基于低濃度瓦斯利用的換熱器設(shè)計(jì)及數(shù)值分析*

楊 攀，代華明，朱惠薇，張冰倩

(武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

煤炭開采時(shí)釋放的礦井瓦斯，容易引發(fā)煤礦安全事故，我國(guó)煤礦瓦斯事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)[1-2]。因此，礦井瓦斯排放對(duì)維護(hù)煤礦安全意義重大。但抽采瓦斯和通風(fēng)瓦斯中瓦斯?jié)舛容^低，特別是乏風(fēng)瓦斯在我國(guó)煤礦瓦斯總量中占比約81%，其瓦斯?jié)舛鹊陀?.75%，瓦斯氣體難以得到高效利用[3]。當(dāng)?shù)蜐舛韧咚贡恢苯优欧诺酱髿鈺r(shí)會(huì)造成清潔能源浪費(fèi)，同時(shí)導(dǎo)致嚴(yán)重溫室效應(yīng)。

瓦斯抽采和利用是促進(jìn)煤礦安全的重要技術(shù)手段。低濃度瓦斯利用成本高且效率低，大量煤礦減少瓦斯抽采設(shè)施布置，導(dǎo)致煤礦瓦斯事故頻發(fā)。瓦斯高效利用技術(shù)可有效提高瓦斯利用效率，為煤礦創(chuàng)造安全效益。低濃度瓦斯利用過程中，高效換熱器能顯著提高瓦斯初始溫度，使瓦斯氣體更容易達(dá)到反應(yīng)所需活化能，提高燃燒反應(yīng)強(qiáng)度，拓寬燃燒極限，進(jìn)而提高低濃度瓦斯利用效率，達(dá)到節(jié)能減排和提升安全效益的目的[4]。換熱器又稱熱交換器，是1種將溫度較高流體的熱量轉(zhuǎn)移至溫度較低流體的通用設(shè)備，在能源、醫(yī)藥、動(dòng)力、食品、機(jī)械等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。換熱器內(nèi)部強(qiáng)化傳熱主要包括增大傳熱面積，但考慮投資成本，不能無限增加換熱器傳熱面積，同時(shí)要求設(shè)備制造精密化；提高傳熱系數(shù)，主要考慮提高管內(nèi)外兩側(cè)傳熱系數(shù)[5-7]。針對(duì)乏風(fēng)瓦斯利用技術(shù)，換熱器安裝在乏風(fēng)瓦斯利用裝置進(jìn)氣端，且位于礦井通風(fēng)機(jī)排氣管之后。通過在管路通道中安裝阻火器、單向通風(fēng)裝置等安全設(shè)施，可有效確保換熱裝置安全高效運(yùn)行。換熱器通過充分利用瓦斯氧化燃燒反應(yīng)排放的高溫余熱煙氣，實(shí)現(xiàn)對(duì)新鮮氣流預(yù)熱[8-9]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)單一典型的換熱器傳熱機(jī)理開展研究：衛(wèi)利峰等[10]設(shè)計(jì)螺旋式換熱器，通過對(duì)橢圓管與圓管的換熱性能進(jìn)行比較，分析橢圓管入口角和橢圓截面比對(duì)換熱器傳熱性能的影響；向鵬飛[11]通過逆流分段設(shè)計(jì)法研究螺旋繞管式換熱器的換熱性能，從而對(duì)換熱器設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；王永紅[12]指出列管式換熱器現(xiàn)階段研究不足，指明列管式換熱器發(fā)展方向，為列管式換熱器研究提供理論依據(jù)；郭強(qiáng)等[13]利用Fluent對(duì)換熱器進(jìn)行流動(dòng)和傳熱模擬，分析換熱器有無插件對(duì)換熱性能的影響；司子輝等[14]研究2種翅片式換熱器的流動(dòng)和傳熱特性，分析其壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況，為換熱器研究和工程應(yīng)用提供參考；趙壯等[15]利用Fluent對(duì)光滑蛇管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，研究波紋管對(duì)換熱效率的影響；易杰等[16]研究分離式小螺旋管的流動(dòng)和換熱特性，分析表面作用對(duì)管內(nèi)流動(dòng)和換熱特性的影響。但目前關(guān)于相同工況下不同換熱裝置預(yù)熱效果對(duì)比的研究較少。

本文基于相同預(yù)熱室尺寸設(shè)計(jì)螺旋式、翅片式和列管式三維立體模型，對(duì)3種預(yù)熱方式在相同流速和預(yù)熱溫度等參數(shù)下進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過溫度和流場(chǎng)分布并結(jié)合換熱效率，對(duì)比分析3種預(yù)熱方式預(yù)熱效果，進(jìn)而對(duì)換熱器形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果可為基于預(yù)熱式乏風(fēng)瓦斯的高效利用提供理論依據(jù)。

1 物理和數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

3種換熱方式三維模型如圖1所示。模型均包括換熱管和恒溫室2部分。換熱管入口直徑18 mm，從左至右通入常溫氣體；恒溫室尺寸為200 mm×200 mm×150 mm，從下至上通入高溫氣體，保持恒溫室內(nèi)溫度穩(wěn)定。

圖1 3種換熱方式的幾何模型Fig.1 Geometric models of three heat exchange methods

1.2 控制方程

各控制方程見式(1)～(5)[17]。

1)質(zhì)量守恒方程如式(1)所示：

(1)

2)動(dòng)量守恒方程如式(2)所示：

(2)

3)能量守恒方程如式(3)所示：

(3)

4)湍流動(dòng)能方程如式(4)～式(5)所示：

(4)

(5)

式中：Cp為比熱容，J/(kg·K)；C1ε，C2ε，C3ε均為常數(shù)；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的紊動(dòng)能，J；Gb為浮力產(chǎn)生的紊動(dòng)能，J；k為導(dǎo)熱系數(shù)；Sk為k的源項(xiàng)；Sε為ε的源項(xiàng)；T為溫度，K；p表示壓強(qiáng)，Pa；xi，xj，xk表示坐標(biāo)方向，m；vi為速度，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；μ為動(dòng)力黏度，N·s/m3；ε為紊流耗散率；Ym表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率影響系數(shù)；σk為k的紊流普朗特?cái)?shù)；σε為ε的紊流普朗特?cái)?shù)；μt表示紊流度。

1.3 邊界條件

1)進(jìn)口邊界條件如式(6)所示：

vc=2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 m/s,Tc=298.15 K

(6)

式中：vc為換熱管通入新鮮氣流的流速，m/s；vh為預(yù)熱室通入高溫?zé)煔獾牧魉伲琺/s；，Tc為新鮮氣流的溫度,K；Th為高溫?zé)煔獾臏囟龋琄。

2)出口邊界條件為出口表壓0 MPa，出口環(huán)境溫度To=298.15 K。

3)壁面邊界條件為壁面溫度Tb=298.15 K，壁面可導(dǎo)熱，導(dǎo)熱系數(shù)(鐵)為80 W/(m·K)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同換熱方式對(duì)換熱效果的影響

首先對(duì)3種換熱方式進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比管內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化狀況選取最佳換熱方式。采用螺旋式、列管式和翅片式模型進(jìn)行恒溫加熱模擬實(shí)驗(yàn)。

設(shè)定換熱管入口流速為2 m/s，溫度為298 K，高溫區(qū)域入口流速為0.5 m/s，溫度為1 273.15 K。換熱管位于長(zhǎng)寬高為200 mm×200 mm×150 mm的恒溫氣體區(qū)域中，該區(qū)域從下至上通入高溫氣體，并通過換熱管導(dǎo)熱作用對(duì)管內(nèi)氣體進(jìn)行預(yù)熱，得到3種換熱方式的管內(nèi)溫度場(chǎng)的變化，如圖2所示。

圖2 3種換熱方式管內(nèi)溫度云圖及立體圖Fig.2 Cloud diagram and stereographic diagram of temperature in tube with three heat exchange methods

由圖2可知，主要溫度梯度集中在靠近管道內(nèi)壁相對(duì)狹窄的氣體區(qū)域，靠近管道內(nèi)壁且溫度較高的薄層稱為熱邊界層；在管壁附近的熱邊界層溫差梯度較大。模擬結(jié)果顯示，在氣體流速、預(yù)熱溫度相同條件下，螺旋式換熱效果相對(duì)最好，列管式換熱效果次之，翅片式換熱效果相對(duì)最差。3種換熱方式的出、入口溫度對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，在1 273.15 K的恒溫區(qū)域內(nèi)，翅片式出、入口溫度差相對(duì)最小，螺旋式出、入口溫差相對(duì)最大。綜上，3種方式換熱效果依次為螺旋式>列管式>翅片式。

圖3 出、入口溫度對(duì)比Fig.3 Comparison of outlet and inlet temperatures

氣體以一定速度在管內(nèi)流動(dòng)，由于黏性作用，在換熱管壁面附近形成速度邊界層。3種換熱方式在恒溫室內(nèi)氣體入口流速為0.5 m/s時(shí)，恒溫室內(nèi)氣體速度矢量圖如圖4所示。

圖4 3種預(yù)熱方式流速矢量圖Fig.4 Vector diagram of flow velocity with three preheating methods

在恒溫室截面上，氣體從下至上流動(dòng)同時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向和速度均發(fā)生變化。但區(qū)域內(nèi)氣體是在穩(wěn)定狀態(tài)下流動(dòng)的，對(duì)于整個(gè)截面來說，氣體平均速度保持不變。翅片式區(qū)域內(nèi)氣體整體流速差異較小，通過翅片式后存在渦流和回流現(xiàn)象，但氣體速度變化不明顯，對(duì)傳熱系數(shù)影響較小，故對(duì)傳熱效果影響也較小；列管式恒溫區(qū)域內(nèi)氣體流動(dòng)過程中，中間氣體沒有產(chǎn)生明顯渦流和回流現(xiàn)象，氣體流動(dòng)比較連續(xù)、穩(wěn)定，兩側(cè)氣體出現(xiàn)較明顯的渦流和回流現(xiàn)象，氣體通過列管后中間流速明顯增大，導(dǎo)致管外傳熱系數(shù)增大，傳熱效果得到有效提升；螺旋管區(qū)域內(nèi)氣體流動(dòng)狀況復(fù)雜，氣體流經(jīng)螺旋管后出現(xiàn)回流現(xiàn)象且流速增大，整體流向未發(fā)生明顯改變，但在靠近螺旋管區(qū)域內(nèi)氣體流向不穩(wěn)定，回流和渦流現(xiàn)象較明顯，因此傳熱效果相對(duì)最佳。氣體在恒溫室內(nèi)流動(dòng)狀況充分說明3種換熱方式的傳熱效果依次為螺旋式>列管式>翅片式。

2.2 不同冷、熱空氣流速對(duì)換熱效果影響

不同流速下軸向溫度分布如圖5所示。管道入口流速由2.0 m/s增至4.0 m/s，間隔為0.5 m/s。同一常溫氣體流速下，高溫氣體流速增加對(duì)溫度的影響逐漸變小，但總體呈上升趨勢(shì)，由于高溫氣體流速增加，管外對(duì)流換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)增大，且相同時(shí)間內(nèi)通過螺旋管的高溫氣體增多，總熱量增大，導(dǎo)致管內(nèi)氣體溫度增加。由圖5可知，隨常溫氣體流速增大，氣體升溫速率逐漸降低。因?yàn)樵谕桓邷貧怏w流速下，常溫氣體流速越大，相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)入管道中的新鮮常溫氣體越多，恒溫室對(duì)常溫氣體預(yù)熱不夠充分，導(dǎo)致升溫速率降低。

圖5 不同流速下軸向溫度分布Fig.5 Axial temperature distribution under different flow velocities

出口處氣體最高溫度如圖6所示。出口溫度隨常溫氣體流速升高而降低，隨高溫氣體流速升高而升高；當(dāng)高溫氣體流速?gòu)?.10 m/s增至0.30 m/s時(shí)，出口溫度明顯升高，當(dāng)流速繼續(xù)增加，溫度變化相對(duì)較小。當(dāng)常溫氣體流速?gòu)?.0 m/s增至4.0 m/s時(shí)，出口溫度逐漸下降，且下降速率大致相同，但下降幅度較小。流速主要從2個(gè)方面影響換熱效率：一方面通過流速的增加，提高螺旋管內(nèi)外對(duì)流換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)，且流速越快，高溫氣體換熱后熱量補(bǔ)充速度越快，促進(jìn)換熱管內(nèi)外熱量交換，提高總換熱量，使溫度升高；另一方面，流速增加會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱量增加，但換熱量增加導(dǎo)致螺旋管內(nèi)外:平均溫差減小，換熱器換熱量增加幅度逐漸減小，流速增大后不足以使常溫氣體溫度升高，導(dǎo)致出口溫度降低。

圖6 不同流速的出口處最高溫度Fig.6 Maximum temperature at outlet under different flow velocities

2.3 不同熱空氣溫度對(duì)換熱效果的影響

不同高溫氣體溫度下的溫度云圖如圖7所示。隨高溫氣體溫度增加，溫度呈上升趨勢(shì)，但出口溫度與高溫氣體溫差逐漸增大。這是因?yàn)楸M管高溫氣體溫度增加，但氣體流速不變。由上文可知，氣體流速影響換熱效率，因此當(dāng)流速不變時(shí)，換熱效率不變，所以溫度越高，出口溫度與高溫氣體溫差越大。由圖7可知，高溫氣體溫度增加，常溫氣體溫度增長(zhǎng)速率逐漸增大，2種氣體間溫差越大，換熱速率越快。

圖7 不同預(yù)熱溫度下溫度云圖Fig.7 Cloud diagram of temperature under different preheating temperatures

不同高溫氣體溫度軸向溫度分布如圖8所示。由圖8可知，高溫氣體溫度增加，常溫氣體每個(gè)位置對(duì)應(yīng)溫度逐漸增大，T1到T2溫度增量小于T2到T3的溫度增量，T2到T3溫度增量大于T3到T4溫度增量。常溫氣體溫度增長(zhǎng)速率先增加后減小，由T2到T3溫度增長(zhǎng)速率相對(duì)最高。原因是氣體在預(yù)熱室內(nèi)停留時(shí)間越短，通過熱傳導(dǎo)和熱輻射交換的熱量越少，氣體從T1到T2時(shí)交換的熱量小于T2到T3交換的熱量，所以初始溫度增長(zhǎng)率增加；另一方面，隨溫度增加，常溫氣體與預(yù)熱室內(nèi)溫差逐漸減小，換熱速率變慢，即溫度上升速率變慢，所以T3后溫度增長(zhǎng)率逐漸降低。

3 結(jié)論

1)常溫氣體在螺旋管內(nèi)預(yù)熱后出口溫度相對(duì)最高，列管式次之，翅片式相對(duì)最低；由高溫氣體在恒溫室內(nèi)流動(dòng)狀況可知，螺旋式對(duì)氣流影響相對(duì)最大，列管式次之，翅片式最小；所以3種換熱方式傳熱效果依次為螺旋式>列管式>翅片式。

圖8 不同預(yù)熱溫度軸向溫度分布Fig.8 Diagram of axial temperature distribution under different preheating temperatures

2)流速主要從2個(gè)方面影響換熱效率：流速增加提高螺旋管外的對(duì)流換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)，流速增大促進(jìn)換熱管內(nèi)外熱量交換，提高總換熱量，使溫度升高；流速增加導(dǎo)致?lián)Q熱量增加，但隨換熱量增加，螺旋管內(nèi)外平均溫差減小，則總換熱量增加逐漸減小，流速增大后不足以提高常溫氣體的溫度，導(dǎo)致出口溫度降低。

3)隨預(yù)熱溫度增加，出口溫度逐漸增大，溫度增加速率呈先增大后減小趨勢(shì)，且隨預(yù)熱溫度增加，出口溫度與預(yù)熱溫度差值逐漸變大。