廢熱鍋爐內(nèi)部流場流動與傳熱分析

沈文朋 莫隴剛 宋 偉 仲 誠

（1.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司；2.蘭州理工大學石油化工學院；3.中石油蘭州石化公司化工儲運中心）

工業(yè)化的進步需要能源作為依托，目前全世界對能源的需求在持續(xù)不斷地增加，因此開發(fā)能夠代替不可再生能源的新能源、大力開展節(jié)能減排工作已經(jīng)十分迫切［1］。 化工廠加熱爐中產(chǎn)生的煙氣排煙溫度比較高，大部分熱量直接被排放而無法被利用，不僅造成了能源的浪費，還加劇了溫室效應(yīng)［2］。 廢熱鍋爐回收裝置是針對煙氣能源回收的一種廣泛實施的應(yīng)用技術(shù)，這也促使廢熱回收裝置成為能源研究領(lǐng)域的熱門方向，不斷獲得新的研究成果。 張群力等分析了目前煙氣余熱回收利用中存在的一些典型問題，并提出了解決問題的思路，為煙氣余熱回收利用技術(shù)的研究與推廣提供了參考［3］。LEE C E等利用熱力學分析方法發(fā)現(xiàn)控制廢氣溫度可以獲得較高的效率［4］。 廢熱鍋爐中典型的管殼式結(jié)構(gòu)也有大量學者進行了研究。 劉敏珊等采用CFD方法模擬了換熱效果不佳的管殼式換熱器殼程存在的傳熱死區(qū)［5］。 付磊等采用Workbench軟件建立了管殼式換熱器三維實體模型，對換熱器管側(cè)和殼側(cè)的兩流程耦合進行計算［6］。 呂金麗等采用數(shù)值模擬的方法模擬了殼側(cè)發(fā)生相變的管殼式換熱器的兩相流動和相變傳熱［7］。PAISARN N和THIANPONG C等先后研究了不同插物結(jié)構(gòu)對管程換熱性能的影響，從實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)插物結(jié)構(gòu)為紐帶時，換熱性能提升較大［8，9］。 SARADA S NAGA等針對臥式管殼式換熱器，通過對比不同寬度的紐帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)紐帶寬度26 mm時換熱性能提升較高［10］。 張亮等利用數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，波紋管在殼程進口流速超過2 257 kg/h時，繼續(xù)增加進口流速，換熱效果減弱［11］。MARWA BEN SLIMENE等以弓形折流板換熱器為研究對象，采用數(shù)值模擬軟件建立了管殼式換熱器三維實體模型，之后對殼程流體的速度場、溫度場和冷凝水體積分布情況進行了分析研究［12］。 孟芳提出一種新型的單殼程雙螺旋對稱折流板換熱器，提高了換熱效率［13］。 俞接成和諸葛一然用Fluent軟件模擬了3種不同折流板間距的管殼式換熱器的流動與傳熱， 分析了3種結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱器的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)減小折流板間距會增加流動阻力，對傳熱系數(shù)影響不大［14］。 YU C L等提出一種新型六角形阻振折流桿，通過數(shù)值模擬證明新型折流桿結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗振性能更優(yōu)［15］。

筆者以丙烷脫氫油氣廢熱回收一體化裝置中丙烷換熱段為研究對象，通過數(shù)值模擬，對此結(jié)構(gòu)下管程和殼程的流體換熱進行模擬計算，研究廢熱鍋爐內(nèi)不同位置管程和殼程的溫度分布，并對比不同煙氣進口速度和丙烷進口速度對換熱特性的影響。

1 幾何建模

由于丙烷脫氫油氣廢熱回收一體化裝置中丙烷換熱段尺寸較大， 管束和折流板數(shù)量較多，模型較為復(fù)雜， 現(xiàn)有條件無法對其進行模擬，因此，進行模型簡化，只模擬35根換熱管，研究丙烷進口與煙氣進口速度對換熱器換熱特性的影響。管殼式換熱器換熱管呈正方形排列， 利用Solidworks建模，對模型進行簡化，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

殼體總長 1 450 mm

殼體外徑 240 mm

殼體厚度 10 mm

換熱管長 1 150 mm

進出口內(nèi)徑 40 mm

進出口長度 40 mm

換熱管內(nèi)徑 15 mm

換熱管間距 25 mm

折流板數(shù)量 6個

折流板間距 150 mm

折流板高度 160 mm

折流板厚度 10 mm

換熱器管程和折流板的分布模型截面圖如圖1所示。

圖1 換熱器管程和折流板的分布模型截面圖

2 流體控制方程

2.1 基本假設(shè)

為方便計算，對模型的基本假設(shè)為：煙氣為不可壓縮的理想氣體；煙氣中各組分成分各處均勻分布；忽略輻射換熱的影響；廢熱鍋爐內(nèi)的流動與傳熱均處于穩(wěn)態(tài)工況運行。

2.2 控制方程

質(zhì)量守恒方程：

3 計算域及網(wǎng)格劃分

計算域分為管程流體域（圖2a）與殼程流體域（圖2b）兩部分，網(wǎng)格劃分時，先將建好的三維模型進行體積抽取。 體積抽取完成之后，將模型導(dǎo)入Fluent-meshing中進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，殼程網(wǎng)格數(shù)1 074 699，管程網(wǎng)格數(shù)613 247，質(zhì)量均合格且滿足無關(guān)性驗證。 整體、局部網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖2 管程、殼程流體域

圖3 整體、局部網(wǎng)格圖

4 求解方法

邊界條件采用速度進口和壓力出口。 煙氣走管程，煙氣混合物氣體成分按表1設(shè)置，進口溫度設(shè)為500 ℃，丙烷走殼程，進口溫度37 ℃。 模擬采用SIMPLE算法對壓力和速度進行耦合，采用最小二乘法梯度空間離散格式，壓力離散格式、能量方程、動量方程、湍動能和湍流耗散率空間離散格式均為二階迎風格式。 當進出口流量偏差小于0.1%，并且各方向的速度、k值、ε等參數(shù)誤差小于10-4，能量方程誤差小于10-6時認為計算收斂。

表1 煙氣組分表

5 結(jié)果與分析

5.1 流線分布

模擬管程和殼程的流體流動與換熱， 圖4為兩種流體的流線圖，可以看到管程煙氣流線沿換熱管流動，基本為直線型。 殼程流線可以看到其運動軌跡呈S型，因為折流板的折流作用，使得丙烷在流動過程中與煙氣充分換熱。

圖4 兩種流體流線分布圖

5.2 溫度分布

煙氣進口速度為4 m/s，丙烷進口速度為1 m/s時，模擬管程與殼程的流動換熱。圖5為管程與殼程流體域溫度分布圖，由圖可以看到換熱效果明顯，折流板的作用比較顯著。

圖5 管程與殼程溫度分布總圖

圖6為管程溫度云圖， 可以看到從進口到出口，溫度沿換熱管逐漸降低。 由于管程流體為高溫煙氣，在入口處溫度最高，為500 ℃。 當熱流體流過換熱管時， 與管外冷流體發(fā)生熱量交換，熱流體溫度下降，出口溫度為212 ℃。

圖6 管程溫度云圖

從圖7可以看出殼程流體溫度的變化情況。由于殼程流體為冷流體——丙烷，因此在殼程入口處溫度最低，為37 ℃。丙烷流過殼體，在折流板的擾流作用下與換熱管內(nèi)的高溫煙氣發(fā)生熱量交換， 使殼程出口位置的丙烷具有最高溫度，為365 ℃。在折流板背流處，流體溫度普遍高于其他區(qū)域，這是因為在折流板背流處，由于漩渦流的存在，流體只在該區(qū)域內(nèi)打轉(zhuǎn)，無法沿流道流走，與流通流體進行熱量交換。 從而隨著時間的進行，漩渦流不斷與換熱管進行熱量交換，使得自身溫度升高，高于周圍流體。

圖7 殼程溫度云圖

圖8為沿z軸的管程截面溫度云圖，z軸數(shù)值越大，越遠離管程進口。 圖8a為z=200 mm截面的溫度， 可以看到最高溫度與最低溫度相差較大，這是因為折流板的存在使得折流板背流處丙烷停留時間較長，換熱比其他地方充分，所以該處溫度低于其他區(qū)域。 圖8b～d依次是z為400、600、800 mm截面的溫度， 可以看到相同的管程長度，溫度變化幅度升高，說明管程中煙氣溫度換熱沿換熱管長度越來越強。

圖8 管程z軸截面溫度云圖

圖9所示為沿z軸方向的殼程截面溫度云圖，z軸的數(shù)值越大， 表明越接近殼程進口。 圖9a為z=200 mm截面的溫度云圖，可以看到最高溫度與最低溫度相差也較大。 圖9b～d依次是z為400、600、800 mm截面的溫度云圖，可以看到溫度增加幅度沿z軸反方向越來越大， 說明越遠離殼程進口，換熱越充分。 同時從圖9中可以看到，截面圖中心處溫度比周邊溫度高，說明內(nèi)部區(qū)域換熱管換熱量大于周邊換熱管換熱量。

圖9 殼程z軸截面溫度云圖

5.3 煙氣進口速度的影響

設(shè)丙烷進口速度為1 m/s，分別計算煙氣進口速度為1、2、3、4、5 m/s時， 煙氣和丙烷出口溫度，其變化曲線如圖10所示。 隨著煙氣進口速度的增大，煙氣和丙烷出口速度均增大，因為高溫煙氣速度越大，管程中的煙氣停留時間越短，換熱越少，因此出口溫度越高。 而殼程中丙烷在換熱過程中，接觸的煙氣溫度越高，使得出口溫度越高。

圖10 煙氣進口速度影響曲線圖

5.4 丙烷進口速度的影響

設(shè)煙氣進口速度為1 m/s，分別計算丙烷進口速度為1、2、3、4、5 m/s時， 煙氣和丙烷出口溫度，其變化曲線如圖11所示。 隨著丙烷進口速度的增大，煙氣和丙烷出口速度均減小，因為丙烷速度越大，相對高溫煙氣速度越小，管程中的煙氣停留時間越長，換熱越多，因此出口溫度越低。 而殼程中丙烷在換熱過程中， 接觸的煙氣溫度越低，使得出口溫度越低。

圖11 丙烷進口速度影響曲線圖

6 結(jié)論

6.1 折流板對溫度分布有較大影響，在折流板背流處，由于漩渦流的存在，流體只在該區(qū)域內(nèi)打轉(zhuǎn)，使得流體不斷與換熱管進行熱量交換，自身溫度不斷升高，流體溫度普遍高于其他區(qū)域。

6.2 在同一截面，管束中心區(qū)域溫度高于其他區(qū)域。 無論是管程還是殼程，流體在流動換熱過程中沿換熱管方向換熱效果越來越強。

6.3 隨著煙氣進口速度增大，管程和殼程出口溫度均升高，而丙烷進口速度對出口溫度的影響與煙氣相反。