翅片管換熱器內(nèi)煙氣對(duì)流換熱模擬研究

張 宇 ，劉文仲 ，劉小芳

(安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002)

工業(yè)鍋爐尾部排煙溫度一般較高(大于150 ℃)，含大量可供回收的熱量，且因燃燒天然氣產(chǎn)生的水蒸氣會(huì)攜帶大量潛熱。將鍋爐尾部煙氣降至露點(diǎn)溫度以下水蒸氣冷凝，除可吸收部分有害產(chǎn)物外，還可大幅回收排煙中的顯熱和潛熱，既可降低污染物排放量，又可顯著提高鍋爐熱效率[1-2]?！笆奈濉笔菍?shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵時(shí)期，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系是實(shí)現(xiàn)能源高質(zhì)量發(fā)展的必然要求[3]。因此，發(fā)展綠色高效鍋爐機(jī)組，開(kāi)展工業(yè)鍋爐尾部煙氣的余熱回收研究對(duì)燃?xì)忮仩t的節(jié)能減排及能量高效利用具有重要意義。

通常在工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中通過(guò)加裝余熱回收裝置如熱泵、換熱器回收鍋爐尾部煙氣中的熱量[4]?；厮疁囟鹊蜁r(shí)，相比于熱泵，利用換熱器回收煙氣余熱效果更好[5]。翅片管換熱器作為一種低阻高效的節(jié)能設(shè)備，安裝簡(jiǎn)易、運(yùn)行穩(wěn)定，常被用作鍋爐排煙的余熱回收[6]。翅片具有多種樣式，不同樣式的翅片應(yīng)用場(chǎng)景不同[7--8]。在鍋爐行業(yè)多為管翅式和板翅式，前者多為螺旋翅片管，流動(dòng)阻力小于后者且工廠制造方法成熟(基管與翅片通過(guò)高頻焊連接)，被普遍采用。翅片管強(qiáng)化換熱機(jī)理主要為增加換熱面積、提高換熱系數(shù)和增大溫差[9]。影響翅片管換熱器傳熱的因素有多種，如翅片形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)等，現(xiàn)有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，如朱珊云等[10]針對(duì)小管徑開(kāi)縫翅片管，模擬研究翅片間距和相對(duì)翅片高度對(duì)換熱器空氣側(cè)流動(dòng)傳熱的影響，結(jié)果表明，開(kāi)縫高度和翅片間距之比為0.4 時(shí)換熱器綜合換熱性能最佳；Keawkamrop 等[11]針對(duì)鋸齒型螺旋翅片管，研究翅片高度、厚度和間距對(duì)換熱器流動(dòng)阻力的影響，結(jié)果表明鋸齒間距對(duì)換熱器流動(dòng)阻力影響最大。也有學(xué)者研究翅片管束對(duì)換熱器換熱性能的影響，如衣志超等[12]模擬研究開(kāi)縫翅片管束的橫縱向間距對(duì)流動(dòng)換熱的影響，結(jié)果表明管縱向間距對(duì)換熱性能影響較大；趙蘭萍等[13]模擬研究矩形翅片橢圓管束管排和翅片間距對(duì)管束間流動(dòng)換熱的影響，結(jié)果表明翅片間距小于2.5 mm 時(shí)空氣側(cè)阻力對(duì)風(fēng)速的敏感性顯著增加。上述學(xué)者主要對(duì)翅片管進(jìn)行開(kāi)縫處理，其中翅片間距和管間距對(duì)換熱影響最大，但其余結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱的影響并不一致。

部分學(xué)者研究改變翅片異型化方向?qū)Q熱器性能的影響，如宋建等[14]模擬研究波紋翅片管波紋高度和橫縱向間距對(duì)換熱性能的影響，結(jié)果表明波紋高度和橫向間距是翅片管換熱性能的主要影響因素；劉逸等[15]模擬研究前開(kāi)孔后開(kāi)縫式翅片管的翅片厚度和開(kāi)縫數(shù)對(duì)流動(dòng)換熱的影響，結(jié)果表明各因素耦合復(fù)雜，當(dāng)風(fēng)速為3 m/s、開(kāi)縫數(shù)為6、翅片厚為0.16 mm 時(shí)換熱器的綜合換熱性能最佳；Modi 等[16]對(duì)比研究平面和圓孔矩形翼翅片的換熱性能，結(jié)果表明改進(jìn)的圓孔矩形翼翅片工況溫度越高換熱效果提升越好；Kiatpachai 等[17]改進(jìn)一種百葉窗式螺旋翅片管換熱器，發(fā)現(xiàn)在阻力性能變化不大的條件下其熱力性能較之前提升10.4%～13.1%；Zhang 等[18]引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法研究管翅式換熱器的基管外形對(duì)流動(dòng)換熱的影響，優(yōu)化后橢圓率為0.34 的翅片管在Re為541 時(shí)，壓降降低21%而換熱系數(shù)不變。以上研究結(jié)論多為特定條件下的翅片最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用范圍??；且因翅片異化方向不同難以得到翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)影響換熱效果的一般規(guī)律，未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)為生產(chǎn)制造提供相關(guān)參考。故本文以異型翅片的原型為研究對(duì)象，以工業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)為基準(zhǔn)，參考鍋爐系統(tǒng)中節(jié)能器運(yùn)行工況，利用Fluent 軟件研究高溫工況下不同流速時(shí)翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱器特性的影響，旨在探尋螺旋翅片管性能變化的一般規(guī)律，為工業(yè)制造優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)尺寸提供參考依據(jù)。

1 Fluent 模擬仿真

1.1 物理模型

翅片管換熱器的物理模型如圖1，翅片管為蛇形管結(jié)構(gòu)，基管尺寸為Φ25 mm×3 mm，管上翅片高度為10 mm、厚度為1.2 mm、間距為5 mm，相鄰翅片管縱向間距為25 mm、橫向間距為70 mm，以該參數(shù)建立基準(zhǔn)模型?？紤]到管內(nèi)水流動(dòng)情況復(fù)雜，且對(duì)整體模型意義不大，故僅模擬煙氣側(cè)的流動(dòng)換熱情況，保留相鄰翅片管間的煙氣流域，并延長(zhǎng)煙氣進(jìn)出口端以防發(fā)生回流現(xiàn)象，計(jì)算域的物理模型見(jiàn)圖2。

圖1 翅片管換熱器物理模型Fig.1 Physical model of finned tube exchanger

圖2 計(jì)算域物理模型Fig.2 Physical model of computational domain

1.2 網(wǎng)格劃分

煙氣流經(jīng)翅片過(guò)程中的換熱屬于流固耦合換熱，在Fluent Meshing 中采取整體網(wǎng)格劃分方法對(duì)計(jì)算域的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)最小面網(wǎng)格尺寸為7×10-5m、最大面網(wǎng)格尺寸為6×10-3m，在近壁處設(shè)置4 層膨脹層進(jìn)行網(wǎng)格加密，最后調(diào)整相關(guān)設(shè)置參數(shù)，由面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格，最終網(wǎng)格的最大扭曲度僅0.46，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算需求。努塞爾數(shù)(Nu)可反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱，為流體跨越邊界時(shí)對(duì)流換熱量與傳導(dǎo)熱量的比值，即Nu=hcL/λ，hc為對(duì)流換熱系數(shù)，L為特征長(zhǎng)度， λ為煙氣導(dǎo)熱系數(shù)。文中選取Nu作為衡量網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的驗(yàn)證指標(biāo)，本計(jì)算域物理模型劃分網(wǎng)絡(luò)數(shù)對(duì)應(yīng)Nu的結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知：網(wǎng)格數(shù)達(dá)897 314 后，再增加網(wǎng)格數(shù)至1 813 024時(shí)，Nu變化很小，說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)為897 314 時(shí)可獲得與網(wǎng)格無(wú)關(guān)的解。

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Tab.1 Grid independence verification results

1.3 求解計(jì)算

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)計(jì)算域的物理模型作以下假設(shè)：整個(gè)流動(dòng)過(guò)程屬于穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程；流體為熱煙氣，視為不可壓縮流體，基于壓力基求解；煙氣密度小，不考慮煙氣的重力作用；將翅片管的基管和翅片看作整體，材料為碳鋼；視基管管壁為無(wú)滑移壁面；輻射換熱量遠(yuǎn)小于熱對(duì)流交換的熱量，忽略輻射換熱的影響。材料物性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 材料物性參數(shù)Tab.2 Physical property parameters of materials

雷諾數(shù)(Re)是判斷流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，煙氣側(cè)的Re為11 596.87，遠(yuǎn)大于臨界Re，煙氣流動(dòng)狀態(tài)為湍流。由此選取K-Epsilon 湍流計(jì)算模型，近壁面處為Enhanced Wall Treatment 模型，同時(shí)在Fluent中開(kāi)啟能量方程。設(shè)置流體域入口煙氣流速為10 m/s、溫度為400 K，出口條件為自由出口(Outflow)，翅片管外壁與流體接觸的換熱壁面屬于Internal，基管內(nèi)壁的邊界條件為310 K 恒溫壁面，計(jì)算域的上下左右對(duì)稱面均屬于對(duì)稱邊界。計(jì)算域內(nèi)壓力與速度的耦合方法采用Coupled 算法，其余各項(xiàng)選擇二階迎風(fēng)格式；松弛因子保持默認(rèn)設(shè)置，能量方程的殘差為10-6、其余殘差為10-3，適當(dāng)增大固體計(jì)算域步長(zhǎng)以加快計(jì)算。

1.4 模擬驗(yàn)證

文中模擬的翅片管為順列排布，為驗(yàn)證本文建立模型求解的準(zhǔn)確性，取本文模型中翅片管換熱器出口處兩排翅片管間中線上的溫度分布，與文獻(xiàn)[20]相應(yīng)處的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如圖3。由圖3 可看出：實(shí)驗(yàn)溫度分布呈波浪狀，兩處波谷距翅片管最近，熱量傳遞快，煙氣溫度低，波峰處距翅片管最遠(yuǎn)，熱量傳遞慢，煙氣溫度高，測(cè)點(diǎn)溫度集中在40～60 ℃；與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，模擬結(jié)果中也出現(xiàn)波谷，此處為兩排翅片中心處，整體溫度分布在左右兩側(cè)，且均有上升跡象但不明顯，這是由于管排間距過(guò)小，熱量傳遞更快所致；模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果出口處整體溫差均為20 ℃左右。由此表明本文模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖3 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of simulation and experimental results

2 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱器特性的影響

以基準(zhǔn)模型中的翅片參數(shù)為基礎(chǔ)組，通過(guò)控制變量，利用Fluent 軟件采用本文提出的求解過(guò)程模擬分析煙氣流速在6，7，8，9，10 m/s 條件下翅片高度(8，9，10，11 mm)、翅片厚度(0.8，1.0，1.2，1.5 mm)、翅片間距(5，6，7，8 mm)對(duì)翅片管換熱器流動(dòng)阻力、換熱效果及綜合性能的影響。

2.1 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱器流動(dòng)阻力的影響

流動(dòng)阻力會(huì)導(dǎo)致煙氣流經(jīng)換熱器后壓力下降，阻力因子與煙氣壓降成正比關(guān)系，故用煙氣進(jìn)出口壓降表征流動(dòng)阻力的大小。不同煙氣流速下翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與換熱器進(jìn)出口壓降關(guān)系的模擬結(jié)果如圖4。

圖4 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與進(jìn)出口壓降間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between fin structure parameters and inlet/outlet pressure drop

由圖4 可看出：隨煙氣流速加快，進(jìn)出口壓降均逐漸增大，這是因?yàn)闊煔饬魉僭娇欤杩朔牧鲃?dòng)阻力越大，煙氣進(jìn)出口壓降越大；同一煙氣流速下，翅片高度增加、厚度加厚和間距縮短均會(huì)使進(jìn)出口壓降增大，在高流速下更明顯。這是因?yàn)樵诟吡魉傧拢崞Y(jié)構(gòu)的微小變化就能導(dǎo)致煙氣流動(dòng)更困難，從而造成極大的流動(dòng)阻力，直觀表現(xiàn)便是煙氣進(jìn)出口壓降增大。圖4 中：煙氣流速為10 m/s 時(shí)，翅片高度每增加1 mm，進(jìn)出口壓降依次增加37.57，47.33，55.58 Pa；翅片厚度分別為0.8，1.1，1.2，1.5 mm 時(shí)，壓降依次增加53.25，54.60，86.31 Pa；翅片間距每縮短1 mm，壓降依次增加30.04，46.09，69.62 Pa。這是由于翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變導(dǎo)致煙氣流通截面變小，流動(dòng)更困難，在流動(dòng)過(guò)程中將更多的壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，導(dǎo)致進(jìn)出口壓降增大。

2.2 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱器換熱效果的影響

相比于對(duì)流換熱系數(shù)，努塞爾數(shù)(Nu)更易反映流動(dòng)換熱的本質(zhì)，不同煙氣流速下翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與Nu關(guān)系的模擬結(jié)果如圖5。

圖5 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與Nu 間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between different fin structure parameters and Nu

由圖5 可知：不同煙氣流速下，隨煙氣流速加快Nu均逐漸增大，這是因?yàn)榱魉僭黾訒?huì)加劇擾動(dòng)，強(qiáng)化換熱效果；與壓降的變化趨勢(shì)相同，在同一煙氣流速下，隨翅片高度增加、厚度加厚和間距縮短，Nu均增大，且煙氣流速越高Nu變化越大，表明煙氣對(duì)流換熱的強(qiáng)弱與流動(dòng)阻力相關(guān)。煙氣流速為10 m/s時(shí)，翅片高度每增加1 mm，Nu依次增加6.07，6.16，7.62；翅片厚度分別為0.8，1.1，1.2，1.5 mm 時(shí)，Nu依次增加6.03，6.70，13.08；翅片間距每縮短1 mm，Nu依次增加1.71，3.98，4.09。這是由于翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時(shí)煙氣流通截面積減小，通道結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，導(dǎo)致流動(dòng)困難、流動(dòng)擾動(dòng)加劇，破環(huán)了邊界層，換熱效果增強(qiáng)。

2.3 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱器綜合性能的影響

由上文分析知流動(dòng)阻力與換熱效果變化趨勢(shì)相同，故引入性能因子對(duì)換熱器性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。不同煙氣流速下翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能因子關(guān)系的模擬結(jié)果如圖6。

圖6 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能因子間的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between fin structure parameters and performance factors

由圖6 可知：煙氣流速對(duì)性能因子的影響很小，在翅片高度為10 mm、翅片厚度為1.2 mm、翅片間距為8 mm，煙氣流速由6 m/s 增加到7 m/s 時(shí)，性能因子增幅最大，僅0.33，表明煙氣流速對(duì)性能因子的影響不顯著。翅片高度增加導(dǎo)致性能因子減小，煙氣流速為10 m/s 時(shí)，翅片高度每增加1 mm，性能因子依次降低2.96，2.79，2.54，表明翅片高度對(duì)性能因子影響較大，根據(jù)圖中的變化曲線擬合出翅片高度h和性能因子q的函數(shù)關(guān)系式q=-2.77h+51.87；翅片厚度增加同樣導(dǎo)致性能因子減小，煙氣流速為10 m/s、翅片厚度分別為0.8，1.0，1.2，1.5 mm時(shí)，隨厚度增加性能因子依次降低2.11，1.78，2.26，翅片厚度t和性能因子q的函數(shù)關(guān)系式q=-8.79t+34.04；翅片間距增加導(dǎo)致流動(dòng)阻力降低和換熱效果減弱，但性能因子代表的換熱效率在提高，當(dāng)煙氣速度為10 m/s、翅片間距每增加1 mm，性能因子依次增加6.19，6.04，5.66。與另2 個(gè)因素類似，根據(jù)圖6 中數(shù)據(jù)可擬合出翅片間距s和性能因子q的函數(shù)關(guān)系式q=5.94s-5.52。

比較圖6 中3 個(gè)擬合函數(shù)可知：翅片高度、厚度因素與性能因子正相關(guān)，間距因素與性能因子負(fù)相關(guān)，翅片厚度對(duì)性能因子的影響最大、翅片間距次之、翅片高度最小。綜上，在翅片高度低時(shí)，性能因子較大，但Nu較小，換熱效果較差，所以翅片高度不宜過(guò)低，基于材料成本，綜合考慮選取較低的翅片。同樣的，實(shí)際應(yīng)用中可選取厚度較薄(為保證長(zhǎng)期穩(wěn)定使用也不宜過(guò)薄)、間距較為稀疏的翅片尺寸，在保證換熱效果前提下節(jié)省材料。

3 結(jié)論

采用Fluent 軟件建立翅片管換熱器計(jì)算域物理模型，選取煙氣進(jìn)出口壓降(Δp)表征換熱器流動(dòng)阻力的大小、努塞爾數(shù)(Nu)表征換熱器對(duì)流換熱的強(qiáng)弱，并引入性能因子(q)綜合評(píng)價(jià)換熱器的綜合性能，模擬分析不同煙氣流速下翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)Δp，Nu和q的影響，探討翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱器換熱性能影響的一般規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1) 翅片高度增加、厚度加厚和間距縮短均會(huì)造成進(jìn)出口壓降與Nu增加，即換熱效果加強(qiáng)，伴隨流動(dòng)阻力增加。

2) 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能因子q的影響大小依次為翅片厚度、翅片間距、翅片高度，且3 種因素改變時(shí)性能因子的變化趨勢(shì)與進(jìn)出口壓降、Nu變化趨勢(shì)相反。故實(shí)際確定翅片參數(shù)時(shí)，可適當(dāng)選取高度較低、厚度較薄、間距較為稀疏的翅片結(jié)構(gòu)尺寸，在保證換熱效果的同時(shí)盡可能提高綜合性能。

3) 隨著煙氣流速加快，流動(dòng)阻力和換熱效果提升，性能因子也略有增長(zhǎng)。實(shí)際工況中，煙氣流速加快使更多的煙氣參與換熱，換熱器的綜合性能得到提升，總換熱量也將增加。