燃?xì)獠膳療崴疇t冷凝換熱器數(shù)值模擬

梁展程

(廣東萬和熱能科技有限公司，廣東佛山528325)

1 概述

國內(nèi)外學(xué)者對波紋管換熱器管內(nèi)強(qiáng)化換熱的機(jī)理已有深入研究[1-3]，而管外換熱的相關(guān)研究則相對較少。本文以冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t的冷凝換熱器為研究對象，采用Fluent軟件模擬不同煙氣進(jìn)氣角下冷凝換熱器煙氣溫度場、傳熱系數(shù)、進(jìn)出口煙氣壓力降，根據(jù)模擬結(jié)果分析最佳煙氣進(jìn)氣角。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

對于冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t，按照品位對口的原則，冷凝換熱器(以下簡稱換熱器)用于預(yù)熱進(jìn)口冷水。換熱器采用殼管式換熱器，煙氣走殼程，冷水走管程。冷水由換熱器上部分水箱流入，流經(jīng)換熱管與煙氣換熱后由換熱器下部集水箱流出。煙氣由換熱器下部煙氣進(jìn)口流入，放熱后由換熱器上部煙氣出口流出。換熱器外形見圖1，圖中數(shù)值單位為mm，β為煙氣進(jìn)氣角。換熱管采用波紋管(見圖2)，波紋管光管直徑為12.6 mm，壁厚為0.3 mm，波紋高度為1 mm。

在建立幾何模型時(shí)，換熱器外殼內(nèi)壁面考慮兩種情況，一種為平面內(nèi)壁，另一種為波紋內(nèi)壁(波紋高度為2 mm，寬度為15 mm)，以下分別稱為平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器。對于兩種換熱器，僅在網(wǎng)格劃分時(shí)有所不同，對Fluent軟件的設(shè)置、求解等均一致。

圖1 換熱器外形

圖2 換熱管結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)格劃分

考慮到換熱管內(nèi)的水在流動過程中溫升比較小，因此將水側(cè)的換熱邊界條件簡化為換熱管壁溫恒定，僅對煙氣流域求解計(jì)算。采用ICEM 17.0軟件劃分網(wǎng)格，選用四面體網(wǎng)格方法，平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器的網(wǎng)格數(shù)分別約417×104、425×104個(gè)，并對換熱管外壁面進(jìn)行局部加密。換熱器沿Oz軸中間截面網(wǎng)格劃分見圖3。

2.3 各項(xiàng)設(shè)置

① 采用Fluent 17.0軟件進(jìn)行求解，選擇壓力基求解器，穩(wěn)態(tài)模擬，忽略重力對流場的影響。

② 模型中打開能量方程。考慮煙氣雷諾數(shù)比較低，湍流模型選擇k-ε realizable。由于幾何模型比較復(fù)雜，因此選擇對近壁網(wǎng)格容差性較好的Standard Wall Function(與k-ε湍流模型配套的近壁面經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，以增加邊界層求解的精確性)。

③ 物性參數(shù)，不考慮煙氣冷凝，因此可將煙氣側(cè)作為單相流動問題處理，根據(jù)煙氣成分?jǐn)M合物性參數(shù)。在擬合時(shí)將煙氣設(shè)定為低速流動，并視為不可壓縮理想氣體。煙氣比定壓熱容設(shè)為定值，為1 113 kJ/(kg·K)。對煙氣密度編寫UDF(User Defined Function，用戶自定義函數(shù))，定義煙氣密度與溫度的函數(shù)關(guān)系，UDF采用C語言編寫程序后加載到Fluent軟件中。

④ 邊界條件：a.按燃?xì)獠膳療崴疇t額定熱功率24.0 kW及相應(yīng)過剩空氣系數(shù)計(jì)算煙氣質(zhì)量流量，煙氣入口設(shè)定為質(zhì)量流量入口mass-flow-inlet，煙氣出口設(shè)定壓力出口pressure-outlet。煙氣質(zhì)量流量為0.014 4 kg/s，出口表壓設(shè)為0 Pa。b.換熱管為恒壁溫(333 K)，采用無滑移壁面。煙氣入口溫度為396 K，換熱器外殼設(shè)為絕熱壁面。

2.4 求解

利用有限體積法離散方程，耦合穩(wěn)態(tài)隱式格式求解[4]。壓力與速度的耦合計(jì)算采用Coupled求解方法，其中梯度插值選擇Green-Gause Node Based，壓力項(xiàng)選擇PRESTO，動量、能量以及湍動能、湍流擴(kuò)散率的求解均采用Second Order Upwind格式。亞松弛因子均取默認(rèn)值，定義收斂條件，能量方程殘差絕對值小于10-6，其余變量取10-5。

2.5 參數(shù)計(jì)算方法

① 傳熱系數(shù)

換熱器的傳熱系數(shù)K的計(jì)算式為：

式中K——換熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Φ——換熱量(可由煙氣質(zhì)量流量及進(jìn)出口溫差求得)，W

A——換熱面積(換熱管外表面積)，m2

Δtm——對數(shù)平均溫差，℃

② 煙氣壓力降

由Fluent軟件讀取。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 煙氣溫度場

煙氣垂直進(jìn)氣(β=0)條件下，平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器沿?zé)煔膺M(jìn)(出)口中間截面(沿Oy軸)的溫度分布云圖分別見圖4、5。由圖4、5可知，兩種換熱器煙氣入口右側(cè)(遠(yuǎn)離出口側(cè))均存在煙氣滯留區(qū)。由于波紋對換熱管與外殼間隙實(shí)現(xiàn)了填充，波紋內(nèi)壁換熱器不會出現(xiàn)平面內(nèi)壁換熱器的煙氣短路情況(部分進(jìn)口煙氣未經(jīng)換熱管與管內(nèi)冷水換熱，就流向煙氣出口)。波紋內(nèi)壁換熱器出口煙氣溫度明顯低于平面內(nèi)壁換熱器，說明波紋內(nèi)壁換熱器的換熱性能更優(yōu)。

圖5 波紋內(nèi)壁換熱器沿?zé)煔膺M(jìn)(出)口中間截面(沿Oy軸)的溫度分布云圖

3.2 傳熱系數(shù)及壓力降

平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器傳熱系數(shù)隨煙氣進(jìn)氣角的變化見圖6。由圖6可知，兩種換熱器的傳熱系數(shù)均隨煙氣進(jìn)氣角的增大而增大。主要是由于煙氣進(jìn)氣角的增大，有效減小了煙氣滯留區(qū)。相同煙氣進(jìn)氣角條件下，波紋內(nèi)壁換熱器的傳熱系數(shù)大于平面內(nèi)壁換熱器。

圖6 平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器傳熱系數(shù)隨煙氣進(jìn)氣角的變化

平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器煙氣壓力降隨煙氣進(jìn)氣角的變化見圖7。由圖7可知，兩種換熱器煙氣壓力降均隨煙氣進(jìn)氣角的增大而增大。主要是由于煙氣的流程隨著煙氣進(jìn)氣角的增大而加長。尤其是當(dāng)煙氣進(jìn)氣角大于45°后，煙氣從入口到出口的流動過程中，流動方向?qū)⒔瓢l(fā)生180°改變，導(dǎo)致煙氣壓力降增幅明顯。

相同煙氣進(jìn)氣角條件下，平面內(nèi)壁換熱器的煙氣壓力降小于波紋內(nèi)壁換熱器，主要是由于平面內(nèi)壁換熱器的煙氣短路。

圖7 平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器進(jìn)出口煙氣壓力降隨煙氣進(jìn)氣角的變化

3.3 最佳煙氣進(jìn)氣角

增大煙氣進(jìn)氣角，雖然可以提高換熱器的傳熱系數(shù)，但煙氣壓力降也隨之增大。因此，引入換熱器評價(jià)因子，以不同煙氣進(jìn)氣角下單位煙氣壓力降的傳熱系數(shù)與煙氣進(jìn)氣角為0條件下的比作為評價(jià)指標(biāo)，考核煙氣進(jìn)氣角的影響。換熱器評價(jià)因子μ的計(jì)算式為：

式中μ——換熱器評價(jià)因子

Ka——任意煙氣進(jìn)氣角下?lián)Q熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Δp——任意煙氣進(jìn)氣角下煙氣壓力降，Pa

Δp0——煙氣進(jìn)氣角為0條件下煙氣壓力降，Pa

K0——煙氣進(jìn)氣角為0條件下?lián)Q熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

根據(jù)上式計(jì)算不同煙氣進(jìn)氣角(0°～60°)對應(yīng)的換熱器評價(jià)因子，選取換熱器評價(jià)因子最大時(shí)對應(yīng)的煙氣進(jìn)氣角作為最佳煙氣進(jìn)氣角。

平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器評價(jià)因子隨煙氣進(jìn)氣角的變化見圖8。由圖8可知，對于平面內(nèi)壁換熱器，換熱器評價(jià)因子僅在煙氣進(jìn)氣角為15°時(shí)為1.001，達(dá)到極大值。對于波紋內(nèi)壁換熱器，當(dāng)煙氣進(jìn)氣角為30°時(shí)，換熱器評價(jià)因子達(dá)到了1.01，達(dá)到極大值。當(dāng)煙氣進(jìn)氣角達(dá)到45°后，兩種換熱器的評價(jià)因子均快速下降。平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器的最佳煙氣進(jìn)氣角分別為15°、30°。

4 結(jié)論

① 兩種換熱器煙氣入口右側(cè)(遠(yuǎn)離出口側(cè))均存在煙氣滯留區(qū)。由于波紋對換熱管與外殼間隙實(shí)現(xiàn)了填充，波紋內(nèi)壁換熱器不會出現(xiàn)平面內(nèi)壁換熱器的煙氣短路情況(部分進(jìn)口煙氣未經(jīng)換熱管與管內(nèi)冷水換熱，就流向煙氣出口)。波紋內(nèi)壁換熱器出口煙氣溫度明顯低于平面內(nèi)壁換熱器，說明波紋內(nèi)壁換熱器的換熱性能更優(yōu)。

② 兩種換熱器的傳熱系數(shù)均隨煙氣進(jìn)氣角的增大而增大。相同煙氣進(jìn)氣角條件下，波紋內(nèi)壁換熱器的傳熱系數(shù)大于平面內(nèi)壁換熱器。

③ 兩種換熱器煙氣壓力降均隨煙氣進(jìn)氣角的增大而增大。相同煙氣進(jìn)氣角條件下，平面內(nèi)壁換熱器的煙氣壓力降小于波紋內(nèi)壁換熱器。

④ 平面內(nèi)壁換熱器、波紋內(nèi)壁換熱器的最佳煙氣進(jìn)氣角分別為15°、30°。