第 1 章 绪论
1.1 研究背景与意义
能源与人类的生活密切相关，是人们享受高物质水平生活的保障，更是国家繁荣和经济可持续发展的基础和支撑。当前我国面临着经济增速放缓、资源环境约束日益加剧的新形势下，能源的绿色转型要求日益迫切，能源结构进入油气替代煤炭、非化石能源替代化石能源的替代期。天然气作为一种高效、清洁的优质能源，燃烧后的烟气污染物仅为石油液化气的 1/40，煤炭的 1/800，可与核能及可再生能源形成良性互补，是现阶段化石能源供应中的最优选择[1-3]。从国际趋势上看，天然气在世界能源消费结构中占比23%，在未来一段时间内仍有很大的增长空间。从国内形势来看，在经济结构转型升级和城镇化进程加快的背景下，国内天然气行业发展迎来了新的机遇。近年来，国内天然气消费量呈现逐年递增的趋势，如图 1-1 所示，2018 年天然气消费量达到 2830 亿立方米，进口量超过日本，达到 1213 亿立方米，同比增长 30.7%，成为全球第一大天然气进口国[4]。预计到 2030 年，国内天然气消费量相较于 2018 年会增长 70%，达到 4800亿立方米，占一次能源消费总量的 12%，由此可见天然气的应用前景依旧十分广阔。
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1.2 加热装置换热原理
浸没燃烧天然气加热装置换热原理如图 1-6 所示。从图中可以看到浸没燃烧器、烟管和换热器均浸没在加热装置的水浴中，换热盘管置于鼓泡孔的上部。燃烧用的天然气和空气按照一定的比例预混后，在高压风机的作用下进入低氮燃烧器内燃烧，生成的高温烟气通过烟管上的鼓泡孔直接进入水浴中，由于无固定的传热面，烟气携带的热量迅速传递给水浴。高温烟气的密度远小于水的密度，受到浮力的作用会快速向上运动。水箱中的水浴由于受到烟气上升的扰动作用，在温度上升的同时会形成急剧上升的气液两相流，快速冲刷上方的换热盘管，降低换热边界层厚度，强化管外换热能力。最终，水箱内的水浴被快速加热，换热器内部流动的低温天然气吸收水的热量被加热，换热后的低温烟气通过水箱上部的烟囱排出。
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第 2 章 加热装置水浴传热理论基础
2.1 加热装置传热过程
2.1.1 浸没燃烧传热
浸没燃烧是一种高效、清洁的天然气燃烧技术，又被称为液中燃烧法[42]，该技术在1889 年由英国的柯里而发明，但是由于早期存在技术与材料上的问题，一直未能在工业被推广，欧美等发达国家是在二战前后开始使用。国内是在 20 世纪 50 年代才开始研究并使用。利用浸没燃烧技术在加热液体时，因其无固定的传热面，可有效解决固定换热面中存在的结垢、腐蚀问题，延长了装置的使用寿命[43-44]。被广泛应用于石化行业中的液化天然气、液氧等气体的气化工艺及污水处理、生产热水中。由于燃烧后的高温烟气与液体直接接触，烟气与液体间的传热和传质过程是同时进行的。液体由常温加热至沸点过程如图 2-1 所示，图中 a，b 线分别表示烟气温度、液体温度与水蒸汽浓度变化关系。1，2，3 和 1，，2，，3，分别表示液体升温、液体升温蒸发、液体恒温蒸发三个阶段[45-48]。tg 表示液体的蒸发温度。从图中看出当液体温度超过蒸发温度后，升温幅度减缓，烟气中的热量开始用于液体蒸发。
2.2 天然气物性参数
天然气为多组分混合物，各地区生产出的天然气组分含量会有一定的区别[54]，但是其主要成分均是甲烷，另含有少量的乙烷、丙烷等烃类。管内天然气换热温升后，其密度、比热容、导热系数等物性参数均会随着温度的变化而变化，在传热计算中，需要考虑不同温度下天然气物性参数。本文传热计算中天然气组分相关数据如表 2-1 所示。
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第 3 章 加热装置水浴传热特性分析................................... 18
3.1 加热装置实例应用简介......................................18
3.2 加热装置数据采集系统....................................19
第 4 章 加热装置水浴传热数值模拟研究.....................................34
4.1 流体力学软件介绍.................................34
4.2 数值模型...............................35
第 5 章 结论与展望......................................48
5.1 主要结论........................................48
5.2 前景展望...........................48
第 4 章 加热装置水浴传热数值模拟研究
4.1 流体力学软件介绍
计算流体力学(Computational Fluid Dymanmic)是一种利用计算机求解流体流动、传热及相关传递现象的系统分析方法和工具。它的基本求解原理为：用一系列有限离散点上的变量值来描述原来在时间域和空间域上的速度、压力等物理量场，再通过一定的数学方法建立描述场变量间关系的代数方程组[63-64]。利用有限差分法、有限元法和有限体积法等数值解法求解代数方程组获得场变量的近似值。流体力学中的偏微分方程可分为椭圆型、抛物型、双曲型和混合型。对于不同性质的偏微分方程，计算流体力学在很大程度上采用并发展相应的数值解。同时，它不受物理模型和实验模型的限制，可以模拟对实验人员具有一定风险的环境，如高温、剧毒、易燃易爆的真实环境。还可以模拟实验中具有特殊尺寸、能接近但无法达到的理想条件，节省了大量的时间和金钱成本。在利用 CFD 软件对相关问题进行求解计算时，可分为三个独立的阶段：
（1）计算前处理
几何模型与流体的计算域常常存在差异，因此需将现实问题排除干扰因素简化处理，抽象为计算机可以识别的数据模型，方便计算机进行计算。此过程主要包括物理现象的抽象简化、计算域的几何模型构建与网格划分、设定计算模型及边界条件、设定求解控制参数及输出计算参数。
（2）计算求解
该部分的工作是由求解器完成，从前处理器读入数据（网格数据、边界信息、求解控制参数）、利用内置的求解算法进行求解计算。
（3）计算后处理
计算后处理的主要工作是实现流体动力学的可视化和分析，其中包括生成直观的图像，定量显示和计算数据的后处理能力，可以减少重复工作的自动化操作。将求解器计算的数据以云图、曲线或数据表的方式呈现给用户。
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第 5 章 结论与展望
5.1 主要结论
本文借鉴国内外学者对于气化器和蒸发器等的水浴（壳程）传热研究，针对加热装置中水浴中气液两相流的特点，进行了传热理论分析与数值模拟工作。结合实际运行数据分析了水浴流动传热特性的影响因素，拟合出了加热装置运行功率与水浴流速间的关系式，并通过数值模拟的方式对水浴流速进行验证。全文主要结论如下：
（1）结合浸没燃烧技术加热液体特点，为提高加热装置的经济性，选择水浴蒸发温度 60℃作为主要设计参数。在对换热器传热计算中，将传热过程划分为水侧换热、管壁导热及天然气侧换热三个阶段，分别进行热工计算，最终得到换热器面积。
（2）实际运行中的加热装置水浴上、中、下三层温度分布接近，温度相对平均值偏差小于 1%。烟气与水浴换热效果较好，加热装置在变功率运行时，烟气排放温度均比水浴温度低 2℃。经检测加热装置热效率可达 97%以上。
（3）选择加热装置在五种功率下的运行数据，通过传热反算得到功率与水浴流速的关系式，利用拟合式计算加热装置在 200kW 运行时水浴流速为 0.59m/s，可为后续同类型加热装置传热计算中的水浴流速取值提供参考依据。
（4）利用数据拟合的方式对加热装置的换热器管内、管外对流换热系数进行计算，
得到加热装置在设计工况运行时实际综合传热系数为 1709.50W/(m2·K)。在加热装置达到稳态运行时，天然气流量的变化是改变实际综合传热系数的主要影响因素，水浴温度的变化对实际综合传热系数的影响不明显。
（5）采用数值模拟的方法，简化计算模型，分析加热装置实际运行时的速度场和温度场，模拟结果直观反映了内部水浴流动及烟气与水浴间的换热过程。通过创建监测点的平均速度对上述通过传热反算得到的水浴流速进行验证，结果表明通过两种方法得到的水浴流速绝对误差值在 8%以内，表明计算结果的准确性。
参考文献（略）