大功率双P型辐射管实验及仿真探析范文

摘要:通过实验和仿真研究大功率双P型辐射管的温度分布，设计的辐射管功率为200kW，在3.2m×1.2m×2.3m的全纤维内衬实验炉上进行测试，采用k－ε湍流模型、非预混燃烧模型、DO辐射模型进行仿真，对比实验值和仿真值。当炉温为900和1000℃时，各测点管壁温度的仿真值和实验值相比，误差小于5%;空气预热温度为20、400、600℃时，管壁温度和最大温差逐渐增加;在烧嘴额定功率的100%、50%、30%、20%时，随着功率的降低，各测点管壁温度逐渐降低，最大温差逐渐减小;随着热值的增加，管壁高温区的温度越高，管壁最大温差逐渐增加。

关键词:双P型辐射管;烧嘴;温度均匀性

燃气辐射管被广泛应用于各种热处理炉，是热处理工艺的关键设备之一，目前常用的有一字型、U型和W型辐射管。AhanjMD等［1］使用CFD方法研究U型辐射管内的燃烧和传热过程，TsioumanisN等［2－3］研究套管型辐射管的流动燃烧过程，伍成波等［4－5］通过实验和仿真研究了U型辐射管的温度分布，程淑明等［6］通过实验研究降低蓄热式U型辐射管NOx排放的措施。双P型辐射管是近几年的研究热点，陈艳梅等［7］通过数值模拟计算双P型辐射管的烟气循环倍率特性，冯俊小等［8］通过CFD研究了双a型燃气辐射管的传热和温度分布特性。大功率双P型燃气辐射管可提高热处理的炉温均匀性、降低设备的投资运行成本，具有广阔的市场前景。文章以大功率双P型燃气辐射管为研究对象，通过实验和仿真研究其温度分布特性，为双P型辐射管的工业化设计及应用提供依据。

1研究内容

文章研究的双P型辐射管如图1所示，包含自身预热式高速烧嘴和双P型辐射管，烧嘴设计的额定功率为200kW。辐射管实验炉尺寸为3.2m×1.2m×2.3m，全纤维内衬，管壁上设有17个K型热电偶温度测点，热电偶分布如图1所示，实验系统如图2所示。通过实验和仿真研究双P型辐射管的温度均匀性，用实验校核仿真模型，再通过仿真计算不同结构和工况下的管壁温度分布特性。

2计算模型及边界条件

采用ANSYSFLUENT对双P型辐射管内的流动、燃烧和传热过程进行仿真。采用k－ε湍流模型，k为湍动能，ε为湍动耗散能，控制方程如下:式中:珝U为流体的速度矢量;ρ为流体的密度，kg/m3;η和ηt为流体黏性系数和湍流黏性系数，Pa•s;c1，c2，σk，σε为常数;Gk为剪切产生项，Gk的速度分量，m/s。燃烧模型采用非预混燃烧模型，平均混合分数珋f和平均混合分数均方值f'2的守恒方程如下:式中:f'=f－珋f;σt、Cg和Cd为常数;Sm为源项;Suser为用户定义源项，文中取0。辐射采用离散坐标模型，控制方程如下:式中:I为辐射强度;珒r为辐射位置;珒s为传播方向;Ω为空间角;α为热扩散系数，m2/s;η和ηt为流体黏性系数和湍流黏性系数，Pa•s;c1，c2为常数。仿真计算时，煤气、空气为速度入口边界，排烟为压力出口边界，管壁材质为耐热钢，假设辐射管外部为恒温，管壁黑度为0.8，气体粘度和热导率随温度变化，烟气辐射系数采用wsggm－domain－based计算，各变量进行二阶差分，采用SIMPLEC稳态求解。

3实验与仿真结果的对比

双P型辐射管实验的燃料为混合煤气，热值为7300kJ/m3，炉温分别为700、800、900和1000℃，烧嘴处于额定能力下的实验、仿真数据对比如图3。不同炉温下，仿真和实验的温度分布趋势一致，各测点温度的仿真值均略高于实验值，辐射管管壁最高温度分布在中心管测点5～7的区域内，且该区域内的管壁温度基本相等，管壁最低温度位于烟气出口处，700～1000℃四种炉温下，实验管壁最大温差分别为66、62、53和48℃，仿真管壁最大温差分别为44、41、32和31℃。700、800、900和1000℃四个炉温下，各测点仿真和实验的误差分布如图4，平均误差分别为6.9%、3.5%、2.6%和2.2%，随着炉温的升高，各测点误差降低。当炉温较低时，实验炉内的各点炉温不均匀，导致了实验和仿真值误差偏大，当炉温为900和1000℃时，各测点的仿真值和实验值误差均小于5%，验证了仿真模型在炉温大于900℃时的准确性，可通过仿真来预测双P型辐射管的管壁温度分布。

4不同结构和工况的仿真分析

4.1不同空气预热温度双P型辐射管在不同空气预热温度下的管壁温度分布如图5所示。当空气温度为20、400、600℃时，管壁温度分布趋势一致，随着空气预热温度的增加，各测点的管壁温度逐渐增加，温度最高点都位于测点6的位置，管壁最大温差分别为26、28、38℃，管壁最大温差也逐渐增大。

4.2不同烧嘴负荷当煤气热值为7300kJ/m3，炉温为900℃时，双P型辐射管在不同负荷下的管壁温度分布仿真结果如图6所示，在额定负荷的100%、50%、30%和20%，管壁温度分布趋势一致。随着烧嘴负荷降低，各测点的温度也逐渐降低，管壁最高温度点都位于中心管测点5～7的位置，最低温度点位于边管烟气出口处，管壁最大温差分别为32、25、24和21℃，最大温差随着烧嘴负荷的降低逐渐减小，表明双P型辐射管在不同负荷下均具有较好的温度均匀性，可满足热处理工艺不同供热负荷的需求。

4.3不同热值煤气通过仿真计算，研究不同煤气热值下双P型辐射管的管壁温度分布。选取的煤气热值为混合煤气7300kJ/m3、焦炉煤气16700kJ/m3、天然气34000kJ/m3，炉温为900℃，计算结果如图7所示。三种煤气的管壁最大温差分别为32、37和42℃，热值越大，管壁高温区的温度越高，管壁最大温差也越大。

5结论

(1)通过对比双P型辐射管的仿真和实验结果，辐射管管壁测点温度分布趋势一致，当炉温为900和1000℃时，管壁温度的仿真值和实验值相比，误差小于5%，验证了仿真模型的准确性。(2)通过仿真计算空气预热温度对管壁温度分布的影响，空气预热温度为20、400和600℃时，各测点管壁温度和管壁最大温差随空气温度的增加而增加。(3)通过仿真计算烧嘴负荷对管壁温度分布的影响，设为额定负荷的100%、50%、30%、20%，随着烧嘴负荷率的降低，各管壁温度逐渐降低，最大温差逐渐减小，表明双P型辐射管能满足不同供热功率的需求。(4)通过仿真计算煤气热值对管壁温度分布的影响，热值越大，管壁高温区的温度越高，管壁最大温差也越大。 

参考文献

［4］伍成波，许鹏彦，杨进.U型辐射管的表面温度分布实验研究［J］．过程工程学报，2008，8(z1):189－192.

［5］郑剑辉，伍成波，徐少春等.U型辐射管加热装置的性能分析［J］．工业炉，2009，31(2):15－18.

［6］程淑明，雍海泉，伍成波.降低天然气蓄热式辐射管烟气中NOx的实验［J］．重庆大学学报(自然科学版)，2008，31(3):71－75.

［7］陈艳梅，冯俊小，刘兴杰等.基于CFD数值模拟的双P型辐射管烟气循环倍率分析［J］．金属热处理，2016，41(3):184－188.

［8］冯俊小，曹亚平，满毅等.基于CFD双a型燃气辐射管燃烧的传热特性［J］．冶金能源，2014，33(1):14－19.

作者：王宏宇 程奇伯 张道明 雍海泉 冯霄红 单位：重庆赛迪热工环保工程技术有限公司