基于CFD的壓縮空氣加熱器改進設計

張思平，謝江輝，張德滿，李建國

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2.寧波星箭航天機械有限公司，浙江 寧波 315153）

基于CFD的壓縮空氣加熱器改進設計

張思平1，謝江輝1，張德滿1，李建國2

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2.寧波星箭航天機械有限公司，浙江 寧波 315153）

高壓微熱再生吸附式干燥器進行吸附劑再生的工作流程中，提高再生用壓縮空氣的溫度可有效提高再生效率;針對該問題采用傳統理論計算方法對錯排式加熱器參數進行設計，并運用CFD技術對其進行仿真計算，仿真結果與計算結果一致性程度較高。依據仿真計算的加熱器內部流場分布情況，分步對加熱器內部結構進行了改進，仿真結果表明改進效果良好。

壓縮空氣;空氣加熱器;數值仿真;吸附式空氣干燥器

0 引言

隨著工業化的不斷發展，壓縮空氣作為動力源在機械領域得到廣泛使用，一些場合對壓縮空氣的壓力和干燥度提出了更高的要求。對高壓空氣進行干燥過濾的干燥器，依據吸附劑的再生原理可分為無熱再生、微熱再生和加熱再生吸附式干燥器。高壓微熱再生吸附式干燥過濾器的工作流程主要分為吸附干燥和再生解析2個過程。因此，解析用壓縮空氣應從干燥后的高壓成品氣中減壓得到，而在減壓過程中，壓縮空氣溫度將驟降，比如當壓力從10～40 MPa降至0.5～1.5 MPa時，溫度可能從40℃降至0℃以下，明顯不利于對吸附劑的解析，所以需要對減壓后的壓縮空氣進行加熱。

針對該問題，本文計算了傳統壓縮空氣加熱器的相關參數，結合仿真分析軟件Fluent對該加熱器的內部溫度場和流場進行了分析;根據仿真分析結果對該加熱器的結構進行了優化，提出了十字折流板結構。

1 壓縮空氣加熱器結構

如圖1所示，壓縮空氣加熱器的結構主要由電加熱管和加熱器箱體組成，不銹鋼電加熱管內部有電加熱絲，空隙部分填裝有結晶氧化鎂粉末。結晶氧化鎂粉末具有良好的導熱性和電絕緣性，當高溫電阻絲中通有電流時，產生的熱通過結晶氧化鎂粉末向金屬管傳遞，金屬管通過對流和輻射換熱對壓縮空氣進行加熱。選用不銹鋼管可降低高溫下空氣的氧化作用。

圖1 優化改進后的壓縮空氣加熱器內部結構Fig.1 Structure of compressed air heater after optimizing

2 理論設計與計算

壓縮空氣在加熱器中的對流換熱可分為自然對流和強迫對流，強迫對流換熱強度要大于自然對流，所以，強迫對流換熱對加熱器的換熱效率提高有著非常重要的作用。

2.1 計算的已知條件

通過對某微熱再生吸附式干燥器的分析，高壓空氣通過減壓閥后的溫度約等于0℃，干燥塔解析壓縮空氣的需求為:壓力約為0.5 MPa，溫度約為100℃，其在標準狀況下的流量約為10 m3/h。

2.2 加熱器各參數的設計計算

通過確定加熱空氣所需的總熱量、加熱的平均溫度和傳熱系數，計算出傳統錯排結構的加熱器中加熱管的數量。

2.2.1 加熱所需的總熱量

經過減壓后的壓縮空氣溫度較低，加熱后，壓縮空氣的溫度升高，壓力也會隨之升高，依據能量守恒，工程設計計算中忽略溫度引起的壓力變化。

整個傳熱過程是變溫傳熱，加熱管壁面與壓縮空氣進口的溫差和出口的溫差相差較大，加熱管壁表面溫度設定為120℃，壓縮空氣進口溫度t1為0℃，出口溫度t2為100℃，則其對數平均溫差為

式中:Δt1為加熱管入口處加熱管與壓縮空氣溫差，120℃;Δt2為加熱管出口處加熱管與壓縮空氣溫差，20℃。

式中:P0為大氣壓力，0.1013 MPa;q0為標準大氣壓下的空氣流量，10 m3/h;P1為加熱管中的壓縮空氣壓力，0.5 MPa;T1為加熱管中的壓縮空氣平均溫度，333 K;Mol為空氣摩爾重量，28.97 kg/mol;R為氣體常數，8314 J/(mol·K）。

所以，0.5 MPa壓縮空氣在加熱管中的流量q1=2 m3/h，密度 ρ=5.23 kg/m3。

加熱壓縮空氣所需的總傳熱量為

式中:Cp為空氣比熱，1.003 kJ/(kg·K）;T1為入口溫度，273 K;T2為出口溫度，373 K。

所以，總的傳熱量Q=0.292 kW。

空氣的動力粘度基本不隨壓力的變化而變化，所以其運動粘度為

2.2.2 加熱器的相關參數

假定選用的加熱管直徑為20 mm，其中的加熱管采用錯排結構，管間距x1=x2=30 mm，錯排數目在16排以上，加熱器最窄處的流通面積A為100 mm×30 mm，則其最窄處的壓縮空氣流速為

所以，壓縮空氣流速c=0.185 m/s。

壓縮空氣在加熱器中流動時，其掠過管束的雷諾系數為

式中:A為加熱管面積，m2;l為加熱管長度，0.1 m。

所以，由式(10）和式(11）可得，n=31。

3 加熱器內流場數值仿真

使用Fluent軟件對傳統的錯排結構加熱器的內部流場和溫度場進行了數值仿真計算，并與理論計算結果相對比，二者的結果表現出非常高的一致性。由此，根據仿真結果得出的內部流場的流動特點，對加熱器結構進行了改進，改變了加熱器中的流道，不僅使加熱器的結構更加緊湊，而且也提高了加熱效率。

3.1 計算模型及其邊界條件

加熱器采用了加熱管錯開排列的結構，加熱器一端為壓縮空氣的進口，另一端為熱壓縮空氣的出口;模型采用了壓力求解器的穩態模型，選擇了隱式求解格式;選用能量計算方程，湍流模型采用了標準的k－ε模型;仿真模型的入口使用了速度入口邊界條件;流場的區域設置為壓縮空氣，密度修改為0.5 MPa下的實際密度值，其他各項保持原始數值;加熱管的壁面溫度設置為393 K，壁面與外界不發生熱量交換。上述加熱器仿真計算模型忽略了由于壓縮空氣溫度升高而引起的壓強和密度的變化，同理也忽略了密度和溫度的變化引起的導熱系數的變化。

3.2 仿真結果及分析

第一種加熱器仿真模型結構為傳統的加熱管錯排結構;第二種模型是為了減少加熱器長度，設計了折流板，增加了加熱器的高度，縮短了長度，通過數值仿真計算，得到了其內部溫度場和流場的分布情況，比對傳統結構的加熱器，加熱管數量減少，表明其加熱效率得到了提高;第三種結構是在分析了第二種加熱器內部流場的基礎上，對加熱器的折流板進行改進，變換為十字折流板，數值計算發現換熱效率進一步得到提高，驗證了改進前的設計依據。

3.2.1 傳統錯排加熱結構的仿真結果及分析

在圖2中，加熱器高度為50 mm，加熱管直徑為20 mm，加熱管按照設計進行錯排共計30個加熱管，入口處的壓縮空氣溫度約為273 K，經過加熱后出口的壓縮空氣溫度達到373 K，理論設計結果和仿真結果一致性程度較高，一定程度上表明了仿真模型建立的正確性。從圖3可看到，加熱器中間氣體流速較高，壓縮空氣在加熱器中的主要流動分布在加熱管內側，而加熱管外側與加熱器箱體壁面接觸的壓縮空氣流速較低。

圖2 加熱器中的壓縮空氣溫度分布圖Fig.2 Contour of temperature of compressed air

圖3 加熱器中的流場矢量圖Fig.3 Vector of velocity of compressed air

3.2.2 折流板結構的仿真結果及分析

在圖4中，該加熱器模型結構的特點是將長管道通過折流板將其縮短，增加了其高度，通過數值仿真，可以看到壓縮空氣出口的溫度約為365 K，但是加熱器中的加熱管數量為20根，較之傳統的錯排結構，加熱管數量減少了1/3。所以，該加熱器結構使加熱的效率得到提高。圖5中，在加熱器內部流場矢量圖中黑色箭頭所指的地方，皆形成壓縮空氣滯留區域，該區域壓縮空氣流速較低，壓縮空氣的導熱系數極低，所以該區域在加熱管旁邊的形成不利于壓縮空氣的加熱。通過分析可知，改變壓縮空氣滯留區域的位置使之遠離加熱管或者加強該區域的空氣流動，在一定程度上可以提高加熱器的加熱效率。

圖4 加熱器中的壓縮空氣溫度分布圖Fig.4 Contour of temperature of compressed air

圖5 加熱器中的流場矢量圖Fig.5 Vector of velocity of compressed air

3.2.3 十字折流板結構的仿真結果及分析

圖6是改進后的十字折流板加熱器結構模型，其加熱管數目為20根，壓縮空氣入口等各項邊界條件保持不變，其壓縮空氣出口溫度達到375 K，比折流板結構的出口溫度高出約10℃;從圖7加熱管內部流場分布圖中看出，加熱管兩旁的流速較高，在一定程度上加強了壓縮空氣的強迫對流換熱效果;壓縮空氣在十字板附近形成渦流，距離加熱管較遠，所以通過結構的調整使換熱器中的流場結構發生變化，提高加熱器的換熱效率是可行的。

圖6 加熱器中的壓縮空氣溫度分布圖Fig.6 Contour of temperature of compressed air

圖7 加熱器中的流場矢量圖Fig.7 Vector of velocity of compressed air

4 結語

本文給出了一種壓縮空氣加熱器的設計方法，并通過CFD技術對加熱器的內部結構進行了優化，得到如下結論:

1）通過對傳統的錯排式加熱器的計算分析和仿真分析，二者的結果一致性程度較高，表明可以通過仿真計算方法指導加熱器的內部結構改進設計。

2）通過對加熱器內部流場的仿真分析，發現傳統的錯排式加熱器中間氣體流速較高，而兩側流速較低，內部流場單一，強迫對流換熱效果較差，從而導致加熱效率較低;折流板結構加熱器內部存在空氣滯留區域，這些區域的存在也不利于加熱效率的提高;十字折流板式加熱器的加熱管四周氣體流動較為復雜，其強迫對流效果得到提高，仿真計算結果也表明該型加熱器加熱效率進一步得到提高。

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Im provement of structure design on com pressed air heater based on CFD

ZHANG Si-ping1，XIE Jiang-hui1，ZHANG De-man1，LIJian-guo2
(1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China;2.Ningbo Xingjian Space Machinery Co.Ltd，Ningbo 315153，China）

Under the high pressure air tepid regenerative dryerwork condition，the regenerative low pressure air need to reach a high temperature to improve the performance of regeneration.A traditional compressed air heater was designed for heating the air，and calculated the model of the heater by CFD，the results of simulation are in accordance with the results of theory.By building differentheatermodel，the internal flow field and temperature field are investigated，based on the results promoted the heater，and the results proved the effects.

compressed air;air heater;numerical simulation;air regenerative dryer

TK172

A

1672－7649(2013）03－0078－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.03.017

2012－10－11;

2012－11－06

張思平(1988－），男，碩士研究生，研究方向為高壓空氣品質控制技術。