燃氣輻射管換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與數(shù)值模擬研究

高軍，李衛(wèi)東，袁玲，高健，陳新

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3. 鞍鋼股份有限公司冷軋硅鋼廠，遼寧 鞍山 114021）

燃氣輻射管加熱器是利用輻射管燒嘴產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱⑤椛涔芗訜幔倮幂椛涔軐崃總鬟f給產(chǎn)品，實現(xiàn)對產(chǎn)品的間接加熱。隨著產(chǎn)品質(zhì)量和性能要求不斷提高，輻射管間接加熱技術(shù)在工業(yè)熱處理爐領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。 換熱器是輻射管的主要結(jié)構(gòu)之一，其作用是回收煙氣余熱用于提高空氣溫度，換熱器預(yù)熱空氣溫度直接影響著輻射管的熱效率和壁面溫度均勻性，增加空氣預(yù)熱溫度可以節(jié)約燃氣、提高加熱質(zhì)量[1]。因此，如何提高換熱效率，提高助燃空氣的預(yù)熱溫度，降低排放煙氣的溫度，是輻射管換熱器和自身預(yù)熱式燃燒器研究的焦點[2]。尤其在準確匹配輻射管功率的前提條件下，如何提高換熱器換熱效率，需要針對有效地增加換熱比表面積、增加換熱行程、優(yōu)化輻射管換熱器結(jié)構(gòu)等做更加深入的研究。

1 高效換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及特性

目前輻射管換熱器按結(jié)構(gòu)主要有噴流式輻射管換熱器[3]、折流板式輻射管換熱器[4]、扭帶插入件輻射管換熱器[5]、帶煙氣回流的輻射管換熱器及W 型輻射管換熱器[6]等。 盡管有的輻射管換熱器換熱壁面積有所增大，但存在其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輻射管內(nèi)有限空間利用率低、換熱器換熱比表面積不高、換熱器行程設(shè)計不合理造成一定流動死區(qū)等問題，仍缺乏換熱性能較好的輻射管換熱器。本文采用換熱管簇設(shè)計，增加有效換熱面積，提升換熱器的換熱效率，大幅提高助燃空氣溫度。

1.1 高效換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

換熱器位于輻射管排煙段，包括換熱管簇、折流板裝置、引射裝置和排煙管。該換熱器的行程為：煙氣為一行程，煙氣由煙氣進口流入換熱管簇，經(jīng)換熱后大部分煙氣由煙氣排出口排出，少量煙氣與助燃熱空氣進入引射管由助燃空氣出口排出；助燃空氣為多行程，由助燃空氣進口流入換熱器，與換熱管簇中的煙氣進行一次逆流換熱，經(jīng)折流板折返至煙氣入口端板后匯流到中心空氣換熱管中，接著與前段行程的空氣進行二次逆流換熱，預(yù)熱后從助燃空氣出口排出。 助燃空氣經(jīng)過預(yù)熱后由噴咀噴出，同時由于噴咀的高速噴射作用，使得在噴咀口附近形成了負壓區(qū)，部分煙氣被熱空氣卷吸進入燒嘴中。 換熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic Diagram for Structure of Heat Exchanger

換熱器類型選擇管殼式換熱器，其中輻射管排煙段本體作為所設(shè)計換熱器的殼體。 由于逆流換熱的換熱溫差大，換熱效果好，因此，采用逆流圖2 所示。換熱。 煙氣易結(jié)垢，為方便清理，設(shè)計為煙氣在管程側(cè)流動，空氣在殼程流動。換熱器流程示意圖如

圖2 換熱器流程示意圖Fig. 2 Flow Diagram for Heat Exchanger

1.2 高效換熱器特性

（1）輻射管換熱器通過設(shè)計換熱管簇，大幅增加了有效換熱面積，提高了換熱系數(shù)，達到了強化換熱的效果。

（2）換熱管簇和中心空氣換熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得助燃空氣先與煙氣逆流換熱，后又與前段行程的空氣進行二次換熱，大大增加了空氣的換熱行程和換熱時間，提高了空氣側(cè)的換熱系數(shù)，整體上提高了換熱器的換熱效率。

（3）設(shè)計合理的可拆裝引射噴咀和引射管，實現(xiàn)了助燃熱空氣抽吸一定煙氣量，使得輻射管燒嘴在運行過程中實現(xiàn)煙氣自循環(huán)，既有利于燃燒器實現(xiàn)低氧燃燒，又可以提高熱回收率，達到節(jié)能減排的目的。

通過數(shù)值模擬對換熱器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，進而優(yōu)化換熱器的設(shè)計。

2 輻射管換熱器數(shù)值模擬結(jié)果及分析

采用ANSYSFLUENT 軟件進行數(shù)值模擬，研究該換熱器的換熱管長度、折流板數(shù)目、形狀和引射器尺寸的變化，進而對換熱器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

2.1 換熱管長度的影響

以弓形折流板及折流板數(shù)目5 個為研究變量，換熱器弓形折流板分布圖如圖3 所示。

圖3 換熱器弓形折流板分布圖Fig. 3 Distribution Map for Arch Baffles of Heat Exchanger

考慮換熱器中換熱管的長度與輻射管結(jié)構(gòu)相關(guān)，基于設(shè)計參數(shù)，研究長度為580 mm 和600 mm的換熱管對換熱器性能的影響, 兩種換熱管對稱面溫度場云圖見圖4。

圖4 兩種換熱管對稱面溫度場云圖Fig. 4 Temperature Field Cloud Chart for Symmetry Planes of Two Types of Heat Exchange Tubes

從圖4 可以看出，煙氣從換熱管一端入口進入以后，溫度逐漸下降，而空氣由殼程入口進入以后逐漸升高，溫升梯度相對煙氣比較小，且最終空氣出口溫度要低于煙氣出口溫度。 結(jié)果表明，580 mm長度的換熱管空氣溫度從298.0 K 升至707.6 K，煙氣溫度由1 238.0 K 降為643.8 K；600 mm 長度的換熱管空氣溫度從298 K 升至709.9 K，煙氣溫度由1 238.0 K 降為643.1 K。 說明換熱管長度在0～20 mm 的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，換熱器的換熱性能隨著換熱管的長度增加而增加。因此，在有限的換熱空間內(nèi)選擇長度為600 mm 的換熱管。

2.2 折流板數(shù)目影響

以弓形折流板為例進行研究。 增加弓形折流板的數(shù)目，換熱器換熱性能增加，但增加百分比較小，而換熱器殼程壓降增大，即流動阻力增大，不利于換熱器正常運行。 出口空氣和煙氣溫度隨折流板數(shù)目變化關(guān)系見圖5，空氣和煙氣進出口壓降隨弓形折流板數(shù)目變化關(guān)系見圖6。

圖5 出口空氣和煙氣溫度隨折流板數(shù)目變化關(guān)系Fig. 5 Relationship between Temperature of Outlet Air and Fume and Changes of Numbers of Baffles

圖6 空氣和煙氣進出口壓降隨弓形折流板數(shù)目變化關(guān)系Fig.6 Relationship between Pressure Falling of Air and Fume at Inlet and Outlet and Changes of Numbers of Arch Baffles

從圖5、 圖6 可見，當(dāng)弓形折流板個數(shù)為3時，空氣溫度從298.0 K 升至694.3 K，煙氣溫度由1 238.0 K 降為661.8 K。 綜合考慮換熱效果和換熱流體的流動阻力，采用3 個弓形折流板既能保證達到所需的換熱效果，又不會增加太多阻力。

2.3 折流板式形狀影響

換熱器采用螺旋折流板時，選取整個模型作為研究對象。 其中，螺旋折流板的螺距是90 mm，螺旋數(shù)為5，總長450 mm，中心空氣換熱管長度為550 mm，換熱管長度為600 mm。 網(wǎng)格總體數(shù)量為549 萬，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.32。 圖7 為螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖8 為YZ 平面溫度場云圖。

圖7 螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Schematic Diagram for Structure of Heat Exchanger with Spiral Baffle

圖8 YZ 平面溫度場云圖Fig. 8 Temperature Field Cloud Chart for YZ Plane

通過對比可以看出，螺旋折流板換熱器管內(nèi)的高溫區(qū)長度明顯比弓形折流板換熱器的高溫區(qū)范圍小，表明在煙氣流動方向上相同距離條件下，螺旋折流板換熱器的煙氣溫降更大，其換熱效果更好。 模擬結(jié)果表明，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)條件相同下，螺旋折流板換熱器的空氣溫度從298.0 K 升至744.6 K，煙氣溫度由1 238.0 K 降為564.4 K,螺旋折流板換熱器的換熱性能優(yōu)于弓形折流板換熱器的性能。

2.4 換熱器引射器尺寸變化

煙氣自循環(huán)結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)簡單、維護和操作方便的流體輸送裝置，它以高壓流體流經(jīng)引射噴嘴而形成的高速射流作為動力，引射另一種低壓流體，并在裝置中進行動量交換，得到中等壓力的混合流體[7]。 引射器設(shè)計的主導(dǎo)方法仍然是采用定壓混合假設(shè)和定常面積混合假設(shè)這兩種理論。目前已有很多關(guān)于引射器的研究，大多數(shù)研究都將引射器和燃燒器配合使用，形成引射式燃燒器[8]。

由于受到設(shè)備外形尺寸的限制，本研究將采用無擴散器的煙氣自循環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣混合氣體出口速度也較高，噴射進入燃燒器后能卷吸更多的煙氣回流，達到更理想的低氧燃燒效果[9]。

圖9 為引射器的結(jié)構(gòu)及氣體流向示意圖，由于空氣管直徑由30 mm 變?yōu)?8 mm，管內(nèi)氣體流速逐漸增大，噴咀口的流速為141 m/s，噴咀口周圍因高速氣體流過形成負壓，因此空氣卷吸部分煙氣一起由空氣出口排出，剩余煙氣則由煙氣口排出，形成了煙氣自循環(huán)，從而實現(xiàn)降低NOx 的目的。

圖9 引射器氣體流向示意圖Fig. 9 Schematic Diagram for Flow Direction of Gas in Ejector

在模擬過程中，主要研究引射器中噴咀口直徑和噴咀口直徑距離殼體內(nèi)壁面距離變化對引射效果的影響。

2.4.1 空氣噴咀口直徑對空氣壓降的影響

結(jié)合引射器設(shè)計原理，在保持空氣入口直徑不變的前提下，分別對空氣噴咀口直徑為18，21，24，27 mm 進行研究，最終結(jié)果見表1。

表1 空氣噴咀口直徑對空氣壓降的影響Table 1 Effect of Air Nozzle Orifice Diameter on Pressure Falling of Air

從表1可知，隨著噴咀口直徑逐漸增加，空氣流速和空氣壓降逐漸降低。研究結(jié)果顯示，當(dāng)噴咀口直徑為18 mm 和21 mm 時，空氣壓降分別為4 600 Pa和2 200 Pa，同時流速也較高；當(dāng)噴咀口直徑為27 mm 時，噴咀口空氣流速為475 m/s；只有當(dāng)噴咀口直徑為24 mm 時，空氣壓降為1 025 Pa、流速為77.799 3 m/s 時，效果最好。

2.4.2 引射器和噴咀口距離殼體內(nèi)壁面距離變化對引射效果的影響

在模擬過程中，設(shè)計引射器空氣入口直徑為24 mm。 其中噴咀口直徑距離殼體內(nèi)壁面距離分別為2.5，0，-2.5，-5 mm。模擬結(jié)果表明，在引射器設(shè)計中，煙氣出口壓力對煙氣循環(huán)率有重要影響，但是對于空氣壓降并沒有明顯影響。優(yōu)選設(shè)計為引射噴咀口直徑為24 mm，噴咀口與殼體內(nèi)壁面距離為2.5 mm，煙氣出口壓力控制在-1 500 Pa 左右?？筛鶕?jù)實際情況和需要實時調(diào)節(jié)，以滿足合理的煙氣循環(huán)和燃燒器運行工況。

3 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬分析，輻射管換熱器的換熱性能隨著換熱管長度增加而增加，在有限的換熱空間內(nèi)盡可能增加換熱管長度； 折流板數(shù)目要綜合考慮換熱效果和換熱流體的阻力，既要保證換熱效果，又不能增加太多阻力。換熱器的引射器噴咀口直徑和噴咀口距離殼體內(nèi)壁面距離變化對引射效果影響較大，隨著噴咀口直徑逐漸增加，速度和壓降逐漸降低； 噴咀口距離殼體內(nèi)壁面距離對煙氣出口壓力及煙氣循環(huán)率有重要影響，合理的距離才能保證煙氣循環(huán)率。

（2）換熱器結(jié)構(gòu)選取最優(yōu)設(shè)計，采用在有限的換熱空間內(nèi)選擇長度為600 mm 的換熱管；增加折流板的數(shù)目，換熱器換熱性能增加，但流動阻力增大，因此，折流板數(shù)目選用為3 個；設(shè)計引射噴咀口直徑為24 mm，噴咀口與殼體內(nèi)壁面距離為2.5 mm，煙氣出口壓力控制在-1 500 Pa 左右，滿足引射適量煙氣，實現(xiàn)煙氣自循環(huán)，達到節(jié)約燃氣、提高加熱質(zhì)量，降低NOx 的目的。