煙氣源熱泵波紋板蒸發(fā)器冷凝換熱特性數(shù)值研究*

王政偉 盛有志 紀(jì)國劍 許鑫 陳非凡

(常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213000)

0 引言

天然氣煙氣中含有大量的水蒸汽，其汽化潛熱占天然氣低熱值的比例達(dá)到10%～11%，如果排煙溫度降到水蒸汽的露點(diǎn)溫度以下，則可充分回收煙氣中的潛熱，經(jīng)濟(jì)效益顯著。一般情況下，天燃?xì)忮仩t直接排放到大氣中的煙氣溫度達(dá)120～200 ℃，造成巨大的熱量損失，并對(duì)環(huán)境造成污染，加劇霧霾的發(fā)生[1-4]。利用常規(guī)的翅片管換熱器可以將排煙溫度降至60 ℃，若要進(jìn)一步降低排煙溫度，常用的技術(shù)為熱泵技術(shù)。近年來，已出現(xiàn)多種形式的煙氣余熱回收系統(tǒng)，將吸收式或壓縮式熱泵應(yīng)用于煙氣潛熱回收。

本文采取本作者的授權(quán)專利波紋板冷凝式換熱器專利技術(shù)[5]作為熱泵的蒸發(fā)器，將低溫濕煙氣通入波紋板蒸發(fā)器中與制冷劑進(jìn)行換熱，將排煙溫度最終降至環(huán)境溫度，充分回收煙氣中的潛熱，數(shù)值研究了水蒸氣容積、波紋板結(jié)構(gòu)等對(duì)煙氣冷凝換熱的影響，對(duì)煙氣冷凝換熱有一定的工程指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

圖1是波紋板冷凝式換熱器的局部三維圖，其特點(diǎn)和工作過程如下：波紋板換熱元件在垂直于板內(nèi)制冷劑的流動(dòng)方向上相互平行布置，每個(gè)波紋板換熱元件包括前波紋換熱片、后波紋換熱片和多根隔條，前波紋換熱片和后波紋換熱片前后間隔對(duì)置，隔條相互平行設(shè)置在前后波紋換熱片之間，相鄰隔條之間形成從波紋板換熱元件導(dǎo)入端通向?qū)С龆说牧鞯?。多個(gè)流道的設(shè)置可以使得其中通過的制冷劑均勻分布到整個(gè)換熱面，同時(shí)大幅度提高單位體積內(nèi)的換熱面積。煙氣進(jìn)入波紋板蒸發(fā)器被制冷劑冷卻降溫，最后從出氣口流出換熱器；而煙氣中水蒸汽遇到低于其飽和溫度的波紋板換熱元件時(shí)，水蒸汽凝結(jié)放出冷凝熱，凝結(jié)液將集聚在波紋板表面，通過自身慣性、重力和氣體作用匯聚排出，從而快速排液和降低冷凝液膜厚度，提高整體換熱效率，同時(shí)冷凝液還可溶解煙氣中的污染氣體和微小顆粒物，起到煙氣凈化的作用。

考慮到波紋板冷凝式換熱器的周期性和對(duì)稱性，取最小的重復(fù)單元為計(jì)算區(qū)域，分析單個(gè)煙氣流道內(nèi)的冷凝換熱情況，煙氣在波紋板換熱元件之間流動(dòng)被冷卻，左右壁面溫度設(shè)為制冷劑的蒸發(fā)溫度。

圖1 波紋板冷凝式換熱器3D圖(局部)

1.2 數(shù)學(xué)模型

波紋為Asinwt三角函數(shù)的形狀，根據(jù)表1換熱板的幾何參數(shù)進(jìn)行三維建模，對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

表1 波紋板蒸發(fā)器換熱板的幾何尺寸以及煙氣參數(shù)

模型采用以下假設(shè)：

(1)煙氣進(jìn)口速度分布均勻，傳熱過程沒有散熱損失；

(2)沿流動(dòng)方向，波紋板的導(dǎo)熱忽略不計(jì)；

(3)由于前后波紋換熱片厚度非常薄，所以前后波紋換熱片即煙氣的左右壁面溫度保持為制冷劑的蒸發(fā)溫度不變，將煙氣和制冷劑的換熱簡(jiǎn)化為煙氣和恒溫壁面的換熱；

(4)煙氣的上下壁面溫度為環(huán)境溫度，設(shè)為絕熱邊界；

(5)煙氣中水蒸氣的凝結(jié)形式為膜狀凝結(jié)，液膜厚度忽略不計(jì)；

(6)忽略波紋板蒸發(fā)器的污垢熱阻。

1.3 邊界條件及求解器

換熱器煙氣進(jìn)口選取速度進(jìn)口邊界條件，濕煙氣進(jìn)口溫度為333 K。出口選取壓力出口邊界條件，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa。

波紋板蒸發(fā)器材質(zhì)是銅，左右壁面溫度為10 ℃，上下壁面為絕熱邊界，環(huán)境溫度為20 ℃，煙氣露點(diǎn)溫度為58 ℃，重力方向?yàn)閦軸負(fù)方向，濕煙氣橫掠波紋板進(jìn)行冷凝換熱。

結(jié)合波紋板蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)和換熱特點(diǎn)，板間煙氣流動(dòng)必須滿足基本控制方程[6]。

連續(xù)性方程為

動(dòng)量方程為

能量方程為

(3)

煙氣進(jìn)入波紋板蒸發(fā)器之前已經(jīng)充分發(fā)展，因此煙氣流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，開啟能量方程。選用分離隱式求解器，采用SIMPLE算法來處理壓力速度的耦合方程，選用一階迎風(fēng)差分格式對(duì)控制體積內(nèi)的物理量進(jìn)行離散[7]。

煙氣簡(jiǎn)化為水蒸氣+不凝性氣體(即干煙氣)的混合氣體，模擬中采用多相流混合模型(mixture)，第一項(xiàng)為干煙氣，第二項(xiàng)為水蒸氣，第三項(xiàng)為冷凝水。

編制了水蒸氣冷凝換熱的UDF程序，在煙氣混合相添加能量源相enrg-src，水蒸氣相側(cè)添加質(zhì)量源相vap-src，冷凝水相添加質(zhì)量源相l(xiāng)iq-src。其本質(zhì)為Lee模型[8]，描述為：當(dāng)液相溫度高于飽和溫度331 K時(shí)，即Tl>Tsat，冷凝水相向水蒸氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移。

當(dāng)氣相溫度低于飽和溫度331 K時(shí)，即Tv

式中，Tl為液相溫度，K；Tv為氣相溫度，K；Tsat為飽和溫度，K；coeff1為蒸發(fā)系數(shù)；coeff2為冷凝系數(shù)。

結(jié)合UDF程序分析煙氣冷凝過程中熱量傳遞和質(zhì)量傳遞情況。計(jì)算過程中，能量方程，速度各分量和組分濃度殘差值低于10-6，湍流參數(shù)、連續(xù)性方程和動(dòng)量方程殘差值低于10-5時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 計(jì)算結(jié)果和討論

以煙氣流速v=3 m/s，水蒸氣含量r=20%，煙道寬度d=10 mm，波紋高度A=20 mm，波紋節(jié)距T=40 mm為例，采用控制變量法進(jìn)行分析討論。

2.1 煙氣溫度分布

由于波紋板較長，為便于觀察，截取l1(0～0.2 m)，l2(0.36～0.56 m)和l3(0.8～1 m)三段分析。圖2反映了波紋板在z=0.2 m處1-1截面上的煙氣溫度分布情況，可以看出由于和冷的壁面接觸，煙氣主流溫度在降低，進(jìn)口l1段溫降為5 ℃，中間l2段溫降為4 ℃，出口l3段溫降很快，為11.9 ℃，是因?yàn)榍懊娌糠值乃魵獯罅坷淠懦鰺崃浚泳徚藷煔獾臏亟?，后面部分的水蒸氣冷凝量降低，溫降變快。貼近壁面溫度較低，出口的排煙溫度為294.7 K，基本降至環(huán)境溫度。

(a) l1段溫度等值線

(b) l2段溫度等值線

(c) l3段溫度等值線

2.2 煙氣速度分布

圖3反映了波紋板在z=0.2 m處1-1截面上的煙氣速度分布情況，可以看出波紋板壁面上出現(xiàn)了明顯的速度邊界層，波紋板拐點(diǎn)處的速度邊界層較厚，煙氣速度急劇下降。煙氣流動(dòng)受到波紋板的干擾，整體呈波浪形的流動(dòng)方式，同時(shí)波紋板結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了擾動(dòng)，煙氣主流速度大于煙氣進(jìn)口流速。由于管路阻力的影響，且冷凝水膜阻礙了流動(dòng)，煙氣主流速度在緩慢下降，由進(jìn)口段的5.5 m/s下降為出口段的4.5 m/s。

(a) l1段速度等值線

(b) l2段速度等值線

(c) l3段速度等值線

2.3 冷凝水體積分布

圖4反映了波紋板右壁面上的冷凝水分布情況。由于煙氣被冷卻溫度降低至水露點(diǎn)以下，水蒸氣在波紋板壁面上發(fā)生冷凝，隨著煙氣的流動(dòng)，冷凝水含量持續(xù)增多，0.95 m之后一直到出口冷凝水體積分?jǐn)?shù)最大，達(dá)到了2.12×10-3，數(shù)量級(jí)很小是因?yàn)槔淠w積小，在壁面上形成了液膜。

由圖2(c)看出，0.95 m至出口段煙氣還在降溫，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)基本不再變化，說明降溫對(duì)水蒸氣冷凝的作用是有限的，降溫也只能回收部分的冷凝潛熱。

圖4 右壁面冷凝水體積分布

2.4 煙氣特性對(duì)冷凝換熱的影響

煙氣中水蒸氣在波紋板蒸發(fā)器中冷凝，其放出的潛熱由生成的冷凝水質(zhì)量和冷凝潛熱決定。

Qr=mH2OrH2O(6)

放出的全熱為煙氣和左右壁面的換熱量之和。

Qq=Qleftwall+Qrightwall(7)

2.4.1 煙氣中水蒸氣含量

由圖5可看出，隨著水蒸氣含量r的增加，回收的煙氣全熱Qq和潛熱Qr都在線性增加，r由7%增長到20%，Qr由1 204.07 W增長到3 263.01 W，Qq由2 097.71 W增長到4 008.57 W，是因?yàn)閞增大，煙氣焓增加。并且Qr/Qq在不斷增大，由57.4%增長到81.4%，且增長趨勢(shì)放緩，是因?yàn)樗魵夥謮毫υ龃?，傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力增加，不凝性氣體減少，不凝性氣體層變薄，冷凝更加容易，冷凝水的含量也在增多。

由圖6可看出，r越大，煙氣出口溫度Tout越高，由285.2 K增長到294.7 K，是因?yàn)樗魵獾睦淠艧崾沟脽煔鉁亟到档?，因而Tout越高。并且對(duì)流換熱系數(shù)h由278.23 W/(m2·K)增長到531.73 W/(m2·K)，增長近一倍，是因?yàn)槔淠龘Q熱比例加大。所以在保證燃燒充分的前提下盡量選取較小的過量空氣系數(shù)，保證煙氣中水蒸氣含量較高，回收更多的煙氣潛熱[9]。

圖5 水蒸氣含量對(duì)潛熱和全熱的影響

2.4.2 煙氣流速

由圖7可看出，隨著煙氣流速v的增加，回收的潛熱Qr和全熱Qq都在增大，是因?yàn)関增大，對(duì)流換熱系數(shù)h增大。

圖7 煙氣流速對(duì)潛熱和全熱的影響

由圖8可看出，h由363.99 W/(m2·K)增長到839.4 W/(m2·K)，增長近兩倍，Qr/Qq也在不斷增大，由79.32%增長到84.68%，是因?yàn)関增大，擾動(dòng)變得劇烈，不凝性氣體邊界層變薄，液膜更容易在自身重力及慣性作用下脫離壁面，傳熱傳質(zhì)更容易，Qr增加更多。并且v越大，煙氣出口溫度Tout越高，由289.4 K增長到302.65 K，是因?yàn)閾Q熱時(shí)間變短，煙氣來不及充分降溫便被排出換熱器。同時(shí)流速越大，煙氣阻力會(huì)越大，對(duì)換熱器磨損加劇。所以v要在合理范圍之內(nèi)，建議采用2～3 m/s的煙氣流速。

圖8 煙氣流速對(duì)煙氣出口溫度和對(duì)流換熱系數(shù)的影響

2.5 波紋板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷凝換熱的影響

2.5.1 煙道寬度

由圖9可看出，隨著煙道寬度d的增大，回收的潛熱Qr和全熱Qq都在增大，是因?yàn)闊煔赓|(zhì)量流量增大，傳熱量增加。Qr/Qq增長的幅度有波動(dòng)，d從10 mm到12 mm增長較快，d<10 mm和d>12 mm時(shí)增長較慢。

圖9 煙道寬度對(duì)潛熱和全熱的影響

由圖10看出，隨著d的增大，對(duì)流換熱系數(shù)h大體為線性增加的規(guī)律，由434.11 W/(m2·K)增長到690.99 W/(m2·K)，是因?yàn)槔淠龘Q熱的分量增加。煙氣出口溫度Tout和Qr/Qq的變化規(guī)律相同。但是d=14 cm時(shí)，Tout達(dá)到306.6 K，遠(yuǎn)超環(huán)境溫度，是因?yàn)闊崃黧w質(zhì)量增加，必定導(dǎo)致煙氣溫降減少，并且如果煙道過寬，煙氣可能會(huì)接觸不到換熱器壁面就流出換熱器，導(dǎo)致冷凝換熱效果變差。建議采用10～12 mm的煙道寬度。

圖10 煙道寬度對(duì)煙氣出口溫度和對(duì)流換熱系數(shù)的影響

2.5.2 波紋高度

由圖11可看出，當(dāng)波紋高度A由16 mm增長到28 mm時(shí)，潛熱Qr上升緩慢，僅增長了54.64 W；全熱Qq不斷增長，由3 841.21 W增長到4 167.09 W，增長幅度在緩慢降低，因而Qr/Qq在不斷降低。

圖11 波紋高度對(duì)潛熱和全熱的影響

由圖12可看出，A越大，煙氣出口溫度Tout越低，因?yàn)椴y總長度變長，波紋板面積增大，換熱時(shí)間增加，煙氣能被充分冷卻，Qq增大，煙氣溫降增大。而對(duì)流換熱系數(shù)h不斷減小，是因?yàn)椴y過高，煙氣流道非常曲折，速度下降，且冷凝水容易被重新帶回到煙氣主流中去，冷凝傳熱反而變差，且換熱器阻力增大，成本增加。建議波紋高度采用18～20 mm。

圖12 波紋高度對(duì)煙氣出口溫度和對(duì)流換熱系數(shù)的影響

2.5.3 波紋節(jié)距

由圖13可看出，隨著波紋節(jié)距T增大，潛熱量Qr稍有下降，全熱量Qq下降較多，由4 138.23 W減小到3 862.88 W，Qr/Qq不斷增大。

圖13 波紋節(jié)距對(duì)潛熱和全熱的影響

由圖14可看出，T越長，煙氣出口溫度Tout越高，是因?yàn)椴y節(jié)距越長，波紋總長度越短，波紋板面積減小，換熱時(shí)間變短，煙氣溫降下降，Qq下降，Tout升高。而T在32～40 mm時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)h增長較快，由485.14 W/(m2·K)增長到531.73 W/(m2·K)，是因?yàn)門過小，煙道彎曲，水蒸氣冷凝惡化，T增大反而強(qiáng)化了傳熱，h增大；T在40～44 mm時(shí)，h緩慢下降至529.53 W/(m2·K)，是因?yàn)椴y板變得“平坦”，煙氣擾動(dòng)下降，h降低，不過T過小會(huì)增加成本和阻力。建議采用36～40 mm的波紋節(jié)距。

圖14 波紋節(jié)距對(duì)煙氣出口溫度和對(duì)流換熱系數(shù)的影響

3 與平板的對(duì)比

選取一塊沒有波紋的平板，長度為1.464 m，等于煙道寬度為10 mm、波紋高度為20 mm、波紋節(jié)距為40 mm的波紋板波紋長度，煙道寬度為10 mm、高度為0.5 m、煙氣流速為3 m/s。通過對(duì)比可發(fā)現(xiàn)(見圖15所示)，在0～0.25 m之間，由于水蒸氣大量冷凝，兩塊板內(nèi)的冷凝速率相當(dāng)。0.25 m之后波紋板中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)降低更快；且平板出口的水蒸氣含量為3.969%，高于波紋板的3.585%；波紋板的冷凝段為0.95 m，低于平板的1.15 m，因此波紋形狀對(duì)煙氣的擾動(dòng)使得水蒸氣冷凝效果更好，結(jié)構(gòu)更加緊湊，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

圖15 波紋板和平板右壁面水蒸氣含量的變化

4 結(jié)論

(1)波紋板蒸發(fā)器的應(yīng)用回收了低溫濕煙氣中的潛熱，可以將排煙溫度降至環(huán)境溫度，起到了對(duì)煙氣進(jìn)行“脫白”的作用，有效地減少霧霾的發(fā)生。

(2)對(duì)波紋板蒸發(fā)器內(nèi)低溫濕煙氣的冷凝換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)要達(dá)到更好的冷凝換熱效果，應(yīng)選擇較小的過量空氣系數(shù)、2～3 m/s的煙氣流速、10～12 mm的煙道寬度、18～20 mm的波紋高度和36～40 mm的波紋節(jié)距。通過與平板進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)波紋板冷凝換熱性能優(yōu)于平板，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。