微燃氣輪機環型回熱器數值模擬及實驗研究

劉彩贏, 徐之平, 張 磊, 張偉榮, 王崇俊

(1.上海理工大學能源與動力工程學院,上海 200093;2.中國航天科工集團第三十一研究所,北京 100074)

微燃氣輪機作為一種新型的發動機被廣泛應用于分布式發電系統、車輛、航空和船艦上.現有的微型燃氣輪機發電功率大都在25～300 kW之間,無回熱器時的發電效率為17%～20%,有回熱器時發電效率為25%～30%[1].微型燃氣輪機中的回熱器是一個燃氣-空氣熱交換機,回熱器的造價約為整個燃氣輪機系統(帶回熱器)總造價的 25%～30%[2-3].回熱器作為微型燃氣輪機的關鍵部件[4],其研究成為微型燃氣輪機的重要組成部分,因此,與傳統的熱交換器相比,對微型燃氣輪機回熱器的設計及制造提出更高的要求,如低造價、高回熱率、低壓降、耐高溫、壽命長、密封好、高緊湊度及能夠進行批量生產等.

文獻[5]對用于微型燃氣輪機回熱器的幾種原表面CC(cross corrugated)、CW(cross wavy)、CU (corrugated undulated)及板翅式進行比較,在回熱器緊湊度及質量方面,CW、CC型優于板翅式.由于CC型表面加工比較方便且工藝成熟,國外不少學者在實驗及數值模擬方面對其進行了大量的研究,獲得了有用的數據.文獻[6]對回熱器換熱表面進行了熱力計算對比研究,指出從回熱器的緊湊度來看, CW原表面優于CC原表面和PF(plate fin)表面,但CC表面的體積和質量遠小于其他兩種表面.而國內外對CW一次表面研究的文獻并不多見.文獻[7]通過建立三維模型對截面為梯形通道 TCW (trapezoidal cross eavy)的層流流動及換熱進行數值模擬研究,得出TCW的努塞爾數Nu與平直管道相比提高了400%,而摩擦因數與平直管道的摩擦因數相差不大.TCW通道的振幅對增強換熱有重要的影響.文獻[8]對截面帶有圓弧的CW燃氣側單通道的其中一個周期進行了數值模擬研究,指出CW通道的換熱比平直通道增加了600%,某種結構的通道增加了3 000%.文獻[9]對橢圓、正弦波和拋物線這3種形面的波紋通道的一次表面回熱器熱性能進行了計算和比較,指出正弦波紋板片構成的芯體總傳熱系數最大,所需傳熱面積和板片數目相應最少,同時得出了影響一次表面回熱器熱性能的重要因素不是幾何形狀,可能是幾何尺寸.文獻[10]對CW型回熱器芯體內的流動與傳熱進行了三維模擬計算,結果表明,當回熱器的空氣總流量和燃氣總流量一定時,回熱器芯體內的壓損和回熱度隨著波紋層數的增多而降低.增大燃氣進口面積與空氣進口面積比可使回熱度增加、空氣側壓損增加、燃氣側壓損減少.文獻[11]對CW原表面回熱器流動與傳熱進行了實驗研究,分析了燃氣不均勻性對換熱性能的影響,得出了Nu-Re的關系,Re為雷諾數.文獻[12]對微型燃氣輪機用圓筒形板翅式回熱器傳熱性能進行了實驗研究.

但總體來說,大多數有關數值模擬計算的文獻都是針對CW通道中某個單元在給定常壁溫或者是常熱流邊界條件及物性為常數條件下進行研究,且通道的當量直徑為1.5～2.0 mm.對CW型面一次表面回熱器性能的研究及相關的數據還遠不能滿足工程實際應用的需要.文獻[13]通過實驗指出,在層流區,當量直徑為0.2～1.3 mm的微矩形通道的換熱與大槽道的情況有區別.因此,在數值計算中不僅要考慮微小單元還應考慮回熱器兩側氣體全程通道耦合換熱計算和物性參數,以及流動參數沿程的變化.本文對當量直徑為1.10～1.54 mm的CW型回熱器進行實驗研究,并考慮物性參數隨密度的變化,對空氣與煙氣兩側通道耦合換熱進行數值計算,為實際工程應用提供參考.

1 實驗裝置及方法

實驗裝置如圖1所示.實驗裝置由高壓氣系統、電加熱及輔助換熱器系統和測量系統這3部分組成.

圖1 實驗系統Fig.1 Schematic of the test setup

1.1 實驗過程

實驗時首先調節氣體的流量和壓力,高壓常溫氣體由點1流入,經過氣氣換熱器使空氣溫度升高,由點4進入到低溫電加熱裝置中再次被加熱并被穩定在低溫側的設定溫度所規定的誤差范圍,經調控后穩定的氣體進入被測回熱器的低溫側,與高溫流體進行熱量交換后流出,由點7和減壓閥至點8并進入高溫加熱裝置再加熱至高溫的設定溫度,通過點10進入到回熱器高溫側,與低溫側氣體進行熱量傳遞,由點11流出,通過氣氣換熱器后由點12排向大氣.在此過程中,計算機會根據系統穩定情況記錄下當前實驗工況的所有數據,完成當前工況的實驗,調整至下一工況點.如此反復循環實驗,直至所有實驗工況完成為止.

1.2 實驗方法及數據采集

實驗采用等流量穩態法(兩側流量相等,即等流量法),當調整好實驗工況點并處于穩定工況時進行數據的電腦自動采集.對于數據采集,只要其流量、溫度控制調整并穩定在設定值允許的誤差范圍內時,電腦便會在規定的時間內取35組數據平均作為一個輸出數據點,連續輸出3組數據點后進行平均,最終得到一組有效的被測數據.

2 物理模型及數值計算

2.1 物理模型

CW型原表面的環型回熱器結構如圖2所示,其中的換熱芯片如圖3所示.參與換熱的兩股流體使用波紋板隔開逆向流動,高壓低溫的流體走在芯片里面的通道,而低壓高溫的流體走芯片外側.由于空氣的密度大且溫度低,煙氣側的密度小且溫度高,為了平衡匹配空氣側與煙氣側的流動及換熱等綜合性能,煙氣側的通道比空氣側的大,進口截面如圖4所示.

圖2 環形原表面不銹鋼回熱器[2]Fig.2 Annular primary surface stainless steel recuperator

圖3 散熱芯片外形圖Fig.3 Sketch of recuperator core

圖4 通道的截面形狀Fig.4 Sketch of recuperator channel section

2.2 控制方程及邊界條件

本文數值模擬計算采用Gambit 2.2軟件建模劃分網格,利用現在成熟的商用CFD(計算機動力學)軟件Fluent 6.2,基于層流模型對回熱器兩側通道的流場及溫度進行分析,并采用自適應網格功能使換熱及流動計算得到進一步的改善.文獻[8]中指出,通道上下是對稱的,因此,本文計算區域取相鄰兩通道的1/2,如圖5所示,其中,計算區域模型的進口和出口都加長了直管段,使換熱為充分發展的,且避免出口有回流,使數值計算更容易收斂.對不同的CW換熱面進行比較,其命名為:CW A-P,A為振幅,P為一個周期長度.如CW0.8-10表示振幅為0.8 mm,周期長度為10 mm.本文所使用的回熱器部分參數如表1所示.CW換熱表面不同結構計算模型的具體幾何尺寸如表2所示.不同模型的當量直徑相等,高溫側的為1.36 mm,低溫側的為0.899 mm.

圖5 計算區域模型Fig.5 Geometrical model of the computations

表1 環型回熱器部分參數Tab.1 Some parameters of annular recuperator

表2 計算模型幾何結構參數Tab.2 Values of geometrical variables used in the computations

2.2.1 控制方程

三維穩態變物性流動及熱控制方程的通用形式為[14]

連續方程為

動量方程為

其中,Φ分別為u,v,w.

能量方程為

式中,ρ為密度;Φ為廣義變量;Γ是相應于Φ的廣義擴數系數;S是與Φ對應的廣義源項;V為速度矢量;μ為動力黏度;Pr為普朗特數.

2.2.2 邊界條件

本文假設氣體為理想不可壓縮,高壓低溫氣體及低壓高溫氣體均勻分布于各個芯板和各個通道.給定兩流體的入口流速、溫度,出口為壓力出口邊界條件,低溫與高溫之間的不銹鋼板部分是耦合的流固換熱邊界,計算區域的四周取對稱及絕熱.采用SIMPLE算法求解速度場和壓力場,動量及能量守恒方程均采用二階迎風離散格式.

2.3 數據處理

對于充分發展的流動及換熱,壁面的傳熱特性用Re-Nu或者j-Re的關系式表示,阻力特性用f-Re關系式表示.

式中,qw為單位面積傳熱量;Dh為當量直徑;λ為導熱系數;Tw為壁面加權平均溫度;Tm為流體的平均溫度;AC為單元網格面積;Aa為換熱壁面面積;Af為通道流體截面積;S為通道流體截面周長;j為傳熱因子;f為摩擦因數;Δ P為氣阻;L為通道長度.

3 計算結果及分析

3.1 網格質量及實驗結果與數值模擬結果比較

為了檢測網格質量的可靠性,本文對同一幾何結構模型采用不同的網格數,分別為71 324,85 170和112 540的六面體網格進行對比研究.由圖6可知,網格數為 71 324,85 170可得的最大誤差為6.7%;網格數為85 170,112 540可得的最大誤差為3.2%,可見,網格數為112 540就足夠了.同時考慮計算成本等,本文以112 540的網格數進行數值計算,且對不同的幾何結構取相應最好的網格數量.

圖6 換熱系數K與雷諾數Re關系圖Fig.6 Relationship of K and Re number

對實驗數據及數值進行整理,并使用最小二乘原理得到Nu-Re關系.對數值計算結果進行比較,如圖7和圖8所示,數值計算結果與實驗結果的最大誤差為10%,最小誤差為1.4%;摩擦因數的誤差在30%以內.由于實驗所測得的結果包括進出口及實物連接口的局部壓力損失,所以,此誤差是工程所能接受的,因此,數值計算的模型選取及方法是可行的和有效的.

圖7 努塞爾數與雷諾數關系圖Fig.7 Relationship of Nu number and Re number

圖8 摩擦因數與雷諾數關系圖Fig.8 Relationship of f and Re number

3.2 結構參數的影響

對微燃氣輪機回熱器來說,換熱及流動特性是兩個重要的性能指標.影響CW型回熱器的傳熱及流動特性的主要是振幅及周期長等幾何參數.本文對不同結構的模型計算結果如圖9所示.隨著CW通道的振幅的增加,換熱增強;而隨著CW通道的周期長度的增加,換熱減小.原因是振幅增加和周期長度減小時,流體的擾動加強,同時破壞了層流邊界層,使換熱得到強化.但是,通道內的阻力相應地有所增加.

圖9 努塞爾數與雷諾數的關系Fig.9 Relationship of Nu number and Re number

3.3 不同結構的CW型面的傳熱及阻力特性比較

對微燃氣輪機回熱器型面的設計及優化不僅要求換熱面具有較高的對流換熱系數,而且要求氣體在換熱面之間的流動壓降較小,通常將傳熱因子j和摩擦因數f的比值作為衡量換熱器表面性能優越的標準,j/f越大,表明傳熱表面性能越優越,由圖10可見,CW0.8-13和CW0.8-13的表面性能比較優越,可在回熱器設計時優先考慮.

圖10 表面j/f與Re關系圖Fig.10 Relationship of j/f and Re

4 結 論

a.通過對數值計算結果與實驗結果進行比較可知,數值計算結果在誤差允許范圍內,證明了本文的方法的可行性和有效性.

b.在相同的當量直徑下,保持其他幾何參數不變,增大CW通道的振幅,可使換熱得到強化.

c.在相同的當量直徑下,保持其他幾何參數不變,CW通道換熱隨著周期長度的減少而增強.

d.通過對不同結構的CW通道傳熱及阻力特性進行比較,得出CW0.8-13和CW0.8-13的表面綜合性能比較優越,本實驗為產品改造及優化提供了參考.

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