開式直筒輻射管燃氣燃燒器的優(yōu)化設計

金宏達，劉國偉，董 芃

(哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院，哈爾濱 150001，zhenliuguowei@126.com)

開式直筒輻射管燃氣燃燒器的優(yōu)化設計

金宏達，劉國偉，董 芃

(哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院，哈爾濱 150001，zhenliuguowei@126.com)

為了準確反映出輻射管尺寸對燃燒器工作效果的影響，在3種不同負荷條件下，對使用不同輻射管時的開式直筒輻射管燃氣燃燒器相關的熱工參數(shù)進行了測定，得到了負荷、輻射管管徑、輻射管管長之間相對合適的配比關系，進而對燃燒器的結構進行了優(yōu)化設計.實驗結果表明:在測試負荷范圍內(nèi)，219 mm是比較合適的輻射管管徑選擇，在 50， 75，100 kW三種負荷下，比較合適的管長分別為 950，1 000，1 100 mm.

開式直筒輻射管;燃氣燃燒器;熱工參數(shù);優(yōu)化設計

油田加熱爐是石油集輸系統(tǒng)中重要的工業(yè)設備［1－4］.目前，油田廣泛使用的火筒式加熱爐火筒長徑比大，配套的大氣式燃燒器組織的火焰長度較短，燃燒放熱比較集中，長時間運行后，極易造成火筒的局部燒損，不僅需耗費大量資金維修，而且影響了正常生產(chǎn)［5－7］.針對這一情況，哈爾濱工業(yè)大學設計了一種新型的開式直筒輻射管燃氣燃燒器［8－10］，使燃氣在輻射管內(nèi)燃燒，利用輻射管外表面以漫輻射的方式將熱量投射到火筒內(nèi)表面，使火焰燃燒高溫區(qū)傳遞到火筒的熱負荷均勻化，降低局部熱流密度的最高值，同時將輻射管出口處的煙氣溫度控制在火筒壁面不過熱的安全溫度以下.

1 優(yōu)化實驗

1.1 燃燒器介紹

開式直筒輻射管燃氣燃燒器主要由燃燒器和輻射管兩大部分組成(見圖1).為了方便工程應用和改造，燃燒器采用加熱爐原有的大氣式燃燒器，該燃燒器設計為環(huán)形燃氣通道，可利用燃氣的動能從中心和周向引射空氣，空氣量可通過調(diào)風板進行調(diào)節(jié);輻射管采用相對簡單的直筒開式結構，燃氣在輻射管內(nèi)燃燒加熱輻射管，輻射管以漫輻射的方式將熱量投射到火筒內(nèi)表面，進而使火筒表面熱負荷均勻化，同時將輻射管出口后的煙氣溫度降低到火筒壁面不過熱的安全溫度以下，以對流方式進行傳熱.

1.2 試驗系統(tǒng)介紹

本實驗系統(tǒng)是采用純幾何相似的近似模化方法，在保證模型與真實火筒式油田加熱爐爐膛截面積?；葹?∶6的條件下進行設計和搭建的，主要由燃燒器、輻射管、爐膛、排煙室組成(見圖2).燃燒器為環(huán)形燃氣通道，利用燃氣的動能從中心和周向引射空氣，空氣量通過調(diào)風板進行調(diào)節(jié);輻射管采用材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti的開式直筒輻射管;爐膛選用長度為2 m，內(nèi)徑為300 mm的圓筒形爐膛;為了保證試驗過程的安全進行，用耐火磚搭砌了一容積約為1.5 m3的排煙室，通過鼓風機向排煙室內(nèi)鼓入冷空氣，使煙氣以較低的溫度通過煙囪排放到室外.

圖1 開式直筒輻射管燃氣燃燒器示意圖

輻射管表面溫度分布和爐膛表面的熱流密度分布是考察輻射管性能的重要指標.本文采用鎳鉻－鎳硅型熱電偶對輻射管的表面溫度分布進行測量.同時，由于本試驗主要關注的是爐膛表面熱流密度的分布趨勢，對每一測點的測量精度無過高要求，因此采用計量流體流動帶走熱量的方法對爐膛表面的熱流密度分布進行測量，其主要原理是利用一定流量的水流過測點，通過測量水溫變化來計算熱流密度.因此，本試驗在火筒外表面設有19個環(huán)形的測量流道，寬20 mm，高10 mm，流道間隔為80 mm.為了防止火筒過熱和軸向熱傳導對測量的影響，將測量流道間設置成冷卻流道.每個測量流道和冷卻流道都設有單獨的進水口和出水口，在出水口附近安裝球閥來調(diào)節(jié)水的流量.

圖2 試驗系統(tǒng)示意圖

1.3 試驗結果與分析

在 50， 75，100 kW三種負荷條件下，分別對使用管徑為 Φ 108，Φ 219，Φ 273，管長為 800，1 000，1 200 mm的9種輻射管燃氣燃燒器的熱工特性進行了試驗研究，得出了負荷、輻射管管徑、輻射管管長之間相對合適的配比關系.

1.3.1 管徑的確定

由于溫度高低對輻射換熱的效果有著決定性影響，要使輻射管達到良好的輻射傳熱效果，就必須使輻射管達到一定的溫度水平.同時，考慮到輻射管的安全，輻射管的壁溫應在保證其不燒損的安全溫度以下.因此，在不同負荷條件下，不同輻射管壁面溫度的高低就成為了衡量輻射管性能的最重要指標.

從圖3～5可看出，由于輻射管外壁不斷地對外輻射，所以無論在哪一種負荷條件下，各輻射管的壁面溫度都在650℃以下，遠遠低于保證輻射管不燒損的安全溫度，因此無需擔心輻射管燒損現(xiàn)象的發(fā)生.同時，無論在哪一種負荷條件下，Φ273輻射管壁面溫度都相對較低.這是因為Φ273輻射管管徑過大，火焰和煙氣集中于輻射管上部放熱，造成輻射管周向溫度分布不均，這必然導致輻射管向外輻射熱量分布不均.因此，使用Φ273輻射管的效果無疑是不夠理想的.相比之下，Φ219和Φ108輻射管在各負荷條件下的壁面溫度都一直保持在相當高的水平，這是因為燃氣在這兩種管徑的輻射管內(nèi)燃燒時，火焰充滿度較好，保證了輻射管周向溫度的平均.但是，使用Φ108輻射管時，由于輻射管管徑過小，火焰從燃燒器出口噴出后很快就與輻射管內(nèi)壁接觸，使輻射管壁面高溫區(qū)過于靠前，導致輻射管后部的壁面溫度大幅降低.同時，由于輻射管管徑過小，在實驗過程中還發(fā)生了析碳的現(xiàn)象.

圖3 100 kW負荷下不同管徑輻射管壁面溫度分布

圖4 75 kW負荷下不同管徑輻射管壁面溫度分布

圖5 50 kW負荷下不同管徑輻射管壁面溫度分布

由此可見，要想達到良好的輻射效果，選擇的輻射管管徑不應過大，否則會導致輻射管周向上的溫度分布不均;同時選擇的輻射管管徑也不宜過小，否則會導致輻射管長度方向上的溫度分布不均.而就測試的負荷范圍而言，Φ219輻射管是比較合適的選擇.

1.3.2 管長的確定

由于219 mm是較合適的輻射管管徑選擇，因此在不同負荷條件下，重點對使用Φ219輻射管時火筒表面熱流密度分布進行了測量.根據(jù)前后熱流密度峰值相等為最佳的原則，得到了負荷與輻射管管長之間相對合適的配比關系.

如圖6～8可見，當管長為800 mm時，各測試負荷條件下，后一熱流密度峰值都明顯高于前一峰值，這表明在測試負荷范圍內(nèi)800 mm的輻射管都過短，造成大量燃氣在噴出輻射管后才燃燒放熱，進而導致輻射管出口處局部的火筒表面熱流密度偏高.在50 kW負荷下，輻射管管長為1 000 mm和1 200 mm時，熱流密度后一峰值都略小于前一峰值，說明在該負荷條件下，相對合適管長應略小于1 000 mm，結合管長為800 mm時后一峰值明顯高于前一峰值的情況，預計相對合適管長應為950 mm左右.在負荷為75 kW時，管長為1 000 mm時，前后熱流密度峰值恰好基本相等，分別為23.464 37和23.484 56 kW/m2，因此，可以認為此負荷下相對合適管長為1 000 mm.而在負荷為100 kW，管長為800 mm和1 000 mm時，后一峰值都明顯高于前一峰值，只有管長1 200 mm時，后一峰值(為22.954 47 kW/m2)才比前一峰值(為24.767 82 kW/m2)略低，因此，可判斷負荷100 kW時，Φ219輻射管相對合適的管長應為1 100 mm左右.

圖6 50 kW負荷下Φ219輻射管火筒表面的熱流密度分布

圖7 75 kW負荷下Φ219輻射管火筒表面的熱流密度分布

圖8 100 kW負荷下Φ 219輻射管火筒表面的熱流密度分布

2 結論

1)無論在哪種負荷條件下，各輻射管的壁面溫度都遠遠低于保證輻射管不燒損的安全溫度，不會發(fā)生輻射管燒損的現(xiàn)象.

2)以輻射管壁面溫度的高低和分布的均勻性為主要選擇因素，在測試負荷范圍內(nèi)，219 mm是比較合適的輻射管管徑選擇;以火筒表面熱流密度分布前后兩熱流密度峰值相等為最佳的原則，Φ 219輻射管在 50， 75，100 kW三種負荷下，比較合適的管長分別為950、1 000、1 100 mm左右;

3)在實際應用中選擇輻射管管徑、管長時，可根據(jù)加熱爐實際尺寸和上述實驗得到的相對合適的配比關系進行選擇.但必須注意的是，當實際運行時的爐膛截面熱負荷、風速等條件與實驗情況有較大差異時，需要對選擇結果進行相應的修正.

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Optimization design on uncork-cylinder radiant tube gas-fired combustor

JIN Hong-da，LIU Guo-wei，DONG Peng

(1.School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China，zhenliuguowei@126.com)

In order to exactly reflect the effect of the radiant tube size on the combustion performance，thermal parameters on uncork-cylinder radiant tube gas-fired combustor were measured using different radiant tubes under three kinds of loads，and the relatively suitable matching relationship among the load，the length and the diameter of radiant tube was obtained，thus the optimization design on the combustor structure was achieved.It is found that 219 mm is the appropriate radiant tube diameter in the test load range，950 mm，1000 mm and 1100 mm are the appropriate radiant tube lengths under loads of 50 kW，75 kW and 100 kW.

uncork-cylinder radiant tube;gas-fired combustor;thermal parameter;optimization design

TK223.2

A

0367－6234(2010)05－0763－03

2009－01－14.

金宏達(1983—)，男，碩士研究生;

董 芃(1957—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 楊 波)