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多 相 燃 油 循 环 油 柜 中 传 热 和 流 动

模 式 的 研 究

Aitor Sancet Ezpelta

2009年6月

能源系统硕士论文

摘要

这是Sweco系统提出的论文工作，以便进行关于循环燃油储罐或油箱的加热系统的研究。研究油箱的直径为23米，高18米，存储容量约7500平方米的Eo5重型燃油。油箱内应该保持最低储存温度为50ordm;C，使得燃油能够充分流动并进行操作可以充分执行。事实上，这些类型的重型燃油在较低的温度下具有相当高的粘度并且加热和泵送系统在温度低于倾点时可能会受到损伤。为此，安装了一个加热系统以保持流体温暖。到目前为止该系统由油燃烧器运行，但计划由区域供暖 - 热交换器组合更换。因此，主要研究罐加热需要，流量和热模式和其内的热传递。

研究油罐边界，计算其热阻，以确定供热能力。 该研究意味着有限元素（Comsol Multiphysics）和有限体积（Fluent）分析，通过在这些边界上存在的一些部分和热桥上的传导情况来计算出一些固定的热传递。 之后，使用几种策略研究燃料油的冷却和加热过程：基本模型和计算流体动力学（CFD）。 CAD对于流体的工作专注于优化入口和出口拓扑。 还要了解冷却过程; 以这种方式模拟流畅的CFD瞬态模型。 此外，考虑到填充水平的影响导致多相（燃油和空气）流动情况，其中特别分析两相的加热耦合。

结果表明，当油罐的温度达到将近60ordm;C时，最大供热需求约为80kW，当温度约为50ordm;C时则为70kW。预计流量的主要特征是浮力驱动的对流模式。 K-ε湍流粘性模型应用于显示热分层的加热和冷却过程，特别是在罐底部。以上更热的流体遵循非常复杂的流动模式。在加热过程中，使用的模型被设定为相当好的混合和均匀的温度分布，而不管罐底部的小分层。以这种方式，没有凝结物的入口 - 出口构造比其他的显示出明显的优点。由于油罐的绝缘，液体的导热系数低并且大量存在于油罐内，冷却过程缓慢（液体平均温度在罐内满15天后从60ordm;C下降到5.7°C左右，环境温度被认为在-20℃），并且位于固体刚性和完全混合物冷却过程之间的中间。然而，由于分层，流体的一些部分达到比平均温度快得多的最小允许温度。另一方面，如预期的那样，空气相作为额外的热阻，无论如何，冷却过程对于较低的填充水平仍然比全部冷却过程更快。

1.介绍

1.背景

本项目主要研究在含有Eo5重型燃油的循环油罐内发生的的流动和热特性。这个油罐高18米，直径为23米。

该罐用作燃料油的储存容器。它位于Gauml;vle（Gauml;vleHamn）的港口，位于瑞典东海岸，由位于斯德哥尔摩以北约180公里的波罗的海。这个港口被认为是瑞典东海岸的后勤中心，每年约有500万货物通过，其中1.5个是石油产品。石油码头有大约140个油箱或者油罐，总库容约为950000立方米。

罐内的燃油必须在一些储存温度条件下保存，以使流动性不受影响，并可在灌装和提取操作期间正确操作。在这项工作的后期，这将进一步解释，但是罐内的温度应该保持在50℃以上。为此，安装一个加热流体以将其保持在所需温度范围内的加热系统。

燃油基础

燃油由原油炼油厂获得。 它可以作为馏出物或残留物提取（图1-2）。 这些类型的产品旨在被消耗以在燃油发电站中产生热，光，电，或者在某些类型的电动机或涡轮（例如驾驶工业车辆等）中产生燃烧它的机械能。 燃料油以液体形式储存和消耗，它由长烃链组成，主要是烷烃，环烷烃和芳族化合物，其颜色为黑色。 这种石油产品的名称通常用于指比汽油和石脑油更重的燃料。 还有人说，在大气压力下，这种蒸馏器可以生产出较重的燃料产品。

燃料油像每种化石燃料一样燃烧时会产生COx，NOx，SOx等气体和非常小的有害挥发性颗粒。 事实上，这些燃烧产物会对环境产生不利影响像导致酸雨，全球变暖并且导致直接相关的健康疾病如癌症（参见重油燃料安全指南附录A）。 具体地说，由于近期全球变暖快速增长，二氧化碳排放量是目前的主要关注点。

国际上，根据其组成，用途和沸点，分为六个等级的燃油，从1到6。 前三个通常被称为蒸馏油，而最后两个是残余燃料油或重质燃料油（RFO，HFO）。 第四种通常是混合物，可以考虑两者都有。

燃料油的组成和性质不固定，但与蒸馏器不同，因此难以描述精确的分类。 即使在同一个蒸馏器，组成也可能日益变化，显然取决于原油的输入类型和其他因素。 有关每个国家必须满足的硫含量，密度，粘度等数量的说明，对燃油进行分类。 然而，组成和性质将在规格范围内变化。

关于重油

由于许多原因（更清洁的能源政策，石油成本昂贵等），使用重质燃料油最近已经减少。这种类型的燃油另外需要特定的装置来使储存燃料油温暖，并且需要在燃烧器中加热。此外，它含有大量的污染物和有害颗粒，其硫含量相当高。这使得这种类型的燃油在某些国家被禁止燃烧。但与此同时，由于这些不方便，它是最便宜的燃油类型反过来又对某些较早描述的目的仍然具有吸引力。然而，由于与加热系统相关的成本和其他技术难题，重型燃油不能用于车辆（道路车辆，小型船舶等）。因此，它们的使用通常被限制在发电厂，大型燃料舱和大型设施的一些供暖。过去也用于蒸汽列车和船只。在图1-3可以看出，与其他原油产品相比，重质燃料油的生产相对重要。

重质燃料油的主要缺点是其在环境温度下的高粘度（或甚至处于半固体状态）。 这使得它们不可能工作，除非加热到更高的温度使得其粘度在工作（主要是泵送和燃烧）条件范围内。 储罐中的加热系统配备有热底部（带有热水），或由燃油重新加热的循环回路制成。

国际标准根据其在IFO等级中的质量对重质燃料油进行分类。 这种IFO级别是根据重油粘度进行分类的，分成从IFO-30到IFO-500。 在IFO字母后的首个数字表示的是重质燃油在50 ordm;C的厘沲(cst)粘度。因此，IFO-180重油在50℃时具有180cSt的粘度。 类似地，IFO-30油可以在-10ordm;C下泵送，但IF-380-油需要加热到35ordm;C。 这些高粘度的原因是含有重质燃料油的杂质，因为它们主要由来自炼油厂的残余物制成。 另一方面，即使它比水轻，其密度高于其他燃料油或蒸馏产品如汽油。 在环境温度下，密度约为920至996 kg/ m^3。

重型燃料油的杂质会对泵，管道，电机和其他系统造成高度磨损。 因此，清洗重质燃料油变得相当重要。 为此，炼油厂有一些内部流程。 通过分离器将大部分杂质带走。 该技术是一种旋转容器，油被浇注其中，并且由于离心力较大，杂质在周围分离。 由于其较高的密度，一部分水也会从杂质中分离。 剩余的清洁油保持在中间，并且在过程完成后被运送到其他容器。

1. 目标和限制

2.1.目标

在本论文项目中，对燃油储罐系统进行了全面的分析，以便能够获得更多关于该领域的知识，并回答与这些问题相关的不同问题。 所有研究，数据和结论旨在为整个加热系统的设计和计算提供服务和建议。 以这种方式，在提取操作期间（或在加热系统本身）可能出现的问题也被突出显示。

加热需求的估计与从罐到外部的热损失完全相关。 因此，将进行边界热电阻和传热系数的详尽计算。 这应该由伺服器来估计不同环境温度下罐的加热需求。

这项工作应该能够解释入口和出口数量及其在罐内的位置的影响以及流入温度和体积流量的影响。 为此，要研究流动的热和流动模式。 供热需求和温度分布差异是本项目研究的主要问题。 如果发生某种类型的流体和温度分层，则需要进行研究。 要分析不同的维护燃油储存规格的方法或方案。 此外，还要提供关于体积流量和要使用的流入和流出温度的了解。

燃油不供热时冷却过程的研究是本项目的其他目的。 该过程的流量和温度发展模式将有助于了解驱动该罐中自由对流的基本机制。 实际上，当系统运行时，这些流程的特征可能是实际流程的一部分。 更多的冷却是一个供暖方案的一部分，并将在维护或其他类型的时期发生。 冷却时间和热损失对于研究这些类型的燃油存储系统是重要的。

为此目的进行流动模拟，然而，本研究的目的不是非常精确地计算流动模式，而是要看到整体效应对加热系统的影响尤其如此。 要进行一些详细的研究，但精确度并不能假设如此之高以显示流动的每个细节（特别是在加热模拟期间）。

最后，不同填充水平对所有这些方面的影响也是这项工作的目的。 事实上，油罐的填充水平是不断变化的，因此应该研究其对温度分布，流动模式（特别是分层），加热需求和冷却变量的影响程度。

限制

2.2.1．物理边界和周围环境

这项工作仅限于前面介绍的E5重型燃油油箱的供应能量要求和条件的研究，以及对舱内流量和热特性的详细研究。 因此，系统物理边界以某种方式由罐入口和出口的壁很好地定义。 即使对加热和泵送系统进行了一些描述，评论和讨论，负责为流出提供热量和工作，以满足流入规格，这些系统超出了本工作规定的界限。 因此，研究，提出或优化超出这些边界的部分的工作目标不在于目标。

系统的周围由附近的大气层和底层或地下的土壤组成。这些环境的条件对目标系统具有至关重要的作用，因此必须考虑。事实上，从我们的系统界限定义的角度来看，环境中的大气起着散热器的作用。土壤是热量从油罐中消失的桥梁。因此，在某种程度上，将土壤纳入物理边界可能是正确的，但只有一部分的土壤影响着油罐。这个范围不能很好的定义和清晰，直到进行一些模拟情况（参见5.1.3.2）。同样地，也考虑了邻近墙体的外部部分的直接空气边界层。总而言之，严格来说，真正的环境是散热器的气氛，部分土壤和直接空气层将成为系统的一部分，其极限将标志着与周围环境的界限。

然而，在与大气连接之后，当进行CFD模拟时，燃料油的物理边界将是储罐以及入口和出口的内壁面。 但这只是整个工作的一个特殊情况，所以一般边界是前面段落中规定的。

关于周围环境，只有环境温度被用作这项工作的参数。 其他因素如空气中的湿度，速度等也将特别影响对流传热系数。 太阳辐射也会影响通过墙壁传热。 最后，通过土壤的热传导对其组成，湿度等非常敏感，这可随时间而变化。 然而，考虑到所有这些变量是不可行的，因此施加恒定值，只有环境温度改变。 但是，只有在某些情况下，不同的环境温度才能进行计算。 在其他情况下，只考虑最差的情况，即Tamb =-20ordm;C，在瑞典，区域供热术语被认为是DOT（Dimensioning Outdoor Temperature）。

2.2.2． 其他性质的限制

除了学习系统的物理边界之外，还有许多其他限制。 其中包括真正的物理过程和解决工具的知识，时间和技术经济资源。

自然对流型流动的复杂性很高，尽管基础已被很好地理解，但很多细节（可以确定一些问题）难以预测。 湍流是一个额外的困难。 这些因素（将在整个工作中进一步讨论）使得难以产生一个必需要使用和解决后以便可以回答一些问题的精确的数学模型。 因此，这是一个非常重要的限制，必须始终牢记。

关于时间，这个项目并不局限于先验。 然而，实际上，高度详细的建模和系统的所有变量的精确研究将使这个项目（广泛地说任何人）太长。对 任何科学工程问题的作者他们的工作都是设定这个限制，并加重提高细节水平以增加好处，并弄清楚这些是否真的对于实现工作目标是必要的。 然而，提出未来的工作路线，以便更多的人能够继续进行调查总是有可能的。

最后，在一定程度上与时间有关，有技术经济资源。对于这种特殊情况，由于技术，经济和时间的原因，进行任何直接实验是不可行的。如今这个油罐以旧系统操作和运行，使得它不可能测量任何与工作相关的东西。此外，也没有经济资源支持这个目标。这就是为什么所有这些工作只是理论上的，这是一个重要的事实，这将使得难以验证和判断这项工作的结果。这是工程中的常见做法，无论如何它在对这个或类似系统做出决定时应该是有帮助的。由于与本项目的计算容量和能力紧密相连，技术资源可以被认为是主要的限制。实际上，需要进行许多长时间的模拟（以及在最终模拟之前进行许多测试来调整模型）。因此，计算机的电源，内存，容量和可用性至关重要。具体地说，在这项工作中解决的问题的计算成本非常高，尽管几何形状并不是特别复杂。然而，与系统相关的不同长度规范需要非常大和密的网格。

3．理论

这项工作应用了几种理论。 热损失的计算意味着三个传热机制的控制方程：传导，对流和辐射。 在某些情况下，通过热电阻计算固体材料的传导。 那些是从一些常规几何形状的一般传导方程的稳态解导出的表达式。 基本模型利用基本的质量和能量守恒方程。 最后，CFD软件包中求解的方程组是基于运动和湍流模型的流体动力学方程的差分形式。

将介绍流体运动的第一个控制方程，包括能量方程。 然后，对于固体情况，能量方程的流体公式是特定的。 对流是一种热传递机制，其涉及从流体到固体的热传递或反之亦然，因此其基于前述等式。 辐射方程在这里没有介绍，因为由于一些简化，它们不直接用于这项工作。 最后对方程进行平均，以显示湍流的统计学描述，并提出了k-ε模型。 还讨论了边界条件下的湍流关系。

在连续体的公式中，一般来说，有六个变量可以完全定义域的任何一点的流体状态：ux，uy，uz，p，rho;和T.因此，为解决这些变量，需要六个方程 （时间和空间的函数）：连续性方程，动量，能量和状态方程。 状态方程可以非常复杂，通常使用简单的方程（例如简单的完美气体）或简化（例如不可压缩流体，不可压缩流动，密度对温度的线性依赖性）。

4.热传递和流量驱动机制描述

4.1.冷却过程

首先，当流体自由冷却至环境条件时，流量和温度如何分布在容器内（将在此部分没有任何类型的流动再循环或再加热）。图4-2显示了罐内预期的总体示意性大体积流动。

由于与周围的温度差异，热量将围绕壳壁从热油罐流到较冷的环境中。热量损失来自靠近罐壁，顶罐壁或底壁面旁边的流体，并降低温度，从而

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