煙氣余熱回收翅片管換熱器的換熱性能分析

楊毅成，馬衛(wèi)國(guó)，盧雷，陳婷 (長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

目前，在我國(guó)的工業(yè)鍋爐中絕大部分是中小型鍋爐，這種工業(yè)鍋爐的排煙溫度較高，排煙熱損失大[1]。為了減少排煙熱損失，降低排煙溫度，一般是在鍋爐尾部增加余熱回收系統(tǒng)。余熱回收系統(tǒng)的核心部件為換熱器。翅片管換熱器為換熱設(shè)備中較常見(jiàn)的一種，廣泛應(yīng)用在一側(cè)或兩側(cè)需要強(qiáng)化換熱的情況[2]。相比于無(wú)翅片管，翅片管換熱器不僅能增加換熱面積，還能促進(jìn)煙氣的湍流流動(dòng)，增加傳熱效率，而且在相同熱負(fù)荷換熱時(shí)翅片管式換熱器所用管數(shù)要少[2]。

近年來(lái)，對(duì)于翅片管換熱器的研究主要集中于優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高換熱器的傳熱效率，更多關(guān)注于增大傳熱面積或者增大傳熱系數(shù)，即強(qiáng)化傳熱作用。對(duì)于提高翅片管換熱器傳熱效率的方法，許多研究者做過(guò)深入的分析。李長(zhǎng)生等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)平片高翅片管和波紋高翅片管進(jìn)行研究，擬合出了努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)、阻力系數(shù)和雷諾數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)系式，得出了在相同流速下的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的平均偏差。劉建勇等[4]通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同翅片間距的新型縱流一體式翅片管管外流道的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，得到傳熱系數(shù)與壓降的變化規(guī)律。A.Lemouedda、M.Breuer等[5]基于CFD分析法、遺傳算法和響應(yīng)面分析法對(duì)整體式翅片管換熱器三角翼導(dǎo)流板的角度進(jìn)行優(yōu)化。R.Karabacak、G.Yakar等[6]用實(shí)驗(yàn)的方法研究了在強(qiáng)制對(duì)流條件下開(kāi)孔的圓形翅片和未開(kāi)孔的圓形翅片的傳熱和壓力損失。

上述對(duì)翅片管換熱器的研究主要集中在結(jié)構(gòu)形式的改變對(duì)換熱性能的影響上，如增加導(dǎo)流板、在翅片上開(kāi)孔等。但是，基于實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法研究換熱器翅片間距、翅片厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣流量等工藝參數(shù)對(duì)換熱性能的影響及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的較少。下面，筆者基于Fluent軟件對(duì)煙氣余熱回收裝置的翅片管換熱器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，并將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的可行性。在此基礎(chǔ)上，研究了翅片厚度、翅片間距以及煙氣入口速度對(duì)換熱器的換熱性能的影響，旨在為優(yōu)化翅片管換熱器提供理論參考。

1 計(jì)算變量的定義

在下述數(shù)值模擬仿真過(guò)程中，為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)比分析，需對(duì)計(jì)算變量進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹[7]：

1)雷諾數(shù)Re。雷諾數(shù)Re是表征流體流動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)無(wú)量綱參量，反映的是流體的穩(wěn)定狀態(tài)，其計(jì)算式如下：

(1)

式中，ρ為煙氣密度，kg/m3；U為煙氣速度,m/s；D為管外徑,mm；v為動(dòng)力黏度,Pa·s。

2)煙氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)h。煙氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)h是表征換熱器換熱強(qiáng)度的物理量，其計(jì)算式如下：

(2)

式中，h為煙氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)；Q為流過(guò)換熱面的總換熱量,W；A總換熱面積,m2；ΔT為煙氣與翅片表面溫差,K。

3)努塞爾數(shù)Nu。努塞爾數(shù)Nu是表征換熱器對(duì)流換熱強(qiáng)弱的一個(gè)無(wú)量綱物理量，其計(jì)算式如下：

(3)

式中，L為特征長(zhǎng)度,m；λ為煙氣導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

4)摩擦系數(shù)f。摩擦系數(shù)f是表征流體流動(dòng)阻力和能量損失的物理量，計(jì)算中取摩擦系數(shù)來(lái)表征換熱器的壓力損失，其計(jì)算式如下：

(4)

式中，Δp為進(jìn)出口總壓降,Pa。

2 Fluent仿真

2.1 物理模型

翅片管換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，翅片管采用錯(cuò)排布置，橫排為8排，縱列為4列。換熱器換熱原理如下：熱煙氣由換熱器上部進(jìn)入，流經(jīng)翅片管間隙時(shí)，熱煙氣與翅片及管壁發(fā)生熱交換，將熱量傳遞給翅片和管壁；冷卻水由換熱器底部直管入口進(jìn)入，在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)與翅片及管壁進(jìn)行熱交換；熱交換過(guò)程中，流過(guò)換熱器的煙氣的溫度不斷降低，冷卻后的煙氣由換熱器底部排出，冷卻水的溫度不斷升高，由換熱器頂部直管出口排出，實(shí)現(xiàn)余熱回收。翅片管橫向間距L1=78mm，縱向間距L2=79mm，翅片間距L3=6mm，翅片厚度d=1mm，翅片管直管外徑D1=38mm，翅片外徑D2=63mm。由于翅片管的排列具有周期性和對(duì)稱性，因此取3橫排翅片管和1個(gè)翅片管間距中的氣流通道為研究對(duì)象，見(jiàn)圖2中虛線框所示。

圖1 翅片管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 計(jì)算區(qū)域示意圖

2.2 邊界條件

圖3 邊界條件示意圖

圖4 網(wǎng)格局部放大圖

對(duì)簡(jiǎn)化的翅片管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)做出以下假設(shè)[2,8]：煙氣在換熱器流道內(nèi)壁面處無(wú)滑移；煙氣物性參數(shù)為常數(shù)；煙氣流動(dòng)為三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；煙氣入口截面處煙氣的速度、溫度均勻分布；忽略翅片和管外壁的接觸熱阻，翅片根部溫度和管外壁面溫度相同；忽略管壁導(dǎo)熱，取管外壁面溫度為管內(nèi)流體溫度；翅片的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，且忽略自然對(duì)流和輻射對(duì)換熱的影響。

煙氣入口設(shè)置為速度入口邊界條件[1]，入口速度為0.645m/s，煙氣入口溫度設(shè)置為189.6℃；由于文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)環(huán)境為大氣常壓狀態(tài)，煙氣出口設(shè)置為自由壓力出口；管外壁面溫度設(shè)置為冷卻水進(jìn)口溫度的平均值(18.2℃)；設(shè)置翅片表面為無(wú)滑移邊界；設(shè)置流道上下表面及兩側(cè)面為對(duì)稱邊界，熱流量為0。計(jì)算區(qū)域邊界條件如圖3所示。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

數(shù)值計(jì)算區(qū)域的建模過(guò)程中，為了防止回流等現(xiàn)象對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響，對(duì)翅片管換熱器的進(jìn)出口部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)，入口部分延長(zhǎng)1.2倍翅片外徑，出口部分延長(zhǎng)3.6倍翅片外徑。在Meshing中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，翅片部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為六面體，流道部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為四面體，對(duì)翅片及翅片附近流道網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如圖4所示。

計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，由于二階迎風(fēng)差分格式比一階迎風(fēng)差分格式所產(chǎn)生的離散誤差小，所以動(dòng)量方程、能量方程以及湍流方程的離散化均采用二階迎風(fēng)差分格式；迭代收斂準(zhǔn)則采用Fluent選用的標(biāo)定殘差來(lái)控制方程的收斂精度，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程的相對(duì)殘差小于10-3，能量方程的相對(duì)殘差小于10-6。模擬設(shè)置中的煙氣與翅片管物性參數(shù)如表1所示，翅片管換熱器具體參數(shù)如表2所示。

表1 物性參數(shù)表

表2 翅片管換熱器具體參數(shù)表

翅片厚度、翅片間距、煙氣入口速度等參數(shù)是影響換熱器性能的主要因素，研究不同參數(shù)對(duì)換熱性能的影響，得出換熱器的合理結(jié)構(gòu)和煙氣流動(dòng)參數(shù)。具體分析步驟如下：①改變翅片厚度，其變化范圍為0.6～1.4mm，步長(zhǎng)為0.2mm，共5組，其余參數(shù)保持不變；②改變翅片間距，其變化范圍為4～8mm，步長(zhǎng)為1mm，共5組，其余參數(shù)保持不變；③改變煙氣入口速度，其變化范圍為0.245～1.045m/s，步長(zhǎng)為0.2m/s，共5組，其余參數(shù)保持不變。

2.4 計(jì)算結(jié)果

按照所選的模型與參數(shù)，采用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，圖5為煙氣入口速度為0.645m/s、翅片間距6mm、翅片厚度1mm情況下計(jì)算得到的流道中心截面的壓力、速度、溫度云圖。為了驗(yàn)證模擬仿真的正確性與可行性，將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖5 流道中心截面的壓力、速度、溫度云圖

如圖5(a)所示，由于翅片厚度較小(1mm)，在流動(dòng)方向上對(duì)煙氣流動(dòng)的影響較小，此時(shí)煙氣流動(dòng)的壓力損失主要是翅片壁面對(duì)流體的粘性阻力損失，所以在流動(dòng)方向上壓力變化較為有限。如圖5(b)所示，煙氣在入口處的速度分布較為均勻，由于煙氣入口速度較小(0.645m/s)，翅片管為錯(cuò)排布置，煙氣在流動(dòng)過(guò)程中由于相鄰橫排翅片的擾動(dòng)而流向翅片的背風(fēng)處，在翅片背風(fēng)處，煙氣的流動(dòng)速度增大。流道中心截面的溫度云圖如圖5(c)所示，可以看出，煙氣在入口處的溫度較高且分布均勻，隨著煙氣的流動(dòng)，其溫度迅速降低，煙氣在出口處溫度分布較為均勻。

如圖6所示，計(jì)算的出口溫度與文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)的出口溫度相對(duì)誤差為9%，模擬值與實(shí)驗(yàn)值符合良好，說(shuō)明模擬仿真有較好的可行性。

圖7為煙氣流動(dòng)方向的等距截面間的溫差與換熱量變化圖。由圖7可知，在煙氣流動(dòng)過(guò)程中，換熱量與溫度梯度成正比關(guān)系，在換熱器的前半段，煙氣換熱量大，溫差大，在換熱器的后半段，煙氣換熱量小，溫差小。

圖6 計(jì)算溫度與文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖 圖7 溫差與換熱量隨流動(dòng)距離變化圖

3 換熱性能影響分析

3.1 翅片厚度對(duì)換熱的影響

為了分析翅片管換熱器翅片厚度對(duì)換熱性能的影響，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)置不同的翅片厚度，計(jì)算影響換熱性能的主要指標(biāo)的變化規(guī)律及換熱器內(nèi)溫度的分布。

圖8為不同翅片厚度時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比圖。由圖8(a)可知，煙氣在流動(dòng)過(guò)程中，其溫度降低幅度由大到小變化，在換熱器的后半段，煙氣溫度逐漸趨于穩(wěn)定；由圖8(b)可知，隨著翅片厚度的增加，努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)均呈增大趨勢(shì)，Nu的增大表征著翅片管換熱器的對(duì)流換熱量增大，即換熱器的換熱能力隨翅片厚度的增加而得到增強(qiáng)。由圖8(c)可知，隨著翅片厚度的增加，摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì)，摩擦系數(shù)的減小表征著翅片管換熱器壓力損失降低。綜合考慮換熱能力及壓力損失，增加翅片厚度能夠一定程度的改善換熱器的性能。

圖8 不同翅片厚度的數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3.2 翅片間距對(duì)換熱的影響

為了分析翅片管換熱器翅片間距對(duì)換熱性能的影響，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)置不同的翅片間距，計(jì)算影響換熱性能的主要指標(biāo)的變化規(guī)律及換熱器內(nèi)溫度的分布，結(jié)果如圖9所示。

從圖9可知，努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)隨著翅片間距的增加而減小，摩擦系數(shù)隨著翅片間距的增加而增大，減小翅片間距能夠提高換熱器的換熱能力并降低換熱器的壓力損失。

3.3 煙氣入口速度對(duì)換熱的影響

為了分析煙氣流動(dòng)速度對(duì)換熱性能的影響，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)置不同的煙氣流動(dòng)速度，計(jì)算影響換熱性能的主要指標(biāo)的變化規(guī)律及換熱器內(nèi)溫度的分布， 結(jié)果如圖10所示。

從圖10可知，努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)隨著煙氣入口速度的增大而增大，摩擦系數(shù)隨著煙氣入口速度的增大而減小，增大煙氣的入口速度在一定程度上可以提高換熱器的換熱能力，同時(shí)降低換熱器的壓力損失。煙氣入口速度0.845m/s的模型對(duì)流換熱能力最強(qiáng)，換熱效果好。

圖9 不同翅片間距的數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖10 不同煙氣入口速度的數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4 結(jié)論

1)模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[1]實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差為9%，誤差產(chǎn)生的原因主要是由于模擬過(guò)程中忽略了輻射傳熱的作用及自然對(duì)流的影響，并且對(duì)物理模型與邊界條件的設(shè)定進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。模擬仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合良好，具有一定的可行性。

2)煙氣在流經(jīng)換熱器的過(guò)程中，溫差逐漸變小，在換熱器前半段，煙氣與翅片的溫差大，換熱量大，煙氣溫度急劇降低；在換熱器后半段，溫差變小，溫度逐漸趨于穩(wěn)定。

3)增大翅片厚度和減小翅片間距都能改善換熱器的換熱性能，并降低換熱器內(nèi)煙氣流動(dòng)的壓力損失；增加煙氣入口速度可以改善煙氣的流動(dòng)狀態(tài)，強(qiáng)化換熱作用，提高換熱器的換熱能力，同時(shí)也可以降低換熱器的壓力損失。采用Fluent軟件流場(chǎng)模擬方法可以優(yōu)化換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)。

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