天然氣鍋爐余熱深度回收換熱器換熱特性研究

秦柏　張強　張波　吳超

摘要：針對在天然氣鍋爐中，由于排煙溫度較高，排煙熱損失相對較大，過熱狀態(tài)的水蒸氣隨排煙到大氣中造成水蒸氣潛熱的巨大浪費的問題，根據(jù)工程熱力學(xué)和計算傳熱學(xué)相關(guān)理論，在天然氣鍋爐系統(tǒng)尾部加裝翅片管換熱器用來回收排煙過程中煙氣的顯熱和水蒸氣凝結(jié)時釋放的潛熱，用此來進行余熱的深度回收。進一步通過數(shù)值模擬的方法，來研究煙氣側(cè)入口速度對翅片管換熱器換熱特性的影響，得出了入口速度在一定范圍內(nèi)，速度越大換熱效果越好。從而合理選擇煙氣側(cè)入口速度，為深度回收煙氣熱量提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

余熱回收；煙氣入口速度；換熱特性；數(shù)值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.004

中圖分類號： TK11

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）05-0021-04

Abstract：In order to study the temperature distribution of the turbogenerator stator ，a aircooling Aiming at the problem that there is a huge loss of latent heat in water vapor caused by the high exhaust gas temperature in the natural gas boiler， relatively large exhaust heat loss and water vapor in a superheated state going into the atmosphere， based on relevant theories of engineering thermodynamics and heat transfer calculation， a finned tube exchanger is added to the natural gas boiler system to deeply recycle the sensible heat of flue gas in the gas extraction process and the latent heat released during the steam condensation process in order to recover the waste heat Based on this， the paper carries out a study on the influence of inlet velocity on the heat transfer performance of finned tube heat exchanger and through numerical simulation draws the conclusion that within a certain scope of inlet velocity， the heat transfer efficiency is better along with higher speed so as to select reasonable flue gas inlet velocity to achieve the goal of reducing the exhaust gas temperature， recovering deeply the flue gas heat

Keywords：waste heat recovery；the flue gas inlet velocity ；heat transferperformance；numerical simulation

0引言

人類文明社會的快速進步和創(chuàng)新型能源的不斷涌現(xiàn)，能源的消耗量及消耗形式也發(fā)生了與時俱進的變化。傳統(tǒng)鍋爐，由于排煙溫度較高，將會有大量水蒸氣得不到回收，造成水蒸氣潛熱的巨大浪費[1]。

針對天然氣鍋爐排煙溫度較高，回收過熱狀態(tài)下水蒸氣的潛熱難的問題，本文采用翅片管換熱器回收煙氣余熱，文[2-4]中用實驗的方法研究了螺旋翅片管束的排列方式對管束換熱特性和流阻特性的影響，根據(jù)實驗結(jié)果擬合得到傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)的關(guān)系式，為翅片管換熱器的設(shè)計提供理論支持和改進依據(jù)。翅片管換熱器擁有良好的傳熱性能，采用翅片管換熱器回收煙氣余熱，可以降低排煙溫度，同時還可以回收溫降過程中的顯熱和水蒸氣冷凝時釋放的相變潛熱，提升鍋爐的熱效率[5]。在翅片管換熱器中，煙氣側(cè)入口速度對換熱起著很大的作用[6]。是降低排氣溫度的最主要的因素，因此，本文主要研究翅片管換熱器中煙氣側(cè)入口速度對換熱的影響。

1物理模型和數(shù)學(xué)模型

11物理模型

由本文換熱器管采用Φ24×2高頻焊翅片管，橫向管排數(shù)為8排，縱向管排數(shù)10排，管數(shù)共80根，翅片管換熱器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。物理模型如圖1所示。

12數(shù)學(xué)模型

煙氣側(cè)的流體視為不可壓縮流體，流體的流動處于湍流狀態(tài)。流動要受到質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制約，湍流控制方程采用κ-ε兩方程模型[7]。煙氣側(cè)的雷諾數(shù)為441643，大于臨界雷諾數(shù)2300[8]，因此煙氣側(cè)的流動狀態(tài)為湍流流動。

（ρΦ）t+div（ρUφ）=div（ΓgradΦ）+Sφ

式中：φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量；Γ為廣義擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項。

2基本假設(shè)和邊界條件

21基本假設(shè)

1）忽略重力和浮力對流體的影響。

2）考慮到有相變的發(fā)生，故本文使用UDF程序來模擬煙氣余熱回收過程中的相變傳質(zhì)問題。

22邊界條件

1）仿真模擬操作中所應(yīng)用的材料有：1煙氣，包含三原子氣體、氮氣、氧氣和水蒸氣的混合物；2液態(tài)水；3翅片管。

2）入口邊界條件：煙氣側(cè)入口設(shè)置為速度入口邊界條件，根據(jù)以下所設(shè)條件得，入口速度分別為2、15、1、07m/s，水側(cè)入口也設(shè)置為速度入口邊界條件，水側(cè)速度為085m/s。

3）出口邊界條件：煙氣側(cè)出口采用壓力出口邊界條件，相比于設(shè)置為自由出流，壓力出口選 擇會使收斂曲線更平滑穩(wěn)定，且收斂速度更快。水側(cè)出口采用壓力出口邊界條件。對于翅片管的材質(zhì)選用金屬銅即可。墻壁設(shè)置為固定墻壁，無滑移形式。水與換熱器內(nèi)壁及煙氣與換熱器外壁之間選用耦合的邊界條件。壁厚值為2mm。

4）本文的煙氣側(cè)與水側(cè)的流體流動均不歸屬為高速可壓流動，方程組求解過程中選用基于壓力速度耦合的SIMPLE算法[8]，近壁面區(qū)域采用強化壁面函數(shù)法，然后進行網(wǎng)格獨立性驗證，獲得網(wǎng)格獨立的解。

3模擬結(jié)果及分析

31改變進口煙氣速度方案制定

保持翅片高度，翅片厚度，翅片間距不變，改變煙氣入口速度，將煙氣入口速度設(shè)置為2m/s、15m/s、1m/s、07m/s時的凝結(jié)換熱規(guī)律的影響。具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

32煙氣側(cè)不同進口速度對溫度場的影響

煙氣側(cè)不同入口速度下溫度分布：溫度對于煙氣的余熱回收的影響是最直觀的。當(dāng)翅片高度為11mm，翅片厚度為15mm，翅片間距為7mm時，改變煙氣入口速度。選取Z=150mm處（兩肋片中間）煙氣入口流速為2m/s、15m/s、1m/s、07m/s時的溫度分布云圖，其溫度分布圖像分別如圖2（a）～（d）所示。

通過圖2（a）可知，當(dāng)流體的流速為2m/s時，其溫度的變化范圍是在362～150℃之間，圖2（b）可知，當(dāng)流體的流速為15m/s時，其溫度的變化范圍是在 284～150℃之間，圖2（c）可知，當(dāng)流體的流速為1m/s時，其溫度的變化范圍是在248～150℃之間，圖2（d）可知，當(dāng)流體的流速為07m/s時，其溫度的變化范圍是在234～150℃之間。當(dāng)煙氣流入換熱器時，煙氣溫度維持不變且分布均勻，隨著煙氣依次流經(jīng)各排翅片管，煙氣的溫度依次下降，當(dāng)煙氣流過最后一排翅片管時，煙氣溫度不再與翅片管換熱。當(dāng)煙氣流經(jīng)第一排翅片管后，由于煙氣的分流，使得煙氣在翅片管上下兩側(cè)形成兩個新的溫度區(qū)，并且溫度降低，這是因為管外煙氣與管內(nèi)的介質(zhì)水發(fā)生了換熱，致使煙溫降低。翅片管迎風(fēng)側(cè)的溫度明顯高于翅片管背風(fēng)側(cè)的溫度，這是因為在迎風(fēng)側(cè)煙氣流速相對于背風(fēng)側(cè)的流速大，擾流效果好，換熱性強。在煙氣流速的增加過程中，換熱熱阻降低，背風(fēng)側(cè)溫度升高，這就意味著煙氣側(cè)的換熱性能得到了改善，同時，當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)水的流量沒有發(fā)生變化時，將導(dǎo)致煙氣側(cè)的排煙溫度升高。

33煙氣側(cè)不同進口速度對平均換熱系數(shù)的影響

當(dāng)翅片厚度為15mm，翅片高度為11mm時，翅片間距為7mm時，改變煙氣側(cè)進口速度，使煙氣側(cè)進口速度分別為2m/s、15m/s、1m/s、07m/s，圖3為煙氣側(cè)不同進口速度對平均換熱系數(shù)的影響。

由圖3可知，隨著煙道氣入口速度的增加，煙道氣側(cè)的平均傳熱系數(shù)增加，這就意味著，增大煙氣側(cè)入口的流動速度有利于與管內(nèi)冷源水之間的換熱過程。

34煙氣側(cè)不同進口速度對平均換熱量的影響

當(dāng)翅片厚度為15mm，翅片高度為11mm時，翅片間距為7mm時，改變煙氣側(cè)進口速度，使煙氣側(cè)進口速度分別為2m/s、15m/s、1m/s、07m/s。圖4為煙氣側(cè)不同進口速度對換熱量的影響。

通過圖4可知，隨著煙氣側(cè)入口速度的增加，煙氣側(cè)的平均換熱量也在增加，煙氣進口速度與煙氣側(cè)的換熱量成正比。這是因為，煙氣流速的增大使換熱器的平均換熱系數(shù)增大，當(dāng)換熱面積和換熱溫差一定時，平均換熱系數(shù)越大，其換熱量就越大。這就意味著，在余熱回收系統(tǒng)中，可以回收更多的顯熱和潛熱，進一步提高翅片管鍋爐系統(tǒng)的熱效率，經(jīng)濟性提高，降低投資回收期。

4結(jié)論

在一定范圍內(nèi)，當(dāng)改變煙氣側(cè)入口速度時，隨著入口煙氣速度的增大，平均換熱系數(shù)增大，流動阻力增大，換熱性能增強。 隨著煙氣進口流速的增加，Re增大，平均換熱系數(shù)逐漸增大。流速增加使得管外側(cè)翅片對流動的擾動增強，破壞了流體邊界層，使換熱得到加強。當(dāng)煙氣流速為07m/s 時，平均換熱系數(shù)為355W/（m2·K）；當(dāng)煙氣流速為1m/s 時，煙氣的平均換熱系數(shù)為445W/（m2·K），當(dāng)煙氣流速為15m/s 時，平均換熱系數(shù)為560W/（m2·K）當(dāng)煙氣流速為2m/s 時，平均換熱系數(shù)為647W/（m2·K），可見煙氣流速對其平均換熱系數(shù)的影響是很大的。同理，對平均換熱量的影響也很大。采用計算機輔助數(shù)值模擬的方法對天然氣鍋爐煙氣回收用翅片管換熱器換熱性能及影響因素進行系統(tǒng)的分析，并對影響翅片管換熱的因素進行優(yōu)化，為提高余熱回收效率提供一定的理論依據(jù)。節(jié)約了燃料，在資源相對短缺的的當(dāng)今社會，顯得尤為重要。

參 考 文 獻：

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（編輯：關(guān)毅）