基于FLUENT 的連桿正火余熱回收工藝研究

陳尚輝， 陳 輝， 陳浩宇， 商 麗， 賈維維

（1.沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168； 2.沈陽城市建設學院， 遼寧 沈陽 1100167）

0 引言

人類文明的發(fā)展史是一部能源利用史[1]，能源轉型是人類能源利用發(fā)展史進步的里程碑， 從傳統(tǒng)能源到新型能源，人類對能源的開發(fā)和利用從未止步。 在我國北方“煤改氣” 政策的嚴格推動下， 天然氣的消耗量與日俱增[2]。2022 年中國天然氣消耗量3786 億m3占總能量消費總量的8.5%[3]。 當今世界上，中國是最大的制造業(yè)國家，工業(yè)所消耗的能源占社會總耗能的70%[4]。 2020 年9 月，中國做出保證，力爭2030 年CO2含量達到峰值，2060 年前實現(xiàn)碳中和[5]。

我國學者張俊月等[6]設計以通過地埋管儲熱系統(tǒng)跨季節(jié)儲存工業(yè)余熱的新方案，費用為42.5￥/GJ，低于燃氣采暖價格。 郭放等[7]搭建基于小時級熱量流動的太陽能采暖系統(tǒng)模型， 給出太陽能采暖系統(tǒng)最優(yōu)集熱面積為4838m2。學者宮志達等人利用TRNSYS 軟件開發(fā)了全新的有機朗肯循環(huán)組件，搭建回收125℃工業(yè)余熱的模型，運行效益高，其年凈輸出功可達116280kW·h[8]。 Chatzopoulou 等[9]研究了中小型ORC 發(fā)動機的非設計性能。 結果表明，在非設計條件下，螺桿式膨脹機的效率降低3%，活塞式膨脹機效率提高了16%。 Tariq Haseeb 等[10]認為余熱回收是降低工業(yè)過程中能耗的重要替換方案， 在翅片延長換熱器中使用氧化石墨烯納米流體進行余熱回收， 使用ANSYS Fluent 和k-omega 湍流模型對廢氣流動進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值研究。 學者孫健等人設計一種將吸收循環(huán)和壓縮式循環(huán)深度耦合的新型機組， 解決以溴化鋰溶液為工質(zhì)的吸收式制冷機無法制取0℃以下冷卻鹽水的技術難題[11-12]。

白城中一精鍛股份有限公司， 連桿在中頻感應加熱時，利用熱泵、工藝水池、換熱器等設備對中頻爐冷卻，增加中頻爐使用年限以及富集熱量。汽車連桿鍛造后，直接正火冷卻，大量的熱排放到空氣中，造成熱污染?，F(xiàn)今，數(shù)值模擬成熟， 可將900℃～600℃的高溫余熱回收利用，一則，用于生活用水、冬季供暖以及連桿酸洗工藝；二則，一天生產(chǎn)7.5 萬件，連桿空冷到600℃，產(chǎn)生余熱為5750kW，相當于706kg 標準煤， 其中不包括相變產(chǎn)生的熱量。 本文， 利用FLUENT 軟件對連桿的余熱的回收的設備的仿真驗證， 對連桿下一步正火余熱回收系統(tǒng)構建做可行性研究。

1 正火工藝與實測冷卻曲線

中一精鍛公司，總占地面積6.5 萬m2，目前連桿毛坯生產(chǎn)線規(guī)模達10 條， 年產(chǎn)連桿達2000 萬套， 如圖1 所示，精鍛連桿件，質(zhì)量為1kg，大孔徑52mm+0.01mm、小孔徑20mm+0.01mm、中心距為136mm+0.01mm，桿身厚度為13mm，大頭與小頭厚度均為17mm，原材料采用德國產(chǎn)中碳合金鋼46MnVS5。

圖1 精鍛連桿件

剪切機將棒料剪切成1kg 的毛坯料， 選 用2500Hz 的中頻感應爐加熱至1200℃～1240℃，通過自動輥鍛機，鍛成長條方形，在電液錘模鍛機指定位置上進行模鍛、精鍛機上熱精鍛，切邊沖孔在切邊機與沖孔機上處理，鍛造結束后的連桿溫度保持在900℃左右，在自由流動的空氣中均勻冷卻，析出珠光體和鐵素體組織，再經(jīng)過常溫拋丸處理，除去表面的氧化皮雜質(zhì)，提高觀感質(zhì)量，磁粉探傷、脹斷處理，最后包裝入庫，如圖2所示。

連桿在空氣中冷卻，得到組織結構為鐵素體（≤25%）與珠光體， 相變放熱析出F+P 組織結構的過程， 即為正火，它是保證非調(diào)質(zhì)鋼的機械性能的一種熱處理方式。夏季時，天氣炎熱，鐵素體組織含量多，珠光體組織含量少，材料的強度、硬度低，如圖3 所示使用風冷設備加速連桿冷卻， 增加材料的強度、硬度。 冬季的白城，溫度低于零下，直接在空氣中冷卻即可保證組織結構。

圖3 風冷設備

為驗證正火余熱回收的有效性，對鍛造后的連桿的溫度進行測定，使用儀器為紅外測溫儀EX-3（400℃～2200℃）測出連桿件冷卻曲線， 在春季 （測定時間為上午10：00， 環(huán)境平均溫度為5℃）對現(xiàn)場生產(chǎn)過程進行了溫度的測試，每隔30s 測定一次，測定時間為11min，測量23 次。 把對應時刻的溫度連成線如圖4 所示。

圖4 實測正火冷卻曲線

由圖4 觀察出：圖中有三個轉折點，210s 時， 鐵素體開始析出，270s 時，鐵素體析出完成， 珠光體開始析出，540s 時，珠光體析出完成。 冷卻到210s 時，溫度從895℃降低到675℃左右，測定冷卻速度保持不變，則平均冷卻速度為1.04℃/s。從270s 到540s 之間，說明連桿內(nèi)部發(fā)生相變反應，相變放熱，溫度保持恒定，冷卻速度0～0.4℃/s 之間。

連桿冷卻平均速度v（℃/s）邊界條件定義為：

式中：△T—溫度差（℃）；△t—時間差（s）。

由數(shù)學模型可知，把連桿正火的冷卻可以分為兩個階段，第一階段（900～650℃），連續(xù)冷卻階段，第二個階段為固相轉變階段，析出鐵素體與珠光體的時間，內(nèi)部能量釋放方式通常是通過熱釋放， 外界的吸收的熱量等于組織內(nèi)部釋放的熱量。

2 仿真概述

2.1 軌道截面式換熱器

設計新型換熱器，目的回收連桿正火時的余熱。為了增大連桿與空氣的接觸面積，將連桿立起來，使連桿大頭朝上，小頭朝下。如圖5 所示，換熱器截面白色區(qū)域（空氣域）的上方，面積較大，因要在空間上方內(nèi)置帶有倒鉤的滾子運輸鏈，通過機械臂智能識別連桿的大頭，將之掛在倒鉤上。 再則為了保證連桿均勻冷卻，依據(jù)連桿的外形，把換熱器的外形設計成軌道截面式， 其中換熱器長1000mm，高429.5mm，寬270mm，換熱器的內(nèi)側換熱板片材質(zhì)一般為0Cr19Ni9，壁厚3mm，壁面之間為水路。 因金屬熱傳導性能優(yōu)越， 防止外層金屬板片因熱量傳遞過早冷卻， 不利于余熱富集， 在換熱器的外殼加上一層保溫層， 提高熱量回收效率。 圖中淺色截面部分為保溫層，厚30mm，保溫層材料選用阻燃聚苯乙烯泡沐塑料，密度不小于23kg/m3。 換熱器主體下方的兩個管路為進水口，管路上方的管路為出水口。模擬連桿在箱體內(nèi)移動，以溫度邊界條件（1），進行仿真。

圖5 軌道截面式換熱器XZ 平面剖視圖

2.2 FLUENT 概述

Fluent 是計算流體力學（computational fluid dynam ics，CFD）軟件，采用方程離散的數(shù)值方法對流體的流動與傳熱進行數(shù)值模擬和分析。 離散的數(shù)值方法即是有限體積法，其方程是基于積分的守恒方程，其描述的是計算網(wǎng)格定義的每一個控制體。離散后的方程，一般通過壓力與速度耦合求解算法。 Fluent 仿真流程如圖6 所示。

圖6 仿真流程

2.3 傳熱方程

連桿在換熱器內(nèi)移動，發(fā)生以下物理現(xiàn)象：①連桿與箱體內(nèi)空氣發(fā)生自然對流現(xiàn)象；②連桿主要向箱體壁輻射熱量；③空氣與箱體壁發(fā)生熱傳遞想象；④水域與水發(fā)生熱交換。 結果導致，連桿溫度下降， 水域溫度上升。 在求解連桿正火冷卻時溫度分布時，不同系統(tǒng)之間熱量傳遞關系通過廣義的傳熱方程來進行控制，其式（2）如下：

式中：ρ—密度；e—比內(nèi)能；v—流速； keff—有效導熱率；▽T—溫度梯度；J→j—物質(zhì)j 擴散通量；τˉeff—有效應力張量；v→—速度矢量；Sh—體積熱源。

方程左側第一項描述了內(nèi)能和動能隨時間的變化，左側第二項表示動量的變化率， 方程右側第一項表示能量傳遞，通過傳導方式從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞，第二項表示物質(zhì)的擴散， 第三項描述了由于粘性和剪切應力而引起的動量傳遞。 最后一項，描述了可能存在的熱源。

在固體區(qū)域，公式（3）左邊第二項表示由于固體的旋轉或平動而產(chǎn)生的對流能量轉移， 公式右側的項分別是固體內(nèi)部傳導熱源和體積熱源的熱流。 Ansys Fluent 所使用的能量輸運方程為：

式中：ρ—密度；h—焓；v→—速度場；k—熱傳導系數(shù)；▽T—溫度梯度；Sh—能量源項。

該式（3）的物理含義是，物質(zhì)內(nèi)部的能量變化率等于由于物質(zhì)流動引起的能量輸運加上熱量的傳導和能量源項的貢獻。 通過對這個方程的求解，可以計算出物質(zhì)內(nèi)部的溫度分布和能量變化情況。

2.4 邊界條件

本文物理模型，如圖7 所示，劃分為四個區(qū)域，連桿域、空氣域、箱體域、水域，其中，連桿在空氣域內(nèi)，在圖5和圖9 中， 可以看到連桿域， 以及為了快速得到仿真結果，對換熱器模型進行了簡化。 共享面之間相互耦合，連桿與空氣域內(nèi)壁耦合，空氣域外壁與換熱器接觸壁耦合，換熱器箱體又與水體耦合。

圖7 區(qū)域劃分

其中， 連桿溫度900℃左右，原工廠余熱回收系統(tǒng)內(nèi)熱泵收走了池內(nèi)的熱量，水池溫度降低到6℃左右，故本次模擬入口水溫設施為6℃， 水入口流速定為2.0m/s。連桿材料為46MnVS5，常溫下密度為7850kg/m3，比熱容為460J/（kg·℃），熱導率為16.2；水的比熱容如圖8 所示，隨溫度的上升而下降，導熱系數(shù)為0.589W/（m·K）；換熱器材料選擇0Cr19Ni9，密度為7900kg/m3，比熱容為500J/（kg·℃），導熱系數(shù)26.3 W/（m·K），空氣的密度在FLUENT中選擇不可壓縮的理想氣體，在求解算法中壓力項，選擇體積力加權（Body Force Weighted）。如表1 即為仿真各材料參數(shù)匯總。

表1 定義材料參數(shù)

圖8 水的比熱容

2.5 網(wǎng)格劃分

Fluent meshing 可以劃分四面體、 六面體、 多面體、Poly-Hexcore 等體網(wǎng)格形式，如圖9 所示，本次網(wǎng)格劃分采用多面體 （polyhedra） 網(wǎng)格填充， 其最大單元長度12.2mm，曲率法向角為18°，即是以18°平分360°的多邊形代替圓形，曲率法向角越小，越精確。 如圖10 所示，水域邊界層共劃分5 層，最內(nèi)層的厚度是最外層厚度的2.5 倍，邊界處網(wǎng)格增長率為1.2，增長率就是六面體網(wǎng)格的長寬比。

圖9 XY 平面網(wǎng)格剖視圖

圖10 管路網(wǎng)格邊界層

在數(shù)值模擬中，對于網(wǎng)格構形有嚴格的規(guī)定，如果網(wǎng)格構形不夠好，則不能達到數(shù)值模擬中的收斂性，為此，我們特別提出一種模式之網(wǎng)格化分要點， 以保證模式之準確性與可信度。網(wǎng)格劃分， 使用FLUENT meshing 網(wǎng)格生成工具，它的優(yōu)勢在于自動化、高效性、高質(zhì)量、多功能性和易用性。 缺點是只能劃分與流體相關的網(wǎng)格， 以及不能劃分二維網(wǎng)格。 此次網(wǎng)格總數(shù)量為1074377 個。 四個區(qū)域的網(wǎng)格最小質(zhì)量為0.08，平均質(zhì)量為0.84，滿足求解網(wǎng)格要求。

3 結果

一節(jié)箱體容積為30L， 每一次水循環(huán)可使溫度提升了10℃，圖11 溫度梯度選擇的是每一次循環(huán)終了時的溫度場。從圖中可以看出，進水溫度設定為6℃，水流進入箱體內(nèi)，水溫迅速升溫，水溫從下到上，依次提升溫度，出水口溫度達到了16.6℃。

圖11 換熱器內(nèi)部水域溫度場

未把箱體溫度與連桿溫度放在一張圖里對比， 因連桿的溫度太高，冷卻的過程中，溫度依然很高，所以水溫的變化狀態(tài)從云圖中難以觀察。圖12 選擇的是180s 連桿的溫度場，溫度集中在桿身699 ～717℃之間； 圖13選擇的是240s 連桿的溫度場，溫度集中桿身的上部在650～667℃之間。 圖中可以看出，溫度梯度呈現(xiàn)從桿身向連桿大頭與小頭逐漸過渡的趨勢，最高溫與最低溫相差30℃以內(nèi)。

圖12 180s 溫度場

圖13 240s 溫度場

4 結論

利用FLUENT 仿真軟件對一節(jié)換熱器進行仿真研究，與實際情況對比本文得出以下結論：

（1）180s 時，仿真溫度與實測溫度700℃，誤差在5%以內(nèi)，240s 時，仿真溫度與實測溫度660℃，誤差在4%以內(nèi)。

（2）水循環(huán)一次，水溫升高10℃，理論上一天可回收熱量折合標準煤為1214.32kg。