transfer in the spiral finned tube at constant periphery temperature and constant axial heat flux, The computed results agree pretty well with the experimental data obtained from the industry, Further studies on the fluid flows and temperature profiles at different Reynolds numbers within straight and spiral finned tubes are conducted and the mechanisms involved are explored. It is found that with the spiral finned tube, pressure drop increases to a great extent whereas heat transfer tends to be decreased.     

固定床传热中的参数估值传热参数中的床高效应

本文试验测定了固定床的传热数据,计算和分析表明,床高效应反映了加热段进口热边界层对传热参数的影响,不能通过在传热 模型中引入轴向导热项或采用抛物线型进口边界条件获得补偿;轴向导热项对拟合传热参数以及模拟床层内的温度场均无意义,因此拟均相模型应该采用ＰＦ模型的形式。要想到可靠的传热参数,必须通过不同床高下的传热 数据来获得传热参数的渐近值。