大型相變熱交換器殼程蒸汽流動數(shù)值模擬

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(南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

近年來，隨著管殼式相變熱交換器的大型化，熱交換器的直徑越來越大，使流體橫穿換熱管排數(shù)急劇增加[1-3]。因流體橫向沖刷管束的阻力損失遠大于縱向沖刷管束的阻力損失，因此勢必造成熱交換器殼程壓降顯著增大[4]。國內(nèi)外學(xué)者對管殼式熱交換器的殼程流場進行了大量研究[5-7]。文中以2×660 MW超臨界凝汽式燃煤發(fā)電工程中煙氣余熱回收相變熱交換器中的汽水熱交換器為研究對象，針對大型管殼式相變熱交換器殼程壓降劇增的問題，在殼程添加縱向?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu)，采用Fluent軟件對殼程蒸汽流動進行數(shù)值模擬計算，研究縱向?qū)Я靼鍖峤粨Q器殼程流場，尤其是對殼程壓降的影響。

1 汽水熱交換器參數(shù)

熱電廠煙氣余熱回收采用相變換熱方式，相變換熱系統(tǒng)包括煙氣熱交換器和管殼式汽水熱交換器[8-10]。汽水熱交換器將上升管帶來的蒸汽與管程的凝結(jié)水換熱后冷凝為液體通過下降管排出，以達到循環(huán)換熱的目的[11]。汽水熱交換器殼體直徑1 600 mm，換熱管尺寸?25 mm×2 mm，換熱管中心距48 mm，換熱管長度8 500 mm，共有854根換熱管，換熱管按轉(zhuǎn)角正三角形方式排列。汽水熱交換器殼程壓力0.103 25 MPa，凝結(jié)水質(zhì)量流量288 t/h，凝結(jié)水進口溫度95 ℃，凝結(jié)水出口溫度115 ℃，內(nèi)循環(huán)蒸汽溫度120 ℃，內(nèi)循環(huán)冷凝水溫度100 ℃。

2 汽水熱交換器數(shù)值模擬模型及計算方法

為改善大型相變熱交換器殼程壓降過高的問題[12-15]，在相變熱交換器殼程設(shè)計縱向?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu)，縱向?qū)Я靼彘L度L為進、出口接管縱向距離，高度H為殼體直徑，寬度為B，傾斜角為α。根據(jù)相變熱交換器的結(jié)構(gòu)特點及流動特點，考慮計算成本，做出以下簡化：①根據(jù)上升管和下降管的數(shù)量將熱交換器沿軸向分為7個小單元，取其中連續(xù)的2個單元作為研究對象，將進、出口設(shè)在兩端。計算模型長度2 400 mm，殼體直徑1 600 mm，進口接管直徑219 mm，出口接管直徑168 mm。②忽略管程凝結(jié)水的作用，將換熱管定義為恒壁溫，并忽略殼程蒸汽冷凝相變及冷凝水的產(chǎn)生[16]。

簡化后的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器幾何模型見圖1。

相變熱交換器殼程蒸汽流場數(shù)值模擬采取穩(wěn)態(tài)求解，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型[17]。邊界條件定義如下，上升管(冷凝器入口)設(shè)為速度進口邊界條件，過熱水蒸氣溫度Tin=393.15 K；下降管設(shè)為壓力出口邊界條件，出口壓力pout=1.01×105Pa；換熱管設(shè)為無滑移壁面邊界條件，且溫度Tw恒為373.15 K；殼體、接管及縱向?qū)Я靼逶O(shè)為絕熱壁面。經(jīng)網(wǎng)格獨立性驗證，選取網(wǎng)格數(shù)目為5 904 331進行數(shù)值計算。

圖1 簡化后縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器幾何模型

3 縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器殼程流動數(shù)值模擬

3.1 流場

對導(dǎo)流板寬度B=100 mm、傾斜角α=15°的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器，在蒸汽進口速度為2 m/s條件下進行數(shù)值模擬，并與原結(jié)構(gòu)無縱向?qū)Я靼逑嘧儫峤粨Q器流場進行對比。

3.1.1速度分布

有、無縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器進口橫向截面速度分布見圖2。由圖2a可知，蒸汽從上升管進入向下沖刷管束，流速逐漸減小，部分流體進入縱向?qū)Я靼迦笨趨^(qū)，最大速度達到2.6 m/s。流體沿導(dǎo)流板兩側(cè)下方速度減小，在導(dǎo)流板下方由于流體回流出現(xiàn)速度增大現(xiàn)象，在兩側(cè)流體速度最小，為0.2 m/s。由圖2b可知，蒸汽由上升管進入熱交換器內(nèi)直接沖刷管束，在首排換熱管上方流體速度達到最大值2.4 m/s，沿豎直方向速度減小至0.2 m/s?？v向?qū)Я靼鍩峤粨Q器的流場速度區(qū)域分布較大，主要是由于縱向?qū)Я靼宓睦@流作用，并且在導(dǎo)流板下方也有相對于無導(dǎo)流板熱交換器較大的速度。

圖2 有無縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器進口橫向截面速度分布

3.1.2溫度分布

有、無縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器進口橫向截面溫度分布見圖3。由圖3a可知，流場內(nèi)蒸汽溫度在導(dǎo)流板缺口處較高，向兩側(cè)溫度遞減，最低溫度為377 K，表明蒸汽與冷壁面換熱作用較小。由圖3b可知，蒸汽溫度沿豎直方向逐級降低，在熱交換器下方溫度降至374 K，接近換熱管壁面溫度373.15 K，表明蒸汽橫掠換熱管與冷壁面不斷進行熱交換使蒸汽溫度降低。比較圖3可以看出，縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器進口截橫向面蒸汽溫度分布較均勻，無縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器由于冷卻作用使大部分區(qū)域流體溫度降低至換熱管壁面溫度。

有、無縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器縱向截面溫度分布見圖4。由圖4a可知，蒸汽因縱向?qū)Я靼遄饔醚剌S向流動冷卻，沿徑向無太多熱交換。由圖4b可知，蒸汽從上升管流經(jīng)管束區(qū)，橫掠管束沿徑向與換熱管進行熱交換，軸流作用不太明顯。比較圖4可以看出，縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器因?qū)Я靼宓淖饔檬拐羝剌S向換熱，能充分利用整個管束區(qū)進行冷卻。無導(dǎo)流板熱交換器中蒸汽徑向流動換熱，未與熱交換器底部管束進行熱交換就已經(jīng)降低至最低溫度。

圖3 有無縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器進口橫向截面溫度分布

圖4 有無縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器縱向截面溫度分布

3.2 阻力性能

對不同傾斜角α以及不同寬度B的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器殼程流場進行有限元數(shù)值模擬，得到了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器殼程壓降Δp與蒸汽進口速度v的關(guān)系，繪制而成的關(guān)系曲線見圖5。

圖5 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器殼程壓降與進口速度關(guān)系

由圖5a～圖5c可知，熱交換器殼程壓降隨進口速度的增大而增大。當(dāng)v=3.5 m/s時，無導(dǎo)流板熱交換器殼程壓降為8 822.51 Pa。在相同進口速度和導(dǎo)流板寬度下，隨著傾斜角的增加，殼程壓降顯著降低。當(dāng)α>5°時，縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器殼程壓降比無導(dǎo)流板熱交換器的壓降低。當(dāng)α>10°時，α對殼程壓降的影響不明顯，且隨著進口速度的增大，壓降降低得也越多，阻力性能較好。

由圖5d可知，α=10°時，殼程壓降隨導(dǎo)流板寬度的增加而降低。v=3.5 m/s時，B為50 mm、100 mm、150 mm的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器殼程壓降比無導(dǎo)流板熱交換器殼程壓降分別降低了11.5%、27.23%、33.88%。表明采用縱向?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu)可顯著降低熱交換器殼程壓降，且導(dǎo)流板寬度越大，殼程壓降降低得越多。

3.3 傳熱性能

不同傾斜角α及不同寬度B下，縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器傳熱系數(shù)h、熱流量Φ與蒸汽進口速度v的關(guān)系分別見圖6和圖7。

由圖6a～圖6c可知，熱交換器傳熱系數(shù)隨進口速度的增大而增大，v=3.5 m/s時無導(dǎo)流板熱交換器傳熱系數(shù)為0.861 kW/(m2·K)。在相同的進口速度和導(dǎo)流板寬度下，隨著傾斜角的增加，熱交換器傳熱系數(shù)降低，但縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器傳熱系數(shù)始終高于無導(dǎo)流板熱交換器傳熱系數(shù)。隨著導(dǎo)流板寬度的增加，傾斜角對傳熱系數(shù)的影響越來越大。當(dāng)B=100 mm、v=3.5 m/s時，α=25°的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器傳熱系數(shù)較α=0°的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器傳熱系數(shù)降低了7.4%；當(dāng)B=150 mm、v=3.5 m/s時，α=25°的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器傳熱系數(shù)較α=0°的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器傳熱系數(shù)降低了13.9%。

由圖6d可知，在α=10°的情況下，隨著導(dǎo)流板寬度的增加，熱交換器傳熱系數(shù)隨之增加。v=3.5 m/s時，B為50 mm、100 mm、150 mm的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器傳熱系數(shù)較無導(dǎo)流板熱交換器分別增加了10.45%、14.16%、20.09%。表明采用縱向?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu)可顯著提高熱交換器傳熱系數(shù)，且導(dǎo)流板寬度越大，傳熱系數(shù)越高；導(dǎo)流板傾斜角越大，傳熱系數(shù)越低。

圖6 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器傳熱系數(shù)與進口速度關(guān)系

圖7 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器熱流量與進口速度關(guān)系

由圖7a～圖7c可知，熱交換器熱流量隨進口速度的增大而增大，v=3.5 m/s時無導(dǎo)流板熱交換器的熱流量為4 563.71 kW。在相同的進口速度和導(dǎo)流板寬度下，隨著傾斜角的增加，熱交換器熱流量降低。隨著導(dǎo)流板寬度的增加，傾斜角對熱流量的影響越來越大。當(dāng)B=100 mm、v=3.5 m/s時，縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器熱流量比無導(dǎo)流板熱交換器熱流量低，α=25°縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器的熱流量為4 354.15 kW，較α=0°縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器降低了7.1%；當(dāng)B=150 mm、v=3.5 m/s時，縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器熱流量比無導(dǎo)流板熱交換器熱流量低，α=25°的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器熱流量為3 855.244 kW，較α=0°的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器降低了13.6%。

由圖7d可知，在α=10°的情況下，隨著導(dǎo)流板寬度的增加，熱交換器熱流量總體降低。v=3.5 m/s時，B=50 mm的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器熱流量增加了1.97%，B=100 mm的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器熱流量降低了1.64%，B=150mm的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器熱流量降低了10.4%。這表明采用縱向?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu)后，由于縱向?qū)Я靼逭加脽峤粨Q器體積，減少了換熱管數(shù)目，減少了換熱面積，即使因縱向?qū)Я靼遄饔锰岣吡藗鳠嵯禂?shù)，熱流量也降低，最高降低了10%左右，且導(dǎo)流板傾斜角越大，熱流量也越低。

3.4 綜合性能

采用綜合性能評價指標(biāo)η反映縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器的綜合性能[18]：

(2)

式(1)表明，相同壓降下，熱流量越大，綜合性能評價指標(biāo)η越大，熱交換器綜合性能越好；在相同熱流量下，壓降越小，綜合性能評價指標(biāo)η越大，熱交換器綜合性能越好。

對數(shù)值模擬的結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器綜合性能指標(biāo)η與進口速度v的關(guān)系，見圖8。

圖8 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器綜合性能與進口速度關(guān)系

由圖8a～圖8c可知，熱交換器綜合性能評價指標(biāo)隨進口速度的增大而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)v=3.5 m/s時，無導(dǎo)流板熱交換器的η=220.86。在相同的進口速度和導(dǎo)流板寬度下，隨著傾斜角的增加，綜合性能評價指標(biāo)先增大后減小。

由圖8d可知，在α=10°情況下，隨著導(dǎo)流板寬度的增加，綜合性能評價指標(biāo)先增大后減小。當(dāng)α=10°、v=3.5 m/s時，B為50 mm、100 mm、150 mm的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器綜合性能評價指標(biāo)比無導(dǎo)流板熱交換器分別提高了6.07%、9.35%、2.66%。這表明寬度為100 mm的縱向?qū)Я靼蹇商岣邿峤粨Q器的綜合性能，比寬度為50 mm、150 mm的導(dǎo)流板綜合性能好。

通過對縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器綜合性能的分析認為，在管殼式相變熱交換器中添加縱向?qū)Я靼蹇捎行岣邿峤粨Q器的綜合性能，v=3.5 m/s、B=100 mm、α=15°的熱交換器綜合性能最優(yōu)，綜合性能提高了10.1%。

4 結(jié)語

文中以熱電廠相變換熱系統(tǒng)中汽水熱交換器為研究對象，通過對縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器殼程蒸汽流動進行數(shù)值模擬，詳細研究了縱向?qū)Я靼宄叽鐚峤粨Q器殼程流場分布、阻力性能、傳熱性能及綜合性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)縱向?qū)Я靼迨拐羝剌S向流動，且蒸汽沿徑向在管束區(qū)分布均勻，并縱向沖刷管束，與換熱管內(nèi)流體進行逆流換熱，能充分利用整個管束區(qū)進行熱交換，換熱效果較無導(dǎo)流板熱交換器好。

(2)采用縱向?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu)可顯著降低熱交換器殼程壓降，且導(dǎo)流板寬度越大，殼程壓降降低得越多。當(dāng)α≥10°時，α對殼程壓降的影響不明顯，此時縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器壓降才比無導(dǎo)流板熱交換器的壓降低。v=3.5 m/s時，α=10°、B=150 mm的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器殼程壓降比無導(dǎo)流板熱交換器殼程壓降降低了33.88%。

(3)采用縱向?qū)Я靼褰Y(jié)構(gòu)可顯著提高熱交換器傳熱系數(shù)，且導(dǎo)流板寬度越大，傳熱系數(shù)越高；導(dǎo)流板傾斜角越大，傳熱系數(shù)越低。由于縱向?qū)Я靼逭加昧藷峤粨Q器體積，減少了換熱面積，因此即使因縱向?qū)Я靼宓淖饔锰岣吡藷峤粨Q器傳熱系數(shù)，熱交換器的熱流量總體上也會降低。導(dǎo)流板越寬，熱交換器熱流量越低；導(dǎo)流板傾斜角越大，熱交換器熱流量也越低。當(dāng)v=3.5 m/s時，α=10°、B=150 mm的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器傳熱系數(shù)增加了20.09%，但熱流量降低了10.4%。

(4)在管殼式相變熱交換器中添加α≥10°的縱向?qū)Я靼?，可有效提高熱交換器的綜合性能。v=3.5 m/s時，B=100 mm、α=15°的縱向?qū)Я靼鍩峤粨Q器綜合性能最優(yōu)，相比無導(dǎo)流板熱交換器，其壓降降低了29.9%，傳熱系數(shù)增加了13.3%，熱流量降低了2.19%，綜合性能提高了10.1%。