立式套筒生物質熱風爐換熱器流動與傳熱數值計算

李玉宏 任慧剛 李琪飛 陳維鉛 黃騰 李濤

摘要：以西北地區某溫室增溫設備為研究對象，為了提高該增溫設備的換熱效率，對換熱器部件進行數值模擬計算。此次模擬采用realizable-湍流模型，速度和壓力的耦合采用SIMPLEC算法，分別對直形、蛇形繞管換熱器的換熱性能即對殼程空氣的加熱情況進行模擬計算。結果顯示，直行繞管換熱器殼程氣體平均出口溫度為358.89 K，將殼程空氣加熱了354.04 K;蛇形繞管換熱器殼程氣體平均出口溫度為368.89 K，將殼程空氣加熱了 364.04 K。說明蛇形繞管換熱性能較好，其管程中煙氣溫度降低幅度較大，殼程氣體加熱情況較好，流動速度分布均勻。

關鍵詞：生物質熱風爐;管殼式換熱器;流體流動;數值換熱;fluent模擬

中圖分類號： TK172.4;TK69? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）18-0189-07

收稿日期：2020-12-20

基金項目：甘肅省高等學校產業支撐引導項目（編號：2019C-20）;隴原青年創新創業團隊項目（編號：2020RCXM125）;甘肅省高等學校創新能力提升項目（編號：2019A-251）。

作者簡介：李玉宏（1967—），男，甘肅酒泉人，副教授，主要從事生物質能的開發與利用。E-mail：lyu9196@sohu.com。

通信作者：李琪飛，博士，副教授，主要從事流體機械流動理論方面的研究。E-mail：lqfy@lut.cn。

生物質熱風爐在人們的生產生活中用途廣泛，其工作方式為生物質顆粒燃料燃燒釋放熱量，通過高溫煙氣將空氣加熱，使得空氣溫度達到相關使用標準，用于生活采暖、工業生產、熱固化、糧食烘干、戈壁溫室等領域。本研究的生物質熱風爐為溫室專用，為了提高其換熱性能和效率，從熱風爐最主要的設備即換熱器的設計優化方面著手。在此基礎上設計2種類型換熱器對其進行數值計算。

管殼式換熱器是一種特殊設備，其類型眾多，特點各異，基本工作原理是將熱流體的一部分熱量傳遞給冷的流體，廣泛應用于工農業[1]。管殼式換熱器主要用于調節多種工作介質的溫度，是一種較為有效的回收利用余熱、廢熱的裝置[2]。蛇形繞管換熱器是最早出現的一種換熱儀器設備，其結構簡單、造價經濟，具有制造、安裝、清洗、維修方便等特點，由于其管子可以承受較大的壓力，通常用于高壓流體的冷卻或作為反應器的傳熱元件[3]。截至目前，蛇形繞管換熱器的換熱面積和壓降的計算主要依靠工程公式和類比的計算方法。隨著計算機技術和計算流體力學（CFD）的極速發展，采用數值計算的方法研究換熱器受到了很大的關注。早期對換熱器的計算研究大部分集中在換熱器單側的模擬研究，如單獨對一方面殼程流體或管程流體進行數值計算[4]。這類研究都是基于換熱管恒壁溫或恒熱流密度的假設條件下進行的，與實際情況存在一定的差異。隨著研究的深入，越來越多的學者開始計算整體換熱器的流動與傳熱情況研究[5]。羅亮利用Fluent軟件對翅片管換熱器進行了管內和管外整體耦合傳熱計算研究，得到了熱管兩側的對流換熱系數[6];付磊等利用Fluent對管殼式換熱器的流體流動以及其耦合傳熱進行了數值計算，分別得到管程、殼程的流速、壓降、溫度等相關參數信息[7];高緒棟等利用Fluent對管殼式換熱器進行了數值計算和優化設計[8-9]。

以上學者所研究換熱器的管程、殼程中的流體基本都為液體，而本課題研究的是立式套筒生物質熱風爐換熱器，其管程、殼程內流體分別為高溫煙氣和常溫空氣，基于氣體介質來分析優化換熱器結構。

本研究利用Fluent軟件[10]對熱風爐的2種不同類型換熱器模型進行傳熱數值計算，得出2種換熱器內的溫度和速度分布，并計算出2種換熱器管程和殼程的進出口溫度差，為2種不同類型換熱器的絕對換熱面積系數計算及速度分析提供新的方法和途徑。

1 仿真模型

1.1 物理模型的建立

本研究數值模擬的研究對象為某項目設計的生物質熱風爐的某一結構設備，即設計的2種不同類型換熱管的換熱器，此2類換熱器結構均由環繞熱管和殼體組成，有4個流體進出口，即煙氣進口、煙氣出口、空氣進口、空氣出口。溫度不同的2種氣體介質分別在給定的2個空間域中流動，通過壁面傳熱和氣體介質在表面的對流，實現了2種氣體之間的換熱。

模型的建立是進行后續數值計算的基礎，合理的模型能為后續網格劃分及計算省去很多麻煩。在三維軟件Creo 5.0中建立的2種換熱器模型分別如圖1、圖2所示，2種換熱器的參數分別如表1、表2所示。

換熱器的下方是爐膛，爐膛下方為燃燒室，木屑等成型生物質能燃料在換熱器下方燃燒，產生大量煙氣并伴隨著大量熱量流進換熱管（管程流體），換熱器上方出口（即煙氣出口）安裝有引風機。由于該熱風爐換熱器用于溫室加熱，故室內的常溫空氣從換熱器下方一側圓形入口進入，即殼程流體。直形繞管和蛇形繞管換熱器常溫空氣入口布置方式略有不同，直形繞管布置有4個空氣入口，直徑都為100 mm;蛇形繞管設置有1個空氣入口，其直徑也為100 mm。由后面數值計算結果得出，此類布置方式對數值計算結果沒有影響。殼程空氣流通過壁面導熱和常溫空氣在換熱管壁表面的對流獲得熱量，從換熱器另一側圓形出口流出變成所需的熱空氣。

1.2 模型處理及網格劃分

1.2.1 模型處理

為了方便分析，將2種類型的換熱管基本設計成對稱的布置方式。將2種換熱器的三維模型導入ICEM CFD 15.0中進行前期處理。分別抽取換熱器的流體域，即抽取空氣流體域、煙氣流體域和固體流體域。抽取的空氣與煙氣流體域如圖3至圖6所示。

1.2.2 網格劃分

網格劃分在整個數值計算中是非常重要的一個環節，網格類型和尺寸大小是否合理是進行數值計算過程中非常關鍵的一步，劃分出來的網格好壞直接影響到求解的準確性[10]。直形、蛇形繞管管程幾何形狀規則，故選擇四面體網格進行劃分，換熱管繞管屬于金屬材料介質，在進行前處理時，需要指定好材料屬性，圖7以直形繞管舉例說明。

殼程流場內部幾何結構比較復雜，因此不宜選擇六面體網格。四面體網格的自適應能力可以更準確地捕捉內部流場等信息。在殼程壁面設置邊界層網格，邊界層網格能較為準確地捕捉邊界層的流動和換熱狀況，減小邊界層效應的影響，如圖8、圖9所示。

2 基本方程與湍流數學模型

2.1 基本方程

本模型所用到的方程有質量守恒、動量守恒、組分守恒方程。由于氣體流動處于湍流狀態，還要遵守附加的湍流輸運方程[11]?？紤]到具有熱傳導或具有可壓縮性的流動，能量守恒方程求解必不可少，其微分方程表達式[12]為

div（v→h）=divλρgradT+Φ+Skρ。（1）

式中：ρ為流體密度;λ為流體導熱系數;h為流體的比焓;T為流體溫度;Φ為耗散函數;Sk為流體的內熱源;v為流體流速。

2.2 湍流數學模型

標準模型在計算彎曲壁面時會出現失真現象，而RNG k-ε模型[13]可以改進這一缺陷，但k-ε適用的流動類型比較廣泛，包括旋均勻剪切流等，因此選用realizable k-ε模型，其表達式為

ρdkdt=xjμ+μtσkkxj+Gk+Gb-ρε-YM;（2）

ρdεdT=xjμ+μtσEεxj+ρC1Sε-ρC2ε2k+vε+C1εεkC3εGb。 （3）

其中，C1=max0.43ηη+5，η=Sk/ε。

在上述方程中：k為湍流動能;ε為耗散率;xj為張量;t為時間;μt為湍流黏性渦團系數;Sk、Sε分別為湍流動能項、耗散項;v為運動黏度;Gk為平均速度梯度引起的湍動能;Gb為浮力影響引起的湍動能;Ym為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響;C2、C1ε、C3ε是常數;σk、σε分別是湍動能及其耗散率的湍流普朗特數;在FLUENT中，作為默認常數，C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2。

3 初始化及邊界條件的設置

由于立式套筒生物質熱風爐中的溫度壓力都是較高的，因此換熱管材質選用銅;而為了節省成本，其他殼程處采用Q235鋼。這2種金屬材料的物性參數如表3所示。

邊界條件的設定：2種換熱器煙氣進口、空氣進口均采用速度進口邊界，包括煙氣、空氣入口速度、壓力、溫度、湍流強度、水力直徑等;2種換熱器煙氣出口、空氣出口均設置壓力出口邊界條件，包括出口處相對壓力、湍流強度、水力直徑等;壁面邊界條件主要包括壁面溫度[14]。

4 模擬結果及分析

為了比較2種換熱器的換熱性能，引入絕對換熱面積系數（α），定義公式為：α=LA，其中，L為換熱管總長度;A為換熱總截面積。據已有工程經驗可知，絕對換熱面積α越小越有利于傳熱，因此結合數值計算結果和相關理論分析，比較2種換熱器的性能。

4.1 管程流場分析

換熱管的研究是換熱器結構研究的重點之一，對直形管換熱器與蛇形換熱器的各個場進行分析對比，對原始已有的2種換熱管進行優化，設計出效率更高的換熱管。

4.1.1 溫度場分析

圖10至圖12分別為從直形繞管換熱器煙氣進口某一橫截面到出口某一橫截面的換熱管溫度分布圖，直形繞管3個橫截面溫度分布趨勢大致相同，但大小有差異，這主要是由于直形繞管來回繞了4次的結果，圖中可以看出換熱管中心處溫度高，壁面周圍溫度低，而且溫度梯度較大。這主要是由于氣體流黏度的存在，靠近壁面周圍氣體流流動狀態為層流，且層流熱阻大，形成了熱邊界層，此處的傳熱效果不是特別理想。同樣邊界條件下的蛇形繞管整體換熱管溫度分布趨勢與直形管基本一致。

圖13、圖14所示為直形管程流體域軸向對稱面上的2個溫度分布云圖。圖15為蛇形管程流體域中間縱截面溫度分布圖，圖中所示煙氣的溫度逐步降低， 并且呈現出梯度降低趨勢。直形熱管高溫

煙氣進出口溫差為1 032.35 K，蛇形熱管高溫煙氣進出口溫差為639.15 K，這在一定程度上表明換熱比較明顯。

4.1.2 速度場分析

為進一步了解換熱管內的煙氣流動狀態對換熱器傳熱的影響，對煙氣流動的速度場進行分析。圖 16至圖18所示分別為直形換熱管2個縱截面和蛇形換熱管縱截面流體速度云圖。從圖16可以看出，管程中的流體在換熱管入口處流速先是稍有增大，然后到換熱管中部及后部流速基本穩定下來。由圖17可以看出，換熱管縱截面2的速度分布變化不是很明顯，速度梯度較小，速度較為穩定。從圖18可以看出，蛇形繞管換熱器管程中速度比較均勻，基本保持在5.2 m/s左右，在蛇形繞灣處靠近外壁面由于煙氣的沖擊作用速度較大，基本達到6.0 m/s，而靠近內壁面基本相反。綜上可知煙氣流體在換熱管內的速度變化幅度不大，湍流強度較小，傳熱阻力較大。

4.2 殼程流場分析

4.2.1 溫度場分析

圖19和圖20所示分別為直形換熱器殼程縱截面和出口處的溫度云圖，圖21為蛇形換熱器殼程縱截面溫度云圖。由圖19至圖21可知，殼程中空氣溫度總體上沿流體的流動方向逐漸升高，且離換熱管壁越近，溫度越高。但通過對圖21仔細觀察發現，在換熱器蛇形繞管中間某一塊區域溫度比周圍溫度高，這是因為空氣流在這個區域處于相對停止的狀態，與圖22速度圖對比可以發現，中間某一區域空氣流速度很低，可能是由于存在小渦流造成的，由于小渦流中的空氣流速度很低，因此這塊區域很快被加熱，又由于處于停滯狀態，熱量無法傳遞出去，因此這塊區域溫度相對較高，即形成了傳熱死區。由圖20可以看出直行繞管殼程出口處空氣流平均出口溫度為358.89 K，由于空氣進口溫度為278.00 K，故進出口溫差為354.04 K，即將殼程空氣流加熱了354.04 K，但其溫度呈現出梯度變化趨勢。由圖21可以看出，蛇形繞管換熱器空氣流出口溫度為368.89 K，由于進口溫度為 278.00 K，故進出口溫差為364.04 K，即將殼程空氣流加熱了364.04 K，溫度呈現較為均勻。

4.2.2 速度場分析

圖22所示為蛇形繞管換熱器殼程縱截面速度云圖，傳熱死區不是特別明顯，速度云圖恰好與溫度云圖相符合，在換熱器的左上角和右下角空氣流速度較高，而整個殼體中流體速度特別慢，幾乎處于停滯狀態，這也有利于空氣充分加熱，空氣流體從殼程入口進入，經過換熱管的擾流，斜向上沿殼程出口出去，故蛇形繞管有利于適當消除傳熱死區的存在，對殼程空氣流的加熱較明顯。

5 結論

直形繞管、蛇形繞管換熱器管程溫度分布基本一致，即換熱管中心溫度高，壁面溫度低，且溫度梯度較大，但蛇形繞管管程的溫度降得更明顯，這在一定程度上表明其換熱性能較好。

直行繞管殼程氣體溫度降為354.04 K，即將殼程空氣加熱了354.04 K;蛇形繞管殼程氣體溫度降為364.04 K，即將殼程空氣加熱了364.04 K。

蛇形繞管換熱器對空氣的加熱特性較好，主要原因與絕對換熱面積系數有關，即管長與殼程域中間縱截面（換熱管所占面積）的比值，對于直形換熱管α=0.012 7，對于蛇形換熱管α=0.009 65，因此α越小越有利于傳熱，這與數值模擬計算的結果相符合。

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