給水加熱器過熱段的數值仿真

徐 青，姜一帆

（上海船舶研究設計院，上海 201210）

0 引 言

熱交換器用于許多領域，比如化工、冶金、能源和其他工業領域，且在工業系統的動力耗能和設備投資中也占了很大的投資比例。 有關數據顯示，化工應用中熱交換器的投資比例約占設備總投資的30%；在煉油領域，占工藝設備總投資的40%左右；在火電廠中，約占設備總投資的70%；在海水淡化領域，幾乎所有設備都由熱交換器組成[1]。 因此，優化熱交換器的傳熱性能，在較多領域都可以減少設備投資和運行費用。

作為熱力系統中的輔助換熱器，給水加熱器是一種通過引入汽輪機中的蒸汽來加熱通往鍋爐給水的管殼式換熱器，提高其效率可增加熱力系統的運行經濟性[2]。 給水加熱器內部分為三段，分別為過熱蒸汽冷卻段，蒸汽凝結段和疏水冷卻段。 過熱蒸汽段和疏水冷卻段通常在給水加熱器的包殼內。 管外從汽輪機中抽取的過熱蒸汽首先進入過熱蒸汽段，在弓形折流板的作用下橫向流過管束，在殼側進行Z形流動，加熱管內給水。在蒸汽冷卻段的出口處，仍然保持一定過熱度的蒸汽進入蒸汽凝結段，將蒸汽冷凝時釋放的汽化潛熱用來加熱管內的給水。 凝結水進入疏水冷卻段，將熱量傳遞給剛進加熱器的給水[3]。

給水加熱器中，管束的排列方式、折流板的間距和缺口高度、折流板的不同的結構形式，管板的厚度等結構參數對給水加熱器內換熱介質的流動與換熱均有影響。 雖然給水加熱器的結構形式在電廠中已逐漸成熟，但其仍有許多結構優化和強化傳熱的潛力空間。

原先換熱器優化設計都是通過理論與實驗相結合的方式。 通過實驗測得數據，再對數據進行擬合得到相應的流動與傳熱的關聯式。 但由于實驗方式需要耗費較長的研發周期，同時也受到實驗條件和成本的制約，且不能夠得到直觀的換熱器內部的速度場與溫度場。 隨著數值計算技術的發展，計算流體力學（CFD）這門學科已經能夠應用于航空航天、動力、水利、車輛等的外部流場和化學容器、鍋爐等內部的化學反應、燃燒、傳熱傳質等很多領域[4]。 計算流體力學同樣能夠對換熱器進行數值模擬研究，且很多學者通過數值模擬對換熱器進行了較多的結構與傳熱優化的改進。

英國學者Patankar與Spalding[5]最先將數值模擬應用于管殼式換熱器殼側流場的研究。Habib[6]等對在周期性流動的通道內的湍流流動提出了一種計算流動和傳熱的計算方法，即對質量、動量和能量的時間平均守恒方程使用有限控制體積法一起求解，求解得到的結果與實驗數據符合較好。 Prithiviraj和Andrews[7]對帶有弓形折流板的管殼式換熱器進行了模擬研究，模擬中湍流效應使用添加了附加源項的k-ε方程進行模擬，計算結果與實驗所測結果符合較好。

在國內，王定標等[8，9]進行了縱流殼程換熱器的三維結構對殼程流動與換熱影響的數值模擬研究。 鄧斌[10]對弓形折流板、螺旋折流板、翅片管束式和板翅式換熱器進行了殼側的三維數值模擬研究，數值模擬結果與實驗結果符合較好，最大偏差為18%。 劉敏珊等[11]采用Fluent軟件對帶有單弓形折流板的管殼式換熱器殼側流場進行了數值模擬，結構優化后加強了換熱效果，減小了壓降損失。

本文以計算流體力學商用軟件Fluent為平臺，對給水加熱器的過熱蒸汽冷卻段的管內外換熱性能進行研究。 針對某廠的低壓給水加熱器的運行工況條件進行模擬計算，將模擬計算結果與該臺給水加熱器實際運行參數進行對比，根據對比結果評估模擬計算的可靠性。

1 給水加熱器過熱段的計算模型

1.1 幾何模型簡化

本文研究的過熱蒸汽冷卻段在給水加熱器中的包殼內，包殼的截面是圓弧面。 圖1 為過熱蒸汽段的結構示意圖。 結構示意圖中，未畫出管板、管子支撐、拉桿和定距桿等部件，這些部件在換熱器換熱中影響不大，故省略。

圖1 過熱蒸汽段的結構示意圖

圖1 所示的過熱蒸汽段中在蒸汽入口處有一塊大折流板，后面的四塊為小折流板，上下布置，奇數塊折流板結構相同，偶數塊折流板結構相同。因過熱蒸汽段在給水加熱器中與蒸汽凝結段相通，故將包殼右側端面除去管束給水進口的面積作為過熱蒸汽出口。 因過熱蒸汽段的幾何結構滿足對稱性要求，故只取一半的模型進行建模。 經一定的幾何簡化，過熱蒸汽段的三維模型圖如圖2 所示。 表1 列出了過熱蒸汽段的主要結構參數。

表1 過熱蒸汽段主要結構參數

圖2 過熱蒸汽段三維模型圖

為方便模擬計算，對過熱蒸汽段的物理模型進行適當的簡化假設[12]：

1）管內外流體均為各向同性的，均勻連續的不可壓縮牛頓流體，且物性穩定；

2）流體的流動與換熱均是穩態的，不隨時間變化；

3）殼側與管側的流體在入口截面處速度和溫度分布均勻；

4）換熱管的導熱系數不隨溫度而變化，為常數；

5）外殼與折流板均簡化為面，外殼與環境絕熱；

6）不考慮折流板與包殼、折流板與管壁之間的漏流，不考慮輻射換熱與重力影響。

1.2 幾何模型網格劃分

本論文是使用Ansys ICEM 軟件對簡化后的幾何模型進行網格劃分。

在過熱蒸汽冷卻段，用八叉樹方法在管內外生成了非結構化網格，以四面體網格為主。 因靠近管壁處的流體區域溫度梯度與速度梯度變化較大，故在近壁處劃分了以棱柱網格為主的邊界層網格。 圖3 和圖4 分別為管側的網格截面圖與殼側網格部分截面圖，圖5 為過熱蒸汽段的整體網格圖。

圖3 管側網格截面圖

圖4 殼側網格部分截面圖

圖5 過熱蒸汽冷卻段整體網格

1.3 物性參數及邊界條件的設置

根據廠家給出的實際產品的熱平衡圖，可以知道過熱蒸汽與給水的流量，過熱蒸汽進口焓值，給水出口焓值。 過熱蒸汽段出口蒸汽溫度一般取高于冷凝溫度35℃，結合蒸汽側的壓力即可查得蒸汽出口的焓值，再根據熱平衡方程可求得給水進口的焓值，又根據水側壓力，可查得給水進口的溫度，則過熱蒸汽段的各個進出口的溫度均可獲得。再根據工質的溫度和壓力，通過軟件REFPROP即可查詢相應的物性參數。 表2 為過熱蒸汽段的物性參數表。

表2 過熱蒸汽段物性參數表

換熱管壁的材料是不銹鋼，查得不銹鋼的導熱系數為16.6 W/（m·K），將污垢熱阻（0.00007 m2·K/W）折合到導熱系數上，則不銹鋼管壁的折合導熱系數為7.1 W/（m·K）。

在過熱蒸汽段，由于管內外流體的流量已知，流體入口的實際面積已知，入口速度便可求出，選擇速度入口邊界條件。 出口設置為壓力出口，壓力出口邊界條件可以較好地解決回流問題。

湍流模型選用標準的k-ε模型，模型中的各個系數在Fluent軟件中保持默認。 出入口湍流特征通過輸入湍流強度和水力直徑的方式來設置。

對于換熱管管壁，因管內外都有流體，且在流體流動方向上，換熱管的溫度也是變化的，故將換熱管設置為耦合壁面。 對于包殼壁面與折流板，則設置為絕熱邊界條件。

2 計算求解的設置和對模擬收斂性的判斷

求解類型選用適用于低速不可壓流動的壓力基求解器，選用SIMPLE算法對控制方程進行離散，選用一階精度的一階迎風格式對控制方程中的對流項進行離散。

在Fluent中對于模擬收斂性的判斷，主要有下列幾種方式：

1）監視殘差的變化。 對于穩態計算，要求所有控制變量的殘差低于所設定的殘差標準。 對于殘差曲線呈現水平不變的計算，單從殘差角度考慮，該計算是不收斂的。

2）監測重要物理量的變化。 對于該流動換熱過程重要的物理量進行監測，若在計算過程中，監測的物理量已經保持基本不變，則可以認為該計算收斂。

3）查看物理量平衡。 最常見的即是查看進出口流體的質量流量是否平衡。

在多數情況下，不能僅僅依靠監測殘差來判斷計算是否收斂，需要運用以上判別標準綜合進行判斷。 圖6 為過熱蒸汽段的殘差收斂曲線。

圖6 過熱蒸汽段模擬殘差收斂曲線

過熱蒸汽段換熱過程的重要物理量是給水出口的溫度，在計算過程中，給水出口的溫度幾乎已經保持不變，且管內外的各自的進出口流量已基本平衡，故可以認為模擬計算已經收斂。

3 過熱段數值模擬準確性的驗證

1.3 節已述及，根據廠家提供的實際產品的熱平衡圖可獲知或推算出實際產品的工質在過熱段的進出口溫度、傳熱系數等數據，本文稱之為工況值。 將模擬計算得到的結果與工況值進行比對，以驗證模擬的準確性。 對比結果如表3 所示。

表3 過熱段模擬值與工況值比對

從表3 中所示的誤差來看，模擬值與工況值之間的誤差在10%以內，滿足工程上的應用要求，也同時表明對給水加熱器過熱段的模擬，采用上述計算模型的設置是適用的。

4 結 論

本文基于計算流體力學商用軟件Fluent，對給水加熱器過熱蒸汽冷卻段的管內外換熱進行數值模擬研究。 通過對物理模型的簡化，進行合適的網格劃分，設置合理的邊界條件和求解計算的參數，根據綜合判斷準則驗證了數值計算的收斂。模擬計算結果與實際工況值結果誤差在工程應用允許范圍內，證明了將數值模擬方法應用于給水加熱器過熱段的可靠性，可為后續對給水加熱器進行結構優化，強化換熱性能提供一定的參考。