煙氣余熱回收翅片管換熱器的換熱性能分析

楊毅成，馬衛(wèi)國，盧雷，陳婷 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

目前，在我國的工業(yè)鍋爐中絕大部分是中小型鍋爐，這種工業(yè)鍋爐的排煙溫度較高，排煙熱損失大[1]。為了減少排煙熱損失，降低排煙溫度，一般是在鍋爐尾部增加余熱回收系統(tǒng)。余熱回收系統(tǒng)的核心部件為換熱器。翅片管換熱器為換熱設備中較常見的一種，廣泛應用在一側或兩側需要強化換熱的情況[2]。相比于無翅片管，翅片管換熱器不僅能增加換熱面積，還能促進煙氣的湍流流動，增加傳熱效率，而且在相同熱負荷換熱時翅片管式換熱器所用管數(shù)要少[2]。

近年來，對于翅片管換熱器的研究主要集中于優(yōu)化設計、提高換熱器的傳熱效率，更多關注于增大傳熱面積或者增大傳熱系數(shù)，即強化傳熱作用。對于提高翅片管換熱器傳熱效率的方法，許多研究者做過深入的分析。李長生等[3]通過實驗的方法對平片高翅片管和波紋高翅片管進行研究，擬合出了努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)、阻力系數(shù)和雷諾數(shù)的準則關系式，得出了在相同流速下的計算值與實驗值的平均偏差。劉建勇等[4]通過數(shù)值模擬分析了不同翅片間距的新型縱流一體式翅片管管外流道的速度場、溫度場和壓力場，得到傳熱系數(shù)與壓降的變化規(guī)律。A.Lemouedda、M.Breuer等[5]基于CFD分析法、遺傳算法和響應面分析法對整體式翅片管換熱器三角翼導流板的角度進行優(yōu)化。R.Karabacak、G.Yakar等[6]用實驗的方法研究了在強制對流條件下開孔的圓形翅片和未開孔的圓形翅片的傳熱和壓力損失。

上述對翅片管換熱器的研究主要集中在結構形式的改變對換熱性能的影響上，如增加導流板、在翅片上開孔等。但是，基于實驗或數(shù)值模擬方法研究換熱器翅片間距、翅片厚度等結構參數(shù)和氣流量等工藝參數(shù)對換熱性能的影響及其結構設計的較少。下面，筆者基于Fluent軟件對煙氣余熱回收裝置的翅片管換熱器內部流場進行分析，并將仿真結果與文獻[1]實驗結果進行對比分析，驗證了仿真計算的可行性。在此基礎上，研究了翅片厚度、翅片間距以及煙氣入口速度對換熱器的換熱性能的影響，旨在為優(yōu)化翅片管換熱器提供理論參考。

1 計算變量的定義

在下述數(shù)值模擬仿真過程中，為了對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一對比分析，需對計算變量進行簡單介紹[7]：

1)雷諾數(shù)Re。雷諾數(shù)Re是表征流體流動狀態(tài)的一個無量綱參量，反映的是流體的穩(wěn)定狀態(tài)，其計算式如下：

(1)

式中，ρ為煙氣密度，kg/m3；U為煙氣速度,m/s；D為管外徑,mm；v為動力黏度,Pa·s。

2)煙氣側對流換熱系數(shù)h。煙氣側對流換熱系數(shù)h是表征換熱器換熱強度的物理量，其計算式如下：

(2)

式中，h為煙氣側對流換熱系數(shù),W/(m2·K)；Q為流過換熱面的總換熱量,W；A總換熱面積,m2；ΔT為煙氣與翅片表面溫差,K。

3)努塞爾數(shù)Nu。努塞爾數(shù)Nu是表征換熱器對流換熱強弱的一個無量綱物理量，其計算式如下：

(3)

式中，L為特征長度,m；λ為煙氣導熱系數(shù),W/(m·K)。

4)摩擦系數(shù)f。摩擦系數(shù)f是表征流體流動阻力和能量損失的物理量，計算中取摩擦系數(shù)來表征換熱器的壓力損失，其計算式如下：

(4)

式中，Δp為進出口總壓降,Pa。

2 Fluent仿真

2.1 物理模型

翅片管換熱器結構如圖1所示，翅片管采用錯排布置，橫排為8排，縱列為4列。換熱器換熱原理如下：熱煙氣由換熱器上部進入，流經翅片管間隙時，熱煙氣與翅片及管壁發(fā)生熱交換，將熱量傳遞給翅片和管壁；冷卻水由換熱器底部直管入口進入，在管內流動時與翅片及管壁進行熱交換；熱交換過程中，流過換熱器的煙氣的溫度不斷降低，冷卻后的煙氣由換熱器底部排出，冷卻水的溫度不斷升高，由換熱器頂部直管出口排出，實現(xiàn)余熱回收。翅片管橫向間距L1=78mm，縱向間距L2=79mm，翅片間距L3=6mm，翅片厚度d=1mm，翅片管直管外徑D1=38mm，翅片外徑D2=63mm。由于翅片管的排列具有周期性和對稱性，因此取3橫排翅片管和1個翅片管間距中的氣流通道為研究對象，見圖2中虛線框所示。

圖1 翅片管換熱器結構示意圖 圖2 計算區(qū)域示意圖

2.2 邊界條件

圖3 邊界條件示意圖

圖4 網格局部放大圖

對簡化的翅片管換熱器進行數(shù)值模擬時做出以下假設[2,8]：煙氣在換熱器流道內壁面處無滑移；煙氣物性參數(shù)為常數(shù)；煙氣流動為三維穩(wěn)態(tài)流動；煙氣入口截面處煙氣的速度、溫度均勻分布；忽略翅片和管外壁的接觸熱阻，翅片根部溫度和管外壁面溫度相同；忽略管壁導熱，取管外壁面溫度為管內流體溫度；翅片的導熱系數(shù)為常數(shù)，且忽略自然對流和輻射對換熱的影響。

煙氣入口設置為速度入口邊界條件[1]，入口速度為0.645m/s，煙氣入口溫度設置為189.6℃；由于文獻[1]實驗環(huán)境為大氣常壓狀態(tài)，煙氣出口設置為自由壓力出口；管外壁面溫度設置為冷卻水進口溫度的平均值(18.2℃)；設置翅片表面為無滑移邊界；設置流道上下表面及兩側面為對稱邊界，熱流量為0。計算區(qū)域邊界條件如圖3所示。

2.3 數(shù)值計算方法

數(shù)值計算區(qū)域的建模過程中，為了防止回流等現(xiàn)象對計算結果造成影響，對翅片管換熱器的進出口部分進行適當?shù)难娱L，入口部分延長1.2倍翅片外徑，出口部分延長3.6倍翅片外徑。在Meshing中對模型進行網格劃分，翅片部分采用結構化網格，網格為六面體，流道部分采用非結構化網格，網格為四面體，對翅片及翅片附近流道網格進行加密處理，如圖4所示。

計算模型采用標準k-ε模型；壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，由于二階迎風差分格式比一階迎風差分格式所產生的離散誤差小，所以動量方程、能量方程以及湍流方程的離散化均采用二階迎風差分格式；迭代收斂準則采用Fluent選用的標定殘差來控制方程的收斂精度，連續(xù)性方程和動量方程的相對殘差小于10-3，能量方程的相對殘差小于10-6。模擬設置中的煙氣與翅片管物性參數(shù)如表1所示，翅片管換熱器具體參數(shù)如表2所示。

表1 物性參數(shù)表

表2 翅片管換熱器具體參數(shù)表

翅片厚度、翅片間距、煙氣入口速度等參數(shù)是影響換熱器性能的主要因素，研究不同參數(shù)對換熱性能的影響，得出換熱器的合理結構和煙氣流動參數(shù)。具體分析步驟如下：①改變翅片厚度，其變化范圍為0.6～1.4mm，步長為0.2mm，共5組，其余參數(shù)保持不變；②改變翅片間距，其變化范圍為4～8mm，步長為1mm，共5組，其余參數(shù)保持不變；③改變煙氣入口速度，其變化范圍為0.245～1.045m/s，步長為0.2m/s，共5組，其余參數(shù)保持不變。

2.4 計算結果

按照所選的模型與參數(shù)，采用Fluent軟件進行模擬計算，圖5為煙氣入口速度為0.645m/s、翅片間距6mm、翅片厚度1mm情況下計算得到的流道中心截面的壓力、速度、溫度云圖。為了驗證模擬仿真的正確性與可行性，將計算結果與文獻[1]實驗值進行對比，如圖6所示。

圖5 流道中心截面的壓力、速度、溫度云圖

如圖5(a)所示，由于翅片厚度較小(1mm)，在流動方向上對煙氣流動的影響較小，此時煙氣流動的壓力損失主要是翅片壁面對流體的粘性阻力損失，所以在流動方向上壓力變化較為有限。如圖5(b)所示，煙氣在入口處的速度分布較為均勻，由于煙氣入口速度較小(0.645m/s)，翅片管為錯排布置，煙氣在流動過程中由于相鄰橫排翅片的擾動而流向翅片的背風處，在翅片背風處，煙氣的流動速度增大。流道中心截面的溫度云圖如圖5(c)所示，可以看出，煙氣在入口處的溫度較高且分布均勻，隨著煙氣的流動，其溫度迅速降低，煙氣在出口處溫度分布較為均勻。

如圖6所示，計算的出口溫度與文獻[1]實驗的出口溫度相對誤差為9%，模擬值與實驗值符合良好，說明模擬仿真有較好的可行性。

圖7為煙氣流動方向的等距截面間的溫差與換熱量變化圖。由圖7可知，在煙氣流動過程中，換熱量與溫度梯度成正比關系，在換熱器的前半段，煙氣換熱量大，溫差大，在換熱器的后半段，煙氣換熱量小，溫差小。

圖6 計算溫度與文獻[1]實驗值對比圖 圖7 溫差與換熱量隨流動距離變化圖

3 換熱性能影響分析

3.1 翅片厚度對換熱的影響

為了分析翅片管換熱器翅片厚度對換熱性能的影響，在其他結構參數(shù)和工藝參數(shù)不變的情況下，分別設置不同的翅片厚度，計算影響換熱性能的主要指標的變化規(guī)律及換熱器內溫度的分布。

圖8為不同翅片厚度時計算數(shù)據(jù)的對比圖。由圖8(a)可知，煙氣在流動過程中，其溫度降低幅度由大到小變化，在換熱器的后半段，煙氣溫度逐漸趨于穩(wěn)定；由圖8(b)可知，隨著翅片厚度的增加，努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)均呈增大趨勢，Nu的增大表征著翅片管換熱器的對流換熱量增大，即換熱器的換熱能力隨翅片厚度的增加而得到增強。由圖8(c)可知，隨著翅片厚度的增加，摩擦系數(shù)呈減小趨勢，摩擦系數(shù)的減小表征著翅片管換熱器壓力損失降低。綜合考慮換熱能力及壓力損失，增加翅片厚度能夠一定程度的改善換熱器的性能。

圖8 不同翅片厚度的數(shù)據(jù)對比圖

3.2 翅片間距對換熱的影響

為了分析翅片管換熱器翅片間距對換熱性能的影響，在其他結構參數(shù)和工藝參數(shù)不變的情況下，分別設置不同的翅片間距，計算影響換熱性能的主要指標的變化規(guī)律及換熱器內溫度的分布，結果如圖9所示。

從圖9可知，努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)隨著翅片間距的增加而減小，摩擦系數(shù)隨著翅片間距的增加而增大，減小翅片間距能夠提高換熱器的換熱能力并降低換熱器的壓力損失。

3.3 煙氣入口速度對換熱的影響

為了分析煙氣流動速度對換熱性能的影響，在其他結構參數(shù)不變的情況下，分別設置不同的煙氣流動速度，計算影響換熱性能的主要指標的變化規(guī)律及換熱器內溫度的分布， 結果如圖10所示。

從圖10可知，努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)隨著煙氣入口速度的增大而增大，摩擦系數(shù)隨著煙氣入口速度的增大而減小，增大煙氣的入口速度在一定程度上可以提高換熱器的換熱能力，同時降低換熱器的壓力損失。煙氣入口速度0.845m/s的模型對流換熱能力最強，換熱效果好。

圖9 不同翅片間距的數(shù)據(jù)對比圖

圖10 不同煙氣入口速度的數(shù)據(jù)對比圖

4 結論

1)模擬結果與文獻[1]實驗值的相對誤差為9%，誤差產生的原因主要是由于模擬過程中忽略了輻射傳熱的作用及自然對流的影響，并且對物理模型與邊界條件的設定進行了一定的簡化。模擬仿真結果與實驗值符合良好，具有一定的可行性。

2)煙氣在流經換熱器的過程中，溫差逐漸變小，在換熱器前半段，煙氣與翅片的溫差大，換熱量大，煙氣溫度急劇降低；在換熱器后半段，溫差變小，溫度逐漸趨于穩(wěn)定。

3)增大翅片厚度和減小翅片間距都能改善換熱器的換熱性能，并降低換熱器內煙氣流動的壓力損失；增加煙氣入口速度可以改善煙氣的流動狀態(tài)，強化換熱作用，提高換熱器的換熱能力，同時也可以降低換熱器的壓力損失。采用Fluent軟件流場模擬方法可以優(yōu)化換熱器的結構參數(shù)和工藝參數(shù)。

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