給水加熱器過熱段的數(shù)值仿真

徐 青，姜一帆

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201210）

0 引 言

熱交換器用于許多領(lǐng)域，比如化工、冶金、能源和其他工業(yè)領(lǐng)域，且在工業(yè)系統(tǒng)的動力耗能和設(shè)備投資中也占了很大的投資比例。 有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，化工應(yīng)用中熱交換器的投資比例約占設(shè)備總投資的30%；在煉油領(lǐng)域，占工藝設(shè)備總投資的40%左右；在火電廠中，約占設(shè)備總投資的70%；在海水淡化領(lǐng)域，幾乎所有設(shè)備都由熱交換器組成[1]。 因此，優(yōu)化熱交換器的傳熱性能，在較多領(lǐng)域都可以減少設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用。

作為熱力系統(tǒng)中的輔助換熱器，給水加熱器是一種通過引入汽輪機(jī)中的蒸汽來加熱通往鍋爐給水的管殼式換熱器，提高其效率可增加熱力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[2]。 給水加熱器內(nèi)部分為三段，分別為過熱蒸汽冷卻段，蒸汽凝結(jié)段和疏水冷卻段。 過熱蒸汽段和疏水冷卻段通常在給水加熱器的包殼內(nèi)。 管外從汽輪機(jī)中抽取的過熱蒸汽首先進(jìn)入過熱蒸汽段，在弓形折流板的作用下橫向流過管束，在殼側(cè)進(jìn)行Z形流動，加熱管內(nèi)給水。在蒸汽冷卻段的出口處，仍然保持一定過熱度的蒸汽進(jìn)入蒸汽凝結(jié)段，將蒸汽冷凝時釋放的汽化潛熱用來加熱管內(nèi)的給水。 凝結(jié)水進(jìn)入疏水冷卻段，將熱量傳遞給剛進(jìn)加熱器的給水[3]。

給水加熱器中，管束的排列方式、折流板的間距和缺口高度、折流板的不同的結(jié)構(gòu)形式，管板的厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對給水加熱器內(nèi)換熱介質(zhì)的流動與換熱均有影響。 雖然給水加熱器的結(jié)構(gòu)形式在電廠中已逐漸成熟，但其仍有許多結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強(qiáng)化傳熱的潛力空間。

原先換熱器優(yōu)化設(shè)計都是通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式。 通過實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到相應(yīng)的流動與傳熱的關(guān)聯(lián)式。 但由于實(shí)驗(yàn)方式需要耗費(fèi)較長的研發(fā)周期，同時也受到實(shí)驗(yàn)條件和成本的制約，且不能夠得到直觀的換熱器內(nèi)部的速度場與溫度場。 隨著數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)（CFD）這門學(xué)科已經(jīng)能夠應(yīng)用于航空航天、動力、水利、車輛等的外部流場和化學(xué)容器、鍋爐等內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)、燃燒、傳熱傳質(zhì)等很多領(lǐng)域[4]。 計算流體力學(xué)同樣能夠?qū)Q熱器進(jìn)行數(shù)值模擬研究，且很多學(xué)者通過數(shù)值模擬對換熱器進(jìn)行了較多的結(jié)構(gòu)與傳熱優(yōu)化的改進(jìn)。

英國學(xué)者Patankar與Spalding[5]最先將數(shù)值模擬應(yīng)用于管殼式換熱器殼側(cè)流場的研究。Habib[6]等對在周期性流動的通道內(nèi)的湍流流動提出了一種計算流動和傳熱的計算方法，即對質(zhì)量、動量和能量的時間平均守恒方程使用有限控制體積法一起求解，求解得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。 Prithiviraj和Andrews[7]對帶有弓形折流板的管殼式換熱器進(jìn)行了模擬研究，模擬中湍流效應(yīng)使用添加了附加源項(xiàng)的k-ε方程進(jìn)行模擬，計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所測結(jié)果符合較好。

在國內(nèi)，王定標(biāo)等[8，9]進(jìn)行了縱流殼程換熱器的三維結(jié)構(gòu)對殼程流動與換熱影響的數(shù)值模擬研究。 鄧斌[10]對弓形折流板、螺旋折流板、翅片管束式和板翅式換熱器進(jìn)行了殼側(cè)的三維數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，最大偏差為18%。 劉敏珊等[11]采用Fluent軟件對帶有單弓形折流板的管殼式換熱器殼側(cè)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后加強(qiáng)了換熱效果，減小了壓降損失。

本文以計算流體力學(xué)商用軟件Fluent為平臺，對給水加熱器的過熱蒸汽冷卻段的管內(nèi)外換熱性能進(jìn)行研究。 針對某廠的低壓給水加熱器的運(yùn)行工況條件進(jìn)行模擬計算，將模擬計算結(jié)果與該臺給水加熱器實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果評估模擬計算的可靠性。

1 給水加熱器過熱段的計算模型

1.1 幾何模型簡化

本文研究的過熱蒸汽冷卻段在給水加熱器中的包殼內(nèi)，包殼的截面是圓弧面。 圖1 為過熱蒸汽段的結(jié)構(gòu)示意圖。 結(jié)構(gòu)示意圖中，未畫出管板、管子支撐、拉桿和定距桿等部件，這些部件在換熱器換熱中影響不大，故省略。

圖1 過熱蒸汽段的結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 所示的過熱蒸汽段中在蒸汽入口處有一塊大折流板，后面的四塊為小折流板，上下布置，奇數(shù)塊折流板結(jié)構(gòu)相同，偶數(shù)塊折流板結(jié)構(gòu)相同。因過熱蒸汽段在給水加熱器中與蒸汽凝結(jié)段相通，故將包殼右側(cè)端面除去管束給水進(jìn)口的面積作為過熱蒸汽出口。 因過熱蒸汽段的幾何結(jié)構(gòu)滿足對稱性要求，故只取一半的模型進(jìn)行建模。 經(jīng)一定的幾何簡化，過熱蒸汽段的三維模型圖如圖2 所示。 表1 列出了過熱蒸汽段的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 過熱蒸汽段主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 過熱蒸汽段三維模型圖

為方便模擬計算，對過熱蒸汽段的物理模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕僭O(shè)[12]：

1）管內(nèi)外流體均為各向同性的，均勻連續(xù)的不可壓縮牛頓流體，且物性穩(wěn)定；

2）流體的流動與換熱均是穩(wěn)態(tài)的，不隨時間變化；

3）殼側(cè)與管側(cè)的流體在入口截面處速度和溫度分布均勻；

4）換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度而變化，為常數(shù)；

5）外殼與折流板均簡化為面，外殼與環(huán)境絕熱；

6）不考慮折流板與包殼、折流板與管壁之間的漏流，不考慮輻射換熱與重力影響。

1.2 幾何模型網(wǎng)格劃分

本論文是使用Ansys ICEM 軟件對簡化后的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在過熱蒸汽冷卻段，用八叉樹方法在管內(nèi)外生成了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以四面體網(wǎng)格為主。 因靠近管壁處的流體區(qū)域溫度梯度與速度梯度變化較大，故在近壁處劃分了以棱柱網(wǎng)格為主的邊界層網(wǎng)格。 圖3 和圖4 分別為管側(cè)的網(wǎng)格截面圖與殼側(cè)網(wǎng)格部分截面圖，圖5 為過熱蒸汽段的整體網(wǎng)格圖。

圖3 管側(cè)網(wǎng)格截面圖

圖4 殼側(cè)網(wǎng)格部分截面圖

圖5 過熱蒸汽冷卻段整體網(wǎng)格

1.3 物性參數(shù)及邊界條件的設(shè)置

根據(jù)廠家給出的實(shí)際產(chǎn)品的熱平衡圖，可以知道過熱蒸汽與給水的流量，過熱蒸汽進(jìn)口焓值，給水出口焓值。 過熱蒸汽段出口蒸汽溫度一般取高于冷凝溫度35℃，結(jié)合蒸汽側(cè)的壓力即可查得蒸汽出口的焓值，再根據(jù)熱平衡方程可求得給水進(jìn)口的焓值，又根據(jù)水側(cè)壓力，可查得給水進(jìn)口的溫度，則過熱蒸汽段的各個進(jìn)出口的溫度均可獲得。再根據(jù)工質(zhì)的溫度和壓力，通過軟件REFPROP即可查詢相應(yīng)的物性參數(shù)。 表2 為過熱蒸汽段的物性參數(shù)表。

表2 過熱蒸汽段物性參數(shù)表

換熱管壁的材料是不銹鋼，查得不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為16.6 W/（m·K），將污垢熱阻（0.00007 m2·K/W）折合到導(dǎo)熱系數(shù)上，則不銹鋼管壁的折合導(dǎo)熱系數(shù)為7.1 W/（m·K）。

在過熱蒸汽段，由于管內(nèi)外流體的流量已知，流體入口的實(shí)際面積已知，入口速度便可求出，選擇速度入口邊界條件。 出口設(shè)置為壓力出口，壓力出口邊界條件可以較好地解決回流問題。

湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，模型中的各個系數(shù)在Fluent軟件中保持默認(rèn)。 出入口湍流特征通過輸入湍流強(qiáng)度和水力直徑的方式來設(shè)置。

對于換熱管管壁，因管內(nèi)外都有流體，且在流體流動方向上，換熱管的溫度也是變化的，故將換熱管設(shè)置為耦合壁面。 對于包殼壁面與折流板，則設(shè)置為絕熱邊界條件。

2 計算求解的設(shè)置和對模擬收斂性的判斷

求解類型選用適用于低速不可壓流動的壓力基求解器，選用SIMPLE算法對控制方程進(jìn)行離散，選用一階精度的一階迎風(fēng)格式對控制方程中的對流項(xiàng)進(jìn)行離散。

在Fluent中對于模擬收斂性的判斷，主要有下列幾種方式：

1）監(jiān)視殘差的變化。 對于穩(wěn)態(tài)計算，要求所有控制變量的殘差低于所設(shè)定的殘差標(biāo)準(zhǔn)。 對于殘差曲線呈現(xiàn)水平不變的計算，單從殘差角度考慮，該計算是不收斂的。

2）監(jiān)測重要物理量的變化。 對于該流動換熱過程重要的物理量進(jìn)行監(jiān)測，若在計算過程中，監(jiān)測的物理量已經(jīng)保持基本不變，則可以認(rèn)為該計算收斂。

3）查看物理量平衡。 最常見的即是查看進(jìn)出口流體的質(zhì)量流量是否平衡。

在多數(shù)情況下，不能僅僅依靠監(jiān)測殘差來判斷計算是否收斂，需要運(yùn)用以上判別標(biāo)準(zhǔn)綜合進(jìn)行判斷。 圖6 為過熱蒸汽段的殘差收斂曲線。

圖6 過熱蒸汽段模擬殘差收斂曲線

過熱蒸汽段換熱過程的重要物理量是給水出口的溫度，在計算過程中，給水出口的溫度幾乎已經(jīng)保持不變，且管內(nèi)外的各自的進(jìn)出口流量已基本平衡，故可以認(rèn)為模擬計算已經(jīng)收斂。

3 過熱段數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

1.3 節(jié)已述及，根據(jù)廠家提供的實(shí)際產(chǎn)品的熱平衡圖可獲知或推算出實(shí)際產(chǎn)品的工質(zhì)在過熱段的進(jìn)出口溫度、傳熱系數(shù)等數(shù)據(jù)，本文稱之為工況值。 將模擬計算得到的結(jié)果與工況值進(jìn)行比對，以驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。 對比結(jié)果如表3 所示。

表3 過熱段模擬值與工況值比對

從表3 中所示的誤差來看，模擬值與工況值之間的誤差在10%以內(nèi)，滿足工程上的應(yīng)用要求，也同時表明對給水加熱器過熱段的模擬，采用上述計算模型的設(shè)置是適用的。

4 結(jié) 論

本文基于計算流體力學(xué)商用軟件Fluent，對給水加熱器過熱蒸汽冷卻段的管內(nèi)外換熱進(jìn)行數(shù)值模擬研究。 通過對物理模型的簡化，進(jìn)行合適的網(wǎng)格劃分，設(shè)置合理的邊界條件和求解計算的參數(shù)，根據(jù)綜合判斷準(zhǔn)則驗(yàn)證了數(shù)值計算的收斂。模擬計算結(jié)果與實(shí)際工況值結(jié)果誤差在工程應(yīng)用允許范圍內(nèi)，證明了將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于給水加熱器過熱段的可靠性，可為后續(xù)對給水加熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，強(qiáng)化換熱性能提供一定的參考。