插管式換熱器換熱管空間排布優(yōu)化

摘 要：目前對換熱器提高傳熱性能的研究主要以在換熱管內(nèi)插入內(nèi)件的方式和清理換熱管結(jié)垢等方式為主。二者盡管增強(qiáng)換熱器的傳熱性能，但實驗成本高、操作難。該文提出將管排序優(yōu)化應(yīng)用于插管式換熱器中，利用Fluent軟件對換熱器空間排布不同的流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并進(jìn)行實驗驗證。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，叉排排布的空氣最高溫度明顯高于順排。實驗發(fā)現(xiàn)，叉排排布的出口溫度高于順排；叉排排布的出口流量大于順排。結(jié)果表明，叉排排布方式不僅提高換熱器的換熱性能，減少實驗成本，降低實驗難度，縮短實驗時間，而且叉排排布換熱器的換熱效果更佳，具有更好的應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞：插管式換熱器；空間排布；傳熱過程；數(shù)值模擬；Fluent軟件

中圖分類號：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0063-04

Abstract： At present， the research on improving the heat transfer performance of heat exchanger is mainly by inserting internals in the heat exchanger tube and cleaning up the fouling of the heat exchanger tube. Although they enhance the heat transfer performance of the heat exchanger， the experimental cost is high and the operation is difficult. In this paper， the tube sequencing optimization is applied to the tube heat exchanger， and the flow field of different spatial arrangement of the heat exchanger is numerically simulated and analyzed by Fluent software， and verified by experiments. The numerical simulation shows that under the same conditions， the maximum air temperature of the cross arrangement is obviously higher than that of the sequential arrangement. It is found that the outlet temperature of the fork arrangement is higher than that of the sequence arrangement， and the outlet flow of the cross arrangement is higher than that of the sequence arrangement. The results show that the cross arrangement not only improves the heat transfer performance of the heat exchanger， reduces the experimental cost， reduces the experimental difficulty and shortens the experimental time， but also has better heat transfer effect and better application.

Keywords： tube heat exchanger; spatial arrangement; heat transfer process; numerical simulation; Fluent software

隨著人們對能源的需求，管式換熱器成為提高能源利用率的節(jié)能設(shè)備之一。管式換熱器具有易拆卸、換熱性好、成本低等優(yōu)點，在工程應(yīng)用中帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1]。本文研究的插管式換熱器不僅具有簡單的結(jié)構(gòu)、拆卸容易、修理方便快捷等一系列的優(yōu)點，而且通過插管式換熱器與熱風(fēng)爐的配合可進(jìn)行多級換熱，在滿足烘干糧食的前提下，改變熱功率，提升空氣溫度，從而達(dá)到節(jié)能的作用[2]。隨著人們對換熱器流場研究的不斷升級，基于Fluent軟件的數(shù)值仿真技術(shù)，可輕松解決換熱器內(nèi)部對流傳熱計算任務(wù)量大且不易操作的難題。采用數(shù)值仿真技術(shù)對換熱器的參數(shù)進(jìn)行分析，具有仿真精度高、計算效率高、操作方便等優(yōu)點。可以通過改變初始邊界條件來仿真出不同的速度場、溫度場、壓力場等流場，從而計算出求解結(jié)果，并進(jìn)行對比分析，得出最優(yōu)的參數(shù)[3]。本文基于Fluent仿真的方法對插管式換熱器中換熱管順排和叉排的空間排布方式分別進(jìn)行傳熱特性的研究。由于3個區(qū)域的換熱管排布方式相同，因此僅對一區(qū)的換熱管排布方式進(jìn)行研究即可。通過對換熱器綜合性能的評估，得到最佳的管間距排布組合。

1 插管式換熱器工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 插管式換熱器的工作原理

首先使煤在熱風(fēng)爐內(nèi)燃燒，加熱爐內(nèi)溫度，產(chǎn)生高溫?zé)煔?，然后高溫?zé)煔膺M(jìn)入凈化系統(tǒng)，以高溫?zé)煔獾男问竭M(jìn)入換熱器內(nèi)部3個區(qū)域的換熱管，并將換熱管進(jìn)行加熱，在主換熱區(qū)內(nèi)完成換熱，最后進(jìn)入干燥及排水系統(tǒng)，將加溫后的空氣導(dǎo)出完成糧食干燥作業(yè)。圖1為插管式換熱器的工作原理。

1.2 插管式換熱器的主要結(jié)構(gòu)及材料

插管式換熱器主要是由殼體、換熱管、折流板等結(jié)構(gòu)組成。插管式換熱器的長、寬、高為2 952 mm×4 500 mm×2 500 mm；一區(qū)的換熱管外徑為20.75 mm，內(nèi)徑為15.75 mm，換熱管厚度為5 mm，長度為2 500 mm；換熱管間距為74 mm。插管式換熱器的換熱管及殼體材料均為310S不銹鋼。

2 傳熱過程方程

當(dāng)流體流動時，流體與管壁面之間產(chǎn)生摩擦，流體和換熱管之間以熱量傳遞的方式開始導(dǎo)熱[4]。根據(jù)牛頓冷卻定律，管側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hs表達(dá)式

整個傳熱過程熱功率Ｑs，單位W，表達(dá)式為

， （2）

式中：？著為吸收率；？滓為波爾茲曼常數(shù)；Ao為換熱管的傳熱面積，m2；Tt，i為換熱管側(cè)流體入口溫度，K；Tt，o為換熱管側(cè)流體出口溫度，K。其中傳熱面積的計算式為

（3）

式中：Ｎpa為換熱管個數(shù)；do為換熱管外徑，mm；L為換熱管長度，mm。

輻射系數(shù)[5]F計算式為

式中：Ｐ為溫度有效度；Ｒ為熱容比。？駐T為換熱器平均溫差，單位K，表達(dá)式為

式中：Ｔt，i為換熱管側(cè)流體入口溫度，Ｋ；Tt，o為換熱管側(cè)流體出口溫度，Ｋ；Ts，i為殼側(cè)流體的入口溫度，K；Ts，o為殼側(cè)出口流體的溫度，K。

3 建立換熱器物理模型

3.1 物理模型

根據(jù)本文要求利用Gambit軟件構(gòu)建了順排和叉排的物理模型，如圖2所示。管束由691個換熱管組成，順排管束為19排21列，且順排橫向與縱向間距均為74 mm，叉排管束為19排21列，且叉排橫向間距為30 mm，縱向間距為44 mm；模型節(jié)點數(shù)為118 534，網(wǎng)格數(shù)為355 752。

3.2 設(shè)置邊界條件

將換熱器入口邊界條件設(shè)置為速度入口，速度方向與入口邊界垂直，入口速度為0 m/s；入口壓強(qiáng)為93 600 Pa；將換熱器出口邊界條件設(shè)置為壓強(qiáng)出口，出口壓強(qiáng)為-10 500 Pa；設(shè)置Wall 1為換熱管，換熱管表面為靜止無滑移壁面，換熱管溫度340 K；設(shè)置Wall 2為殼體，殼體溫度253 K；設(shè)置流體為空氣，從文獻(xiàn)中查得空氣參數(shù)[6]，空氣的入口溫度253 K；換熱管材料為310S不銹鋼，其發(fā)射率為0.8，外輻射溫度為335 K，換熱功率2 727.5 K。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 求解設(shè)置

選擇COUPLED算法求解速度場與溫度場的耦合。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。當(dāng)連續(xù)性方程和速度方程的殘差小于10-3，能量方程的殘差小于10-4，并且換熱器進(jìn)、出口質(zhì)量流量守恒，進(jìn)、出口溫度和壓力穩(wěn)定時，可判定計算迭代收斂。

4.2 求解結(jié)果

4.2.1 傳熱性能

叉排和順排的速度場分布如圖3所示。順排排布每一排換熱管排布均勻，空氣流動變化較小，流動順暢；叉排排布換熱管交錯排布，空氣在管束間呈曲線流動趨勢，流動路徑漸縮漸擴(kuò)。結(jié)果表明，叉排排布換熱管可提高空氣與換熱管之間的傳熱性能。

叉排和順排的溫度結(jié)果如圖4所示。由于入口空氣溫度較低，因此在前排管附近，2種排布方式傳熱效果較強(qiáng)烈，但隨著空氣溫度的逐漸升高，叉排排布的換熱效率明顯高于順排排布的換熱效率。實驗結(jié)果表明，順排排布的空氣溫度最高為307 K，叉排排布的空氣溫度最高可達(dá)340 K。所以，在邊界條件一致的情況下，叉排排布的換熱效果更佳。

4.2.2 綜合性能評價

通過努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化如圖5所示，在雷諾數(shù)相同的情況下，叉排排布換熱器的努賽爾數(shù)明顯高于順排；從斜率上看，叉排的努塞爾數(shù)比順排的增長趨勢更快。結(jié)果表明，隨著雷諾數(shù)的升高，叉排排布具有更好的傳熱性能。

通過阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化如圖6所示，叉排和順排排布換熱器的阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加逐漸減少，但順排的阻力系數(shù)顯然低于叉排。結(jié)果表明，換熱管空間排布越均勻，阻力系數(shù)越低。

利用綜合換熱評價指標(biāo)（Performance Evaluation Criterion，PEC）對2種換熱器排布方式進(jìn)行綜合性能評估，PEC隨雷諾數(shù)的變化如圖7所示，叉排的PEC高于順排的20%～30%。結(jié)果表明，雖然順排阻力系數(shù)明顯高于叉排，但叉排的努賽爾數(shù)遠(yuǎn)高于順排。由此可見，叉排排布換熱器的綜合性能更佳。

5 實驗驗證

5.1 實驗?zāi)康?/p>

搭建換熱器實驗平臺，利用實驗數(shù)據(jù)采集器（圖8）測量叉排排布和順排排布的實驗數(shù)據(jù)。其目的是測量叉排和順排的空氣出口流量與溫度；采用不確定度分析法，驗證數(shù)值模擬計算參數(shù)的準(zhǔn)確性。

5.2 數(shù)據(jù)采集

對順排排布和叉排排布的實驗數(shù)據(jù)分別測量，測量時間約30 min，測量結(jié)果如圖9所示。

5.3 不確定度分析

在測量數(shù)據(jù)的過程中，儀器存在著誤差。在計算數(shù)據(jù)時，其也存在著誤差[7]。因此對這些誤差進(jìn)行不確定度分析。2種換熱區(qū)內(nèi)平均努塞爾數(shù)Nus和Nuc的不確定度為

2種換熱區(qū)內(nèi)阻力系數(shù)fs和fc的不確定度為

2種換熱區(qū)內(nèi)平均雷諾數(shù)Ｒes和Ｒec的不確定度為

通過上式計算發(fā)現(xiàn)，順排的平均努塞爾數(shù)Ｎus的不確定度在5.31%以內(nèi)，阻力系數(shù)fs的不確定度在5.74%以內(nèi)，平均雷諾數(shù)Res的不確定度在6.27%以內(nèi)；叉排的平均努塞爾數(shù)Ｎuc的不確定度在4.11%以內(nèi)，阻力系數(shù)fc的不確定度在5.34%以內(nèi)，平均雷諾數(shù)Rec的不確定度在5.57%以內(nèi)，以上參數(shù)結(jié)果均滿足誤差要求。

6 結(jié)論

本文對插管式換熱器中換熱管空間進(jìn)行排布分為了順排和叉排2種排布方式，并進(jìn)行了數(shù)值模擬對比分析，得出以下結(jié)論。

1）叉排排布換熱器的傳熱性能強(qiáng)于順排排布換熱器。在相同的邊界條件下，叉排排布換熱器中空氣最高溫度高于順排33 K。

2）利用PEC綜合性能評價對2種管排的分析可知，雖然順排阻力系數(shù)高于叉排，但叉排的努賽爾數(shù)遠(yuǎn)高于順排。在相同的雷諾數(shù)下，叉排的PEC高于順排的20%～30%。叉排排布換熱器的綜合性能更佳。

3）通過實驗數(shù)據(jù)可知，叉排排布的出口溫度高于順排；叉排排布的出口流量大于順排。不確定度分析法檢驗了參數(shù)的準(zhǔn)確性。叉排排布換熱器的換熱性能更完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳永東，陳學(xué)東.我國大型換熱器的技術(shù)進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報，2013，49（10）：134-143.

[2] 陳穎.糧食烘干機(jī)用熱風(fēng)爐換熱器的設(shè)計與應(yīng)用[J].黑龍江糧油科技，2001（3）：27-28.

[3] 劉天力，王凱，王博，等.大型多級管式換熱器組仿真分析及模擬實驗[J].工業(yè)爐，2017，39（4）：18-22.

[4] MANIKUMAR R， PALANICHAMY R， ARASU A V. Heat transfer analysis of an elevated linear absorber with trapezoidal cavity in the linear Fresnel reflector solar concentrator system[J].Journal of Thermal Science，2015，24：90-98.

[5] 董永申，王定標(biāo)，向颯，等.傾斜螺旋片強(qiáng)化的套管換熱器數(shù)值模擬[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2015，49（2）：309-314.

[6] XIN F J， KEVIN H. Multiphysics modeling of solid-oxide iron-air redox battery： analysis and optimization of operation and performance parameters[J]. Science Bulletin，2016，61（17）：1345-1354.

[7] 薛棟，趙鋼，樊建鋒，等.一種新型鋼筋保護(hù)層測定校準(zhǔn)裝置的研發(fā)和不確定度分析[J].中國測試，2018，44（8）：82-86.