柴油顆粒捕集器-煙氣換熱器集成設(shè)計(jì)與 性能仿真研究

李聿容，田 華，石凌峰，王 軒，張洪飛

（1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027）

2020年我國內(nèi)燃機(jī)全年累計(jì)銷量達(dá)到 4 681.31萬臺(tái)，位居世界第1[1]。內(nèi)燃機(jī)消耗了大量石油，并排出大量二氧化碳[2]。內(nèi)燃機(jī)輸出的機(jī)械功只占燃料燃燒總熱量的約40%，其余能量主要以缸套水和煙氣熱能的形式最終散發(fā)到大氣之中。內(nèi)燃機(jī)余熱回收系統(tǒng)利用動(dòng)力循環(huán)技術(shù)將內(nèi)燃機(jī)余熱轉(zhuǎn)化成部分機(jī)械功，是內(nèi)燃機(jī)節(jié)能技術(shù)中潛力最大的途徑之一[3-5]。其中，安裝在內(nèi)燃機(jī)排氣管路上的煙氣換熱器是用于吸收煙氣余熱的重要系統(tǒng)部件[6-8]。進(jìn)行煙氣換熱器與后處理設(shè)備的集成設(shè)計(jì)對(duì)余熱回收系統(tǒng)的小型輕量化具有重要意義。將顆粒捕集器與煙氣換熱器進(jìn)行集成式設(shè)計(jì)，通過增加煙氣冷卻環(huán)節(jié)，可以減小煙氣在顆粒捕集過程中的壓降，從而降低排氣背壓對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作的影響[9-12]。同時(shí)，排氣后處理系統(tǒng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱能為余熱回收系統(tǒng)提供額外熱量，可提高輸出功。另外，具有顆粒捕集功能的壁流式多孔壁面，可以替換煙氣換熱器的翅片結(jié)構(gòu)，從而減小系統(tǒng)體積。因此，煙氣換熱器與顆粒捕集器具備集成的潛力。目前國內(nèi)外缺乏相關(guān)研究，只有部分關(guān)于煙氣溫差發(fā)電與后處理的集成研究[13-14]。

本文設(shè)計(jì)一種柴油機(jī)煙氣顆粒捕集與換熱集成化裝置結(jié)構(gòu)，提出設(shè)計(jì)方案并分析其流動(dòng)與換熱特性，探索內(nèi)燃機(jī)煙氣換熱、后處理集成化設(shè)計(jì)的可行性。

1 結(jié)構(gòu)分析

1.1 集成設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)煙氣顆粒捕集功能，柴油顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）主要采用壁流式過濾結(jié)構(gòu)，煙氣進(jìn)入孔道后，經(jīng)過多孔介質(zhì)側(cè)壁的過濾進(jìn)入出口孔道流入大氣（圖1）。其突出優(yōu)點(diǎn)是捕集效率高，流動(dòng)阻力小[15]。

在諸多換熱器形式中，板翅式換熱器具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)[16]，且其以冷流體層和熱流體層為單元的多層疊加結(jié)構(gòu)，單側(cè)結(jié)構(gòu)較為靈活，對(duì)冷流體側(cè)結(jié)構(gòu)影響較小，適合作為顆粒捕集-換熱集成化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

本文將參考壁流式顆粒捕集器的功能性結(jié)構(gòu)特征，對(duì)板翅式換熱器的熱流體側(cè)進(jìn)行改造，使之在有限的煙氣壓降下兼具換熱與顆粒捕集功能，達(dá)到縮小部件總體積的目的。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顆粒捕集-換熱集成化結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于顆粒捕集-換熱集成化煙氣側(cè)在過濾時(shí)使用壁流式結(jié)構(gòu)，其出口孔道在入口段被端塞封堵，迫使煙氣從入口孔道流入；而入口孔道則在出口孔道處使用端塞封堵，迫使煙氣濾過多孔壁面。因此，集成化煙氣側(cè)結(jié)構(gòu)將具備與DPF相同的碳煙顆粒捕集功能；同時(shí)，板翅式換熱器的冷工質(zhì)側(cè)與煙氣逆向流動(dòng)換熱，可達(dá)到更好的換熱效果。

本文提出了4種煙氣側(cè)多孔壁面結(jié)構(gòu)，圖4為多孔壁面結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2示意，圖5為結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4示意。方型多孔壁面結(jié)構(gòu)1入口和出口孔道的上下表面均是金屬板，而左右都是平直的多孔壁面，這種結(jié)構(gòu)的流動(dòng)摩擦阻力較小[17]。該結(jié)構(gòu)是壁流式DPF與板翅式換熱器最簡單直觀的結(jié)合方式。

根據(jù)換熱器與DPF設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，多孔壁面表面積與孔道容積比值較高時(shí)，DPF流動(dòng)阻力較低。如采用四邊形孔道的DPF壓降小于采用六邊形孔道的DPF[18]。而金屬換熱壁面表面積與孔道容積比值較高時(shí)，換熱器會(huì)有更大的換熱面積，在同等體積下具有更出色的換熱性能。因此，為了增加孔道表面積與容積的比值，結(jié)構(gòu)2使用如圖4b)所示的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)2使用周長與面積比值更高的三角形作為入口與出口孔道的截面形狀，其多孔介質(zhì)橫截面為M型或W型，故下文稱之為W型多孔壁面。結(jié)構(gòu)2入口和出口孔道的1個(gè)側(cè)面為金屬板，其余2面為多孔壁面。這種瓦楞型的多孔壁面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較好，在形式上與板翅式換熱器中的波浪形翅片類似。相較于方型多孔壁面結(jié)構(gòu)1，W型多孔壁面表面積與孔道容積比值較高，煙氣濾過時(shí)流速更低，故濾過阻力更小，但是三角形孔道的流動(dòng)阻力較大，因此W型多孔壁面的壓降需進(jìn)行模擬計(jì)算。

結(jié)構(gòu)3與結(jié)構(gòu)4是在結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2基礎(chǔ)上，在金屬隔板處增加多孔介質(zhì)覆蓋填充，以強(qiáng)化換 熱和降低制造難度，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4比結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2具有更好的換熱性能和可能更大的流動(dòng)阻力。

本文將針對(duì)上述4種煙氣側(cè)結(jié)構(gòu)開展流動(dòng)換熱仿真，量化分析4種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，選擇出更適合顆粒捕集與換熱集成化的煙氣側(cè)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2 性能仿真

2.1 物理模型

為了量化分析4種煙氣側(cè)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)、換熱性能，各結(jié)構(gòu)尺寸保持統(tǒng)一，數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析均按照統(tǒng)一尺寸進(jìn)行。計(jì)算區(qū)域如圖6所示。結(jié)合板翅式換熱器與柴油顆粒捕集器的結(jié)構(gòu)尺寸，取煙氣側(cè)單元高度為5 mm，用于過濾的多孔壁面厚度為 1 mm，填充于金屬隔板處的多孔壁面厚度為0.5 mm，子通道長度統(tǒng)一為200 mm。方形通道結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3進(jìn)、出口孔道寬度均為3 mm；三角形孔道結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4底角為53°，進(jìn)、出口孔道對(duì)稱。

2.2 仿真模型

2.2.1 網(wǎng)格劃分

為了計(jì)算4種煙氣側(cè)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)、換熱性能，本文使用ANSYS Meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。并使用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。網(wǎng)格劃分選取各結(jié)構(gòu)最小的功能單元。計(jì)算結(jié)果以子通道單元的形式體現(xiàn)，便于在不同煙氣流量下進(jìn)行性能對(duì)比。采用方型多孔壁面的結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)3上下對(duì)稱，故取上部1/2為最小單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以減少網(wǎng)格數(shù)。網(wǎng)格劃分如圖7所示。

為了兼顧仿真計(jì)算的精度與節(jié)約計(jì)算資源，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。對(duì)于方型多孔壁面，分別使用網(wǎng)格尺度為0.10～0.75 mm進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)分別為24 831、62 000、121 500、223 445、360 800、724 000、1 474 298、4 588 000，結(jié)果如圖8所示。分析結(jié)果顯示，方型多孔壁面選擇網(wǎng)格尺度為0.25 mm，網(wǎng)格數(shù)為360 800，平均正交質(zhì)量為0.978的網(wǎng)格，可兼顧提高計(jì)算精度與節(jié)約計(jì)算資源。

對(duì)于W型多孔壁面，網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)分別為47 880、118 800、213 500、674 400、1250 000、2 602 016，結(jié)果如圖9所示。最終選擇尺度為 0.25 mm，網(wǎng)格數(shù)為674 400的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，平均正交質(zhì)量為0.954。

2.2.2 數(shù)值仿真模型建立

在數(shù)值模擬計(jì)算中煙氣符合連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，符合連續(xù)性方程與動(dòng)量守恒方程：

x方向動(dòng)量守恒方程：

y方向動(dòng)量守恒方程：

z方向動(dòng)量守恒方程：

式中：u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的速度分量；p為壓力。

根據(jù)初期設(shè)計(jì)與試算，煙氣在孔道內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)以層流為主，但在部分區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)過渡流與湍流。因此，在FLUENT仿真中，須啟用湍流模型以提高結(jié)果的準(zhǔn)確度。根據(jù)本文中流場與多孔介質(zhì)的實(shí)際情況，本文采用Realizablek-ε[19]進(jìn)行計(jì)算。多孔介質(zhì)載體的參數(shù)均參考文獻(xiàn)[20]。為了反映實(shí)際情況，煙氣與工質(zhì)的物性均采用使用MATLAB擬合工具箱調(diào)用REFPORP擬合的分段多項(xiàng)式。其中，煙氣物性采取表壓為3 kPa時(shí)，定壓比熱容、動(dòng)力黏度、密度與熱導(dǎo)率隨著溫度變化的多項(xiàng)式。

液態(tài)水的物性參考?jí)毫楸韷?00 kPa。金屬壁面的粗糙度統(tǒng)一設(shè)置為Ra10，并設(shè)置必要的絕熱壁面、對(duì)稱邊界、porous-jump等一干邊界條件，在多孔介質(zhì)壁面與金屬壁面的接觸處設(shè)置相應(yīng)的接觸熱阻等，其他仿真設(shè)置均參考文獻(xiàn)[20]。本文主要關(guān)注顆粒捕集-換熱集成化結(jié)構(gòu)的壓降與傳熱性能，故文中雖考慮顆粒捕集功能，但使用無顆粒的煙氣進(jìn)行仿真，不涉及載碳量計(jì)算和活化再生過程的仿真。

2.2.3 模型驗(yàn)證

借助實(shí)驗(yàn)室內(nèi)燃機(jī)余熱回收實(shí)驗(yàn)臺(tái)架所測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。驗(yàn)證的部件包括1臺(tái)煙氣換熱器和1臺(tái)蜂窩壁流式DPF，結(jié)果如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11可見，煙氣換熱器壓降平均誤差為9.9%，多孔壁面壓降平均誤差為4.7%。模型精度較高，滿足仿真要求。

2.3 仿真工況選取

為了對(duì)比4種結(jié)構(gòu)的壓降與換熱性能，本文選取設(shè)計(jì)工況與煙氣流量高、低的非設(shè)計(jì)工況，共 3組工況進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)工況[21]：煙氣入口溫度為789 K，煙氣質(zhì)量流量為6×10-5kg/s；工質(zhì)為空氣，入口溫度為373 K，工質(zhì)的質(zhì)量流量為1×10-4kg/s。

煙氣流量減小的工況：煙氣質(zhì)量流量為3×10-5kg/s；工質(zhì)為空氣，入口溫度為373 K，工質(zhì)的質(zhì)量流量為5×10-5kg/s。煙氣流量增加的工況：煙氣入口溫度為789 K，煙氣質(zhì)量流量為2×10-4kg/s；工質(zhì)改為液態(tài)水，入口溫度變?yōu)?00 K，工質(zhì)的質(zhì)量流量為4×10-4kg/s。

3 結(jié)果分析

為了分析顆粒捕集-換熱集成化煙氣側(cè)結(jié)構(gòu)的壓降和換熱性能，對(duì)煙氣進(jìn)出口溫度、工質(zhì)進(jìn)出口溫度、煙氣壓降、換熱量等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比析。

3.1 設(shè)計(jì)工況

設(shè)計(jì)工況下4種結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如表1與圖12所示。由圖12可見：設(shè)計(jì)工況下，4種結(jié)構(gòu)的換熱量相近，在金屬隔板處設(shè)置多孔翅片的結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4平均換熱量比結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2高4.0%；采用W型多孔壁面的結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)4換熱量比方型多孔壁面僅高0.7%。在隔板處設(shè)置多孔翅片的結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4壓降比結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2高12%，采用方型多孔壁面的結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)3比結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)4壓降平均降低11.5%。結(jié)構(gòu)4獲得了23.95 W換熱量，但壓降達(dá)到2 452.01 Pa，較其余工況壓降均值高約20%。

表1 設(shè)計(jì)工況4種結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果 Tab.1 Simulation results of four structures under design condition

可見，結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4因加設(shè)多孔翅片，導(dǎo)致壓降增大，但換熱量提高程度很小。

3.2 體積計(jì)算

為了分析集成化結(jié)構(gòu)在體積上是否有優(yōu)勢，選取參考文獻(xiàn)[18]中的DPF數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比，其DPF多孔介質(zhì)載體直徑為144 mm，長度為153 mm，體積為2 492 cm3。根據(jù)設(shè)計(jì)工況下仿真所得子通道壓降，選取參考文獻(xiàn)[18]中實(shí)驗(yàn)氣體體積流量為6 m3/min的工況，其壓降為1 890 Pa，僅略低于本文壓降最低的結(jié)構(gòu)1（1 942.54 Pa）。已知本文中壓降最高的結(jié)構(gòu)4比DPF壓降高約560 Pa?，F(xiàn)設(shè)煙氣換熱器壓降為560 Pa，經(jīng)過計(jì)算，對(duì)應(yīng)壓降的板翅式換熱器煙氣側(cè)體積為1 993 cm3，與DPF體積相加之和為4 485 cm3。顆粒捕集-換熱集成化裝置煙氣側(cè)體積為2 517 cm3，比二者之和低43.88%。4種結(jié)構(gòu)各部分體積如表2、圖13所示。

表2 集成前與集成后裝置體積評(píng)估 Tab.2 Volume evaluation for the equipment before and after integration

顆粒捕集-換熱集成化結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)DPF壓降低，其原因在于集成化結(jié)構(gòu)中，煙氣經(jīng)過冷卻，密度減小，流速降低，流動(dòng)阻力下降。而傳統(tǒng)DPF幾乎沒有冷卻過程，其煙氣壓降較高。

經(jīng)過上述體積評(píng)估，可見在相同的設(shè)定壓降下，顆粒捕集-換熱集成化煙氣側(cè)結(jié)構(gòu)體積比DPF與板翅式換熱器煙氣側(cè)體積之和有大幅減小。可見，在金屬隔板處設(shè)置多孔翅片的方型多孔壁面具有最佳的綜合性能。

3.3 非設(shè)計(jì)工況計(jì)算

在煙氣流量減小工況中，煙氣質(zhì)量流量改為3×10-5kg/s，工質(zhì)質(zhì)量流量為5×10-5kg/s。在煙氣流量增加工況中，煙氣質(zhì)量流量較設(shè)計(jì)工況提高3倍以上，煙氣入口溫度仍為789 K。為增強(qiáng)冷卻能力，冷側(cè)工質(zhì)改為液態(tài)水，入口溫度為300 K，質(zhì)量流量為4×10-4kg/s，出口仍為液態(tài)。仿真結(jié)果如表3、圖14、表4、圖15所示。為了評(píng)估各結(jié)構(gòu)的綜合性能，本文使用單位壓降換熱量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表4 高流量工況仿真結(jié)果 Tab.4 Simulation results under high flow rate condition

由表3、圖14可見：在煙氣流量減小工況下，4種結(jié)構(gòu)之間的換熱量差距進(jìn)一步減小，采用W型多孔翅片的結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)4換熱量比方型高2.1%，比較設(shè)計(jì)工況的0.7%有所提高；在金屬隔板處加設(shè)多孔介質(zhì)壁面的結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4換熱量提高2.1%，較設(shè)計(jì)工況的4%有所降低。在隔板處設(shè)置多孔翅片的結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4壓降比結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2提高18%，而W型多孔壁面比方型多孔壁面增加壓降15%。在煙氣流量減小工況中，隔板處的多孔壁面對(duì)提高換熱量的貢獻(xiàn)很低，但會(huì)造成壓降的明顯增加。結(jié)構(gòu)1的單位壓降換熱量為1.56×10-2W/Pa，在4種結(jié)構(gòu)中綜合性能最優(yōu)。

表3 低流量工況仿真結(jié)果 Tab.3 Simulation results under low flow rate condition

由表4、圖15可見：在煙氣流量增加工況下，4種結(jié)構(gòu)之間表現(xiàn)出較大的性能差異，其中結(jié)構(gòu)3的單位壓降換熱量為2.61×10-2W/Pa，在4種結(jié)構(gòu)中綜合性能最優(yōu)；結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4由于在金屬隔板處加設(shè)了多孔介質(zhì)翅片，換熱量較結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2平均高10%。方型多孔壁面壓降與W型多孔壁面相比較小，結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)3的壓降較結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)4平均低17.5%。然而在煙氣流量增加工況下，布置多孔翅片結(jié)構(gòu)具有更低的流動(dòng)壓降，結(jié)構(gòu)4流動(dòng)壓降較結(jié)構(gòu)2低9.3%，結(jié)構(gòu)3流動(dòng)壓降較結(jié)構(gòu)1低10.3%。這是由于煙氣被冷卻后密度增加，流速減慢，流動(dòng)損失減小。因此，換熱能力更強(qiáng)的翅片結(jié)構(gòu)獲得了更小的阻力損失。由此可見，換熱能力與流動(dòng)損失并無單調(diào)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，而是存在換熱能力強(qiáng)且流動(dòng)阻力小的結(jié)構(gòu)。

高流量非設(shè)計(jì)工況中冷側(cè)工質(zhì)的入口溫度為300 K。圖16反映了4種結(jié)構(gòu)的煙氣出口溫度與 300 K間的差距。結(jié)構(gòu)3的煙氣出口溫度與300 K差值最低，并且差值小于設(shè)計(jì)工況中換熱性能最好的結(jié)構(gòu)4；同時(shí)結(jié)構(gòu)1的換熱性能也優(yōu)于結(jié)構(gòu)2。這表明，在流量較高工況下，方型多孔壁面在壓降較低的同時(shí)還具有更強(qiáng)的換熱性能。

4 結(jié) 論

本文分析并結(jié)合壁流式DPF與板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了2類4種具有顆粒捕集功能的集成化換熱器煙氣側(cè)結(jié)構(gòu)；并使用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況以及高、低流量3個(gè)工況下的流動(dòng)與傳熱性能，并進(jìn)行了評(píng)估。

1）結(jié)合壁流式DPF功能優(yōu)勢的顆粒捕集-換熱集成化煙氣側(cè)多孔結(jié)構(gòu)，具有良好的流動(dòng)與換熱性能。4種集成化煙氣側(cè)多孔結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下可以節(jié)約煙氣側(cè)體積43.9%～49.7%。在相同的壓降下，顆粒捕集-換熱集成化結(jié)構(gòu)具有顯著的體積優(yōu)勢。

2）在設(shè)計(jì)工況中，W型多孔結(jié)構(gòu)對(duì)比方型多孔壁面結(jié)構(gòu)換熱能力提高0.7%，壓降提高12%，效果較差。在隔板處設(shè)置多孔翅片，可以提高換熱量5%，壓降提高13%。結(jié)合體積分析，在設(shè)計(jì)工況下，金屬隔板處無填充的方型多孔壁面具有最優(yōu)的流動(dòng)、換熱性能。

3）在流量減少的非設(shè)計(jì)工況中，W型多孔壁面對(duì)換熱提高有所增加，在隔板處增加多孔翅片，壓降升高較多，換熱提高不明顯。在流量增加的非設(shè)計(jì)工況中，在隔板處設(shè)置多孔翅片可以提高換熱量10%并降低壓降約10%。隔板處設(shè)置多孔翅片的多孔壁面結(jié)構(gòu)，可以在提高換熱效率的同時(shí)降低壓降，更好地滿足余熱回收部件小型、高效、輕量的設(shè)計(jì)需求。