一種新型受熱面傳熱和流動特性的數值模擬及實驗研究

杜文靜，王沛麗，程林

（山東大學熱科學與工程研究中心，山東 濟南 250061）

引 言

我國能源利用率只有35%，比發達國家低約10%，至少有50%的工業耗能以各種形式的余熱被直接廢棄，而這一部分余熱占其燃料消耗總量的17%～67%[1]。水泥行業作為工業耗能大戶，所耗能 源占工業總能源消耗的30%～40%[2]。水泥在生產過程中需要在回轉窯內進行高溫反應，物料溫度可達1400～1450℃，煙氣最高溫度可達1700℃左右。除去水泥生產過程中的預分解和烘干析料的熱量，廢氣中余熱約為670～1000 kJ·(kg熟料)-1。我國現有回轉窯生產線1200余條，生產能力近1.4億噸[3]。若能將這部分熱量回收，對水泥行業的節能減排意義巨大。目前應用最廣泛的技術為余熱鍋爐回收余熱[4-7]。余熱鍋爐中最常見的換熱方式為外掠管束換熱，管束有叉排和順排兩種方式。叉排時流體在管間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動，比順排時在管間走廊通道的流動擾動劇烈，叉排的換熱能力通常比順排的強。同時，叉排管束的流動阻力大于順排，但對于需要沖刷清洗的管束，順排具有易于清洗的優點[8]。

針對水泥行業中低溫熱源的基本特征，著力于解決余熱鍋爐常見受熱面中換熱、流動阻力和清洗之間的矛盾，本文提出了一種新型菱形受熱面結構。本文采用數值模擬的方法，運用CFD分析軟件Ansys CFX 14.0，計算了不同工況下新型受熱面結構的傳熱和流動特性，與傳統的順排和叉排布管方式進行比對。實驗結果進一步說明了這種新型受熱面的傳熱和流動特性。

1 數值計算模型

1.1 物理模型

選取順排和叉排布管受熱面與新型菱形布管受熱面進行對比研究。需要說明的是，在構建物理模型時，必須保證3種受熱面具有相同的換熱面積，以獲取管束排列方式改變對換熱器性能的影響。通過計算可知，三者傳熱面積的差別小于2%，因此，不同受熱面在傳熱和流動阻力方面的差別均是由管束排列方式不同所引發的。3種受熱面具體結構參數列于表1，圖1為其結構簡圖。簡化后菱形受熱面結構計算區域物理模型如圖2所示，模型大小為2.5 m×3 m×0.5 m。

表1 傳熱面的結構參數 Table 1 Structural parameters of heat transfer surface

圖1 3種管排方式結構簡圖 Fig.1 Structure diagram of heat transfer surface

圖2 計算區域物理模型 Fig.2 Computational domain of physical model

1.2 湍流模型與控制方程

殼側介質流動是三維湍流運動，選用標準k-ε模型。流體流動遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律[9]。其通用控制方程可表示為[10]

當?取不同的變量時，式(1)分別代表連續性方程、動量方程、能量方程和k-ε方程，擴散系數Γ和源項S分別對應不同的值[11]。

1.3 基本假設與邊界條件

殼側流體為煙氣，可視為不可壓縮流體，流動在計算工況范圍內為湍流，傳熱為穩態傳熱；忽略重力和浮升力的影響，忽略黏性耗散作用所產生的熱效應。將介質的密度、熱導率、比定壓熱容及黏度擬合為溫度的線性函數。入口為速度入口邊界，給定質量流量和溫度Tin=200℃；出口為壓力出口邊界；換熱管表面定義為恒壁溫邊界，壁面溫度Th=100℃；其他各面定義為不可滲透、無滑移絕熱邊界條件。定義各方程收斂條件為平均殘差絕對值小于1.0×10-5。

1.4 網格生成與獨立性驗證

圖3 殼側表面傳熱系數與壓降隨網格數目的變化 Fig.3 Shell-side heat transfer coefficient and pressure drop versusgrid number

對受熱面采用非結構網格劃分，同時應用網格自適應技術根據溫度和速度梯度的大小對網格進行3次粗化和細化迭代。為了考核網格的獨立性，對新型菱形受熱面結構進行網格劃分，建立了數目分 別為644萬、1047萬、1515萬、2046萬個的4套網格系統。當殼側Reynolds數Re≈5380時，對4套網格系統分別進行數值計算，得到殼側表面傳熱系數和壓降隨網格數的變化規律，如圖3所示。最后兩組網格計算結果相差在1%以內。綜合考慮計算精度及效率，最終確定網格數目為1515萬。

2 實驗研究與模擬結果及分析

2.1 實驗研究

在一臺U形立式直流余熱鍋爐中設計組裝了新型菱形受熱面。受熱面由24件?38 mm×3.5 mm蛇形管管屏和兩件聯箱構成。管內工質為水，管外為高溫煙氣。管屏與水平面呈45°夾角，使得受熱面具有叉排布置的特征；流動方式采用多次混流，熱風由上往下進入，水由受熱面下部進口管進入，可以顯著提高平均溫差。煙道入口和出口處各安裝一定角度的擋流板，以改善內部熱風的流場和溫度分布場，可有效提高對流換熱的表面傳熱系數。圖4為菱形受熱面的實物。

圖4 新型菱形受熱面實物圖 Fig.4 Picture of heat transfer surface

囿于篇幅限制，關于本實驗的詳細內容將在后續相關文章中進行闡述。本文只給出部分實驗數據用于驗證數值模擬方法的可靠性。

2.2 數值模擬方法驗證

將實驗數據與數值模擬值進行對比，由圖5可知，進出口煙氣溫差的模擬值與實驗值的變化趨勢一致，最大偏差為9.6%。偏差在合理的范圍內，證明了本文所采用的數值計算方法的可靠性。存在偏差的主要原因是殼體壁面簡化為絕熱邊界條件，換熱管表面簡化為恒壁溫邊界條件，與實際情況有一定的偏差。實際工況中存在散熱，所以模擬值比實驗值低。

圖5 進出口煙氣溫差的實驗值與模擬值比較 Fig.5 Comparison of temperature difference between experiment results and simulation results

2.3 數值模擬傳熱特性和阻力特性分析

殼側Reynolds數Re≈4300時，新型菱形布置受熱面結構中溫度、速度、壓力分布如圖6所示。從圖6 (a)可知，煙氣流經折流板后，與冷源管束開始進行換熱?？拷肟谔師煔馀c管壁溫差較大，換熱強烈，溫度降低較明顯。之后溫度分布相對比較均勻。同時，由于左側管束排列較緊密，左側換熱相對強烈，圖中體現出左右不完全對稱的分布現象。由圖6 (b)可以看出在折流板的擾動作用下，靠近入口處煙氣流動劇烈，流速很大。之后速度分布相對比較均勻。圖中也體現出左右不完全對稱的分布現象。圖6(c)中，可以明顯看到壓力分布與速度分布相聯系，速度降低較大的位置其壓力損失也相對較大。在折流板附近，湍流度最高，對應的壓降最大。圖中也體現出左右不完全對稱的分布現象。由此可知，在前幾排迎風面處換熱較強，速度較大，相應的壓降較大。

圖6 殼側傳熱和流動情況 Fig.6 Shell-side condition of heat transfer and flow

圖7為殼側Nusselt數Nu隨Reynolds數Re的 變化。結果表明，3種布管方式對應的Nu都隨Re的增加而增大，且新型菱形受熱面結構的傳熱性能要高于其余兩者。這是因為菱形布管排布比叉排更加紊亂，使得流動擾動劇烈，同時煙氣入口處的折流板也進一步增強了擾動。

圖7 殼側Nu隨Re的變化 Fig.7 Variation of Nu versusRe

圖8 殼側阻力系數隨Re的變化 Fig.8 Variation of fversusRe

圖8為殼側阻力系數f隨Re的變化。從圖中可 以看出，殼側阻力隨Re的增加而增大，Re越大阻力增加的幅度越明顯，新型菱形受熱面結構引起的壓降大于其余兩者。主要是因為管束的阻力以及折流板對流體的阻擋作用。

為了在相同輸送泵功下評價傳熱強化的效果，PEC（強化換熱綜合性能評價指數）通?？捎米鱾鳠釓娀夹g的評價準則[12-14]。

本文中 0Nu和0f表示相同Re下管束順排布置時的Nusselt數和阻力系數。PEC 大于 1，表明在相同輸送功率下，該布管方式下的傳熱能力比順排布置的要高。

圖9給出了PEC隨Re的變化規律。受熱面結構的綜合換熱性能隨著Re的增加逐漸下降，趨于平緩。Re相同時，菱形受熱面結構的綜合性能高于順排布管受熱面，主要原因是強化傳熱速率占主導地位，而流動阻力的增加相對處于次要地位。入口折流板能給流體施加較強的擾動，傳熱能力提高，因此綜合性能指標PEC值較高。叉排布管受熱面的 綜合性能低于順排布管受熱面，主要原因是壓降的增加超過傳熱系數的提高，但總體相差不大。

圖9 綜合性能評價指數PEC隨Re的變化 Fig.9 Variation of PECversusRe

2.4 熵產分析

為了從機理上揭示受熱面的傳熱和流動特性的分布規律，本文基于熱力學第二定律，采用從能量利用的質量角度出發的熵產分析法進行了研究[15-18]。通常在換熱設備中，熵產主要是由有限溫差傳熱和流體流動過程中克服摩擦阻力兩部分引起 的[19]。圖10為熵產率隨Re的變化。從圖中可以看出，熵產率隨Reynolds數的增加而增大。同一Re下菱形受熱面結構的熵產率最小，叉排布置受熱面結構的熵產率最大。因此菱形受熱面結構中不可逆損失較小，熱流體性能較好。

圖10 熵產率隨Re的變化 Fig.10 Variation of SgversusRe

基于熵產均勻性原理，即熵產均勻分布時其換熱器的熵產達到最小。為了更加方便地應用熵產均勻性因子評價換熱器的性能，定義了熵產均勻性系數[20-21]為

式中，σ為熵產率。當局部熵產率為常數時，Ψ=1；當局部熵產率不均勻時，Ψ ＜1，局部熵產率越不均勻則Ψ值越小。圖11 給出了3種布管方式下流體域內熵產均勻性系數隨Re的變化曲線。同一Re時，新型菱形受熱面結構的均勻性系數最高，叉排布管受熱面結構的均勻性系數最低。這與上述熵產率的分析結果一致。

圖11 Ψ隨Re的變化 Fig.11 Variation of ΨversusRe

3 結 論

（1）提出了一種新型菱形受熱面的結構。該結構可用于布置余熱鍋爐中的各級受熱面，具有換熱性能好、易清洗、吹灰效率高等特征，適用于常見中低溫余熱資源的回收利用。

（2）實驗和數值分析結果表明，在傳熱過程中，菱形受熱面殼側對流換熱的表面傳熱系數高于叉排和順排，流動阻力也相對較大。運用PEC綜合評價指數得知菱形受熱面殼側的綜合性能亦優于叉排和順排。

（3）采用熵產分析法從機理上進一步分析了菱形受熱面殼側的傳熱和流動分布特性，得到了與PEC綜合評價指數一致的結論。

符 號 說 明

f——阻力系數

h——殼側對流換熱的表面傳熱系數，W·m-2·K-1

Nu——Nusselt數

PEC——強化換熱綜合性能評價指數

ΔP——殼側壓降，Pa

Re——Reynolds數

Sg——熵產率，W·K-1

T——溫度，℃

ψ——熵產均勻性系數

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