移动容器加热结构对流体分布影响的研究

罗永欣 门启明 姚春荣 赵 凯 王学生

（1.南通中集罐式储运设备制造有限公司 2.华东理工大学机械与动力工程学院)

压力容器

移动容器加热结构对流体分布影响的研究

罗永欣*1门启明2姚春荣1赵 凯1王学生2

（1.南通中集罐式储运设备制造有限公司 2.华东理工大学机械与动力工程学院)

利用数值模拟的方法，研究了一种典型的移动式压力容器外置式加热管连接处开孔对管内流动性能的影响。开孔的目的是为了均衡不同纵向加热管内的流量，充分发挥每根加热管的传热性能。分析了不同小孔直径对加热管内流量和压降的影响。结果表明，孔径的减小使流体分布更加对称，但同时也使管内压降剧增。因此孔径的选取需要综合考虑流量和压降两种因素的影响。

移动容器 加热管 开孔 流动 数值模拟 压力容器

0 前言

移动式压力容器广泛应用于各种化工物料、化工中间体、农药、饮料食品和酒类等液态物品的运输[1]。根据运输物料的种类不同，有的物料凝固温度较低，需要配备加热、保温装置以保证能顺利实现装卸，也有些食品或生物制品为了保证质量其温度需要保持在一定的温度以下。因此，很多移动容器安装有加热系统。根据所在的位置不同，加热系统可分为内置式和外置式两种[2-4]。

目前，移动容器最常用的加热方式为外盘管加热方式，这种加热方式具有不易腐蚀、货物受热均匀、容易清洗和检修等优点[5]。本文针对一种常用的移动容器外置式加热结构，对其连通管和纵向加热管连接处挡板开孔的特殊结构进行了数值模拟研究，并对模拟结果进行了分析，研究结果可以为工程应用提供一定的参考。

1 计算模型及网格划分

图1所示为一种典型的外置式移动容器加热系统结构的整体和局部放大图。该加热系统结构包括三道加强圈和纵向加热管，在连通管与纵向加热管连接处有挡板，挡板上开有一定直径的小孔，图1中局部放大图显示出了加热系统中的开孔情况[6]。本文主要研究分流管和纵向加热管连接处开孔对加热管中流体流动的影响。

为了节省建模时间，采用二维模型进行数值模拟研究，并对模型进行了简化，只保留两根纵向加热管。建立了连接处不加挡板以及挡板开孔为10 mm、20 mm和40 mm四种计算模型，具体的模型尺寸及无挡板和挡板开孔两种结构局部细节见图2。利用ICEM CFD软件对模型进行二维网格划分，采用四边形为主体的网格划分方式 (quad dominant)，划分了网格尺寸 (max element)为 10 mm、5 mm、2 mm的三种网格并进行了网格无关解验证，最后选定网格尺寸为5 mm进行划分，得到四种模型的网格数均在7.3 W左右。

图1 加热系统的整体结构和局部放大图

图2 加热管二维计算模型及局部结构

2 求解设置及边界条件

使用fluent 12.1软件，采用有限体积法将控制方程离散化。速度-压力耦合关系采用SIMPLE算法进行稳态计算，对流项采用二阶迎风格式。选择水作为流体介质，使用fluent默认的物性参数。采用标准κ-ε湍流模型来关联管内湍流情况，关闭能量方程。

由于加热系统原始结构进口处并非对称结构，流体流至加热管连接处时两侧流体流量并不相等，因此本文采用的二维模型设计了两个进口，对其定义不同的进口流速，来研究连接处小孔对流动的影响。加热管进口设置为速度进口 (velocity inlet)，进口 1流速为 1 m/s，进口 2为 0.5 m/s，出口为outflow。连接处挡板设置为壁面 (wall)边界，无挡板和小孔边界为内部面 (interior)。

3 计算结果及讨论

3.1 无挡板和挡板开孔结果对比

连接处无挡板加热管内速度矢量图如图3所示，可以看出，从两个进口流入的流体经过加热管的分流后在出口处汇总流出系统。值得注意的是，从进口1流入的流体一部分流入上部纵向加热管，另一部分则流向进口2，并与进口2来流汇总后流入下部纵向加热管。这种现象是由于两侧进口流量不对称、进口1流速较快而产生的。连接处挡板开孔结构加热管内流动情况与无挡板结构相似，仅在开孔位置有所不同，两种结构连接处的速度矢量图对比如图4所示。受到小孔的节流作用，流体在流经小孔后速度会迅速升高，并且在挡板内侧形成明显的漩涡。

图3 连接处无挡板管内速度矢量图

在fluent软件中统计两种工况，将两根纵向加热管中的流量和压降制成表1。由表1可见，连接处无挡板时，下部纵向加热管流量大，这主要是由于进口1流速大，很大一部分流体并没有流入上部的纵向加热管，而是沿着连接管流入下部纵向加热管所致。连接处开孔后，仍然有一部分进口1的流体流入下部纵向加热管导致其流量较大。对比两种工况可以发现，连接处加入开孔挡板使两根加热管中的流量分布更加均衡，也就是说，两根加热管中流体分布更加对称。这样的结构使得在加热过程中，两侧加热管拥有同样的加热效果，能充分发挥每根加热管的传热性能，拥有更高的传热效率。但是也可以看到，开孔会使加热管中压降有很大的增加，因此这种结构适用于允许有较高压降的场合。

图4 两种加热结构连接处速度矢量图

表1 无挡板和挡板开孔两种工况对比

3.2 孔径对流场的影响

将挡板孔径10 mm和40 mm两种结构纵向加热管的流量和压降变化进行统计，并与20 mm孔径做对比，结果见表2。对比三种孔径结构纵向加热管内流量分布可以发现，随着孔径的减小，上下两根纵向加热管内流量分布趋于均匀，也就是说加热管连接处挡板开孔越小，流体加热就越均匀，加热效果也就越好。但与此同时，孔径的减小伴随着加热管压降的大幅增加，因此孔径大小的确定是一个综合考虑的结果，不能一味地追求更小的孔径。

表2 三种不同孔径工况对比

4 结论

本文通过数值模拟的方法研究了移动容器外置式加热结构连接处加入开孔挡板对管内流动的影响，具体结论如下：

（1）系统进口的不对称性导致纵向加热管内流体流量的不对称；

（2）对比有、无开孔挡板两种工况发现，在加热管连接处加入开小孔挡板可使纵向加热管流体流量分布更加均衡，但同时也增大了管内压降，这就需要设备具有更高的抗压能力；

（3）随着孔径的减小，纵向加热管内流量分布更加均匀，压降也更大，因此孔径的选择需要综合考虑这两种因素的影响。

值得指出的是，这种结构也可应用于其他流量分布不均导致加热不对称的场合。

[1]罗永红．罐式集装箱的开发与设计 [J]．科技资讯，2005(24)：6.

[2]张孝琼．加热管道外置式保温罐车的设计 [J]．专用汽车，2005(3)：25.

[3]祝学敏．化工品储罐加热系统的设计 [J]．科技创新导报，2008(30)：87.

[4]刘建平．铁路罐式集装箱设计的研究 [J]．铁道货运，2009(6)：35-38.

[5]王新义，郭永华，袁彦华．一种保温罐车的新型加热装置 [J]．专用汽车，2009(7)：54-55.

[6]任超．罐式集装箱传热过程分析及数值模拟 [D]．上海：华东理工大学，2012.

自主研制高温油煤浆泵成功替代进口

今年8月，MJ200-110型高温油煤浆泵在神华鄂尔多斯煤制油分公司通过新产品鉴定。鉴定认定：该泵在结构、材料、密封、暖泵等方面均有突破和创新，总体达到国内领先、国际先进的水平，建议尽快投入批量生产，为煤化工、石油化工行业提供可靠的国产设备支持。由上海市机械工程学会、华东理工大学、神华科学技术研究院、SEI等单位专家及用户代表组成的鉴定委员会认为，上海福斯特流体机械有限公司自主开发的MJ200-110型离心式高温油煤浆泵，结构科学合理、密封效果良好、暖泵方式独特。在神华百万吨级煤直接液化项目上近4年的使用证明，该设备运行可靠，可完全替代进口产品。

（高枫）

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）

*罗永欣，男，1966年生，高级工程师。南通市，226003。