基于FLUENT 的連桿正火余熱回收工藝研究

陳尚輝， 陳 輝， 陳浩宇， 商 麗， 賈維維

（1.沈陽建筑大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168； 2.沈陽城市建設學院， 遼寧 沈陽 1100167）

0 引言

人類文明的發展史是一部能源利用史[1]，能源轉型是人類能源利用發展史進步的里程碑， 從傳統能源到新型能源，人類對能源的開發和利用從未止步。 在我國北方“煤改氣” 政策的嚴格推動下， 天然氣的消耗量與日俱增[2]。2022 年中國天然氣消耗量3786 億m3占總能量消費總量的8.5%[3]。 當今世界上，中國是最大的制造業國家，工業所消耗的能源占社會總耗能的70%[4]。 2020 年9 月，中國做出保證，力爭2030 年CO2含量達到峰值，2060 年前實現碳中和[5]。

我國學者張俊月等[6]設計以通過地埋管儲熱系統跨季節儲存工業余熱的新方案，費用為42.5￥/GJ，低于燃氣采暖價格。 郭放等[7]搭建基于小時級熱量流動的太陽能采暖系統模型， 給出太陽能采暖系統最優集熱面積為4838m2。學者宮志達等人利用TRNSYS 軟件開發了全新的有機朗肯循環組件，搭建回收125℃工業余熱的模型，運行效益高，其年凈輸出功可達116280kW·h[8]。 Chatzopoulou 等[9]研究了中小型ORC 發動機的非設計性能。 結果表明，在非設計條件下，螺桿式膨脹機的效率降低3%，活塞式膨脹機效率提高了16%。 Tariq Haseeb 等[10]認為余熱回收是降低工業過程中能耗的重要替換方案， 在翅片延長換熱器中使用氧化石墨烯納米流體進行余熱回收， 使用ANSYS Fluent 和k-omega 湍流模型對廢氣流動進行穩態數值研究。 學者孫健等人設計一種將吸收循環和壓縮式循環深度耦合的新型機組， 解決以溴化鋰溶液為工質的吸收式制冷機無法制取0℃以下冷卻鹽水的技術難題[11-12]。

白城中一精鍛股份有限公司， 連桿在中頻感應加熱時，利用熱泵、工藝水池、換熱器等設備對中頻爐冷卻，增加中頻爐使用年限以及富集熱量。汽車連桿鍛造后，直接正火冷卻，大量的熱排放到空氣中，造成熱污染。現今，數值模擬成熟， 可將900℃～600℃的高溫余熱回收利用，一則，用于生活用水、冬季供暖以及連桿酸洗工藝；二則，一天生產7.5 萬件，連桿空冷到600℃，產生余熱為5750kW，相當于706kg 標準煤， 其中不包括相變產生的熱量。 本文， 利用FLUENT 軟件對連桿的余熱的回收的設備的仿真驗證， 對連桿下一步正火余熱回收系統構建做可行性研究。

1 正火工藝與實測冷卻曲線

中一精鍛公司，總占地面積6.5 萬m2，目前連桿毛坯生產線規模達10 條， 年產連桿達2000 萬套， 如圖1 所示，精鍛連桿件，質量為1kg，大孔徑52mm+0.01mm、小孔徑20mm+0.01mm、中心距為136mm+0.01mm，桿身厚度為13mm，大頭與小頭厚度均為17mm，原材料采用德國產中碳合金鋼46MnVS5。

圖1 精鍛連桿件

剪切機將棒料剪切成1kg 的毛坯料， 選 用2500Hz 的中頻感應爐加熱至1200℃～1240℃，通過自動輥鍛機，鍛成長條方形，在電液錘模鍛機指定位置上進行模鍛、精鍛機上熱精鍛，切邊沖孔在切邊機與沖孔機上處理，鍛造結束后的連桿溫度保持在900℃左右，在自由流動的空氣中均勻冷卻，析出珠光體和鐵素體組織，再經過常溫拋丸處理，除去表面的氧化皮雜質，提高觀感質量，磁粉探傷、脹斷處理，最后包裝入庫，如圖2所示。

連桿在空氣中冷卻，得到組織結構為鐵素體（≤25%）與珠光體， 相變放熱析出F+P 組織結構的過程， 即為正火，它是保證非調質鋼的機械性能的一種熱處理方式。夏季時，天氣炎熱，鐵素體組織含量多，珠光體組織含量少，材料的強度、硬度低，如圖3 所示使用風冷設備加速連桿冷卻， 增加材料的強度、硬度。 冬季的白城，溫度低于零下，直接在空氣中冷卻即可保證組織結構。

圖3 風冷設備

為驗證正火余熱回收的有效性，對鍛造后的連桿的溫度進行測定，使用儀器為紅外測溫儀EX-3（400℃～2200℃）測出連桿件冷卻曲線， 在春季 （測定時間為上午10：00， 環境平均溫度為5℃）對現場生產過程進行了溫度的測試，每隔30s 測定一次，測定時間為11min，測量23 次。 把對應時刻的溫度連成線如圖4 所示。

圖4 實測正火冷卻曲線

由圖4 觀察出：圖中有三個轉折點，210s 時， 鐵素體開始析出，270s 時，鐵素體析出完成， 珠光體開始析出，540s 時，珠光體析出完成。 冷卻到210s 時，溫度從895℃降低到675℃左右，測定冷卻速度保持不變，則平均冷卻速度為1.04℃/s。從270s 到540s 之間，說明連桿內部發生相變反應，相變放熱，溫度保持恒定，冷卻速度0～0.4℃/s 之間。

連桿冷卻平均速度v（℃/s）邊界條件定義為：

式中：△T—溫度差（℃）；△t—時間差（s）。

由數學模型可知，把連桿正火的冷卻可以分為兩個階段，第一階段（900～650℃），連續冷卻階段，第二個階段為固相轉變階段，析出鐵素體與珠光體的時間，內部能量釋放方式通常是通過熱釋放， 外界的吸收的熱量等于組織內部釋放的熱量。

2 仿真概述

2.1 軌道截面式換熱器

設計新型換熱器，目的回收連桿正火時的余熱。為了增大連桿與空氣的接觸面積，將連桿立起來，使連桿大頭朝上，小頭朝下。如圖5 所示，換熱器截面白色區域（空氣域）的上方，面積較大，因要在空間上方內置帶有倒鉤的滾子運輸鏈，通過機械臂智能識別連桿的大頭，將之掛在倒鉤上。 再則為了保證連桿均勻冷卻，依據連桿的外形，把換熱器的外形設計成軌道截面式， 其中換熱器長1000mm，高429.5mm，寬270mm，換熱器的內側換熱板片材質一般為0Cr19Ni9，壁厚3mm，壁面之間為水路。 因金屬熱傳導性能優越， 防止外層金屬板片因熱量傳遞過早冷卻， 不利于余熱富集， 在換熱器的外殼加上一層保溫層， 提高熱量回收效率。 圖中淺色截面部分為保溫層，厚30mm，保溫層材料選用阻燃聚苯乙烯泡沐塑料，密度不小于23kg/m3。 換熱器主體下方的兩個管路為進水口，管路上方的管路為出水口。模擬連桿在箱體內移動，以溫度邊界條件（1），進行仿真。

圖5 軌道截面式換熱器XZ 平面剖視圖

2.2 FLUENT 概述

Fluent 是計算流體力學（computational fluid dynam ics，CFD）軟件，采用方程離散的數值方法對流體的流動與傳熱進行數值模擬和分析。 離散的數值方法即是有限體積法，其方程是基于積分的守恒方程，其描述的是計算網格定義的每一個控制體。離散后的方程，一般通過壓力與速度耦合求解算法。 Fluent 仿真流程如圖6 所示。

圖6 仿真流程

2.3 傳熱方程

連桿在換熱器內移動，發生以下物理現象：①連桿與箱體內空氣發生自然對流現象；②連桿主要向箱體壁輻射熱量；③空氣與箱體壁發生熱傳遞想象；④水域與水發生熱交換。 結果導致，連桿溫度下降， 水域溫度上升。 在求解連桿正火冷卻時溫度分布時，不同系統之間熱量傳遞關系通過廣義的傳熱方程來進行控制，其式（2）如下：

式中：ρ—密度；e—比內能；v—流速； keff—有效導熱率；▽T—溫度梯度；J→j—物質j 擴散通量；τˉeff—有效應力張量；v→—速度矢量；Sh—體積熱源。

方程左側第一項描述了內能和動能隨時間的變化，左側第二項表示動量的變化率， 方程右側第一項表示能量傳遞，通過傳導方式從高溫區域向低溫區域傳遞，第二項表示物質的擴散， 第三項描述了由于粘性和剪切應力而引起的動量傳遞。 最后一項，描述了可能存在的熱源。

在固體區域，公式（3）左邊第二項表示由于固體的旋轉或平動而產生的對流能量轉移， 公式右側的項分別是固體內部傳導熱源和體積熱源的熱流。 Ansys Fluent 所使用的能量輸運方程為：

式中：ρ—密度；h—焓；v→—速度場；k—熱傳導系數；▽T—溫度梯度；Sh—能量源項。

該式（3）的物理含義是，物質內部的能量變化率等于由于物質流動引起的能量輸運加上熱量的傳導和能量源項的貢獻。 通過對這個方程的求解，可以計算出物質內部的溫度分布和能量變化情況。

2.4 邊界條件

本文物理模型，如圖7 所示，劃分為四個區域，連桿域、空氣域、箱體域、水域，其中，連桿在空氣域內，在圖5和圖9 中， 可以看到連桿域， 以及為了快速得到仿真結果，對換熱器模型進行了簡化。 共享面之間相互耦合，連桿與空氣域內壁耦合，空氣域外壁與換熱器接觸壁耦合，換熱器箱體又與水體耦合。

圖7 區域劃分

其中， 連桿溫度900℃左右，原工廠余熱回收系統內熱泵收走了池內的熱量，水池溫度降低到6℃左右，故本次模擬入口水溫設施為6℃， 水入口流速定為2.0m/s。連桿材料為46MnVS5，常溫下密度為7850kg/m3，比熱容為460J/（kg·℃），熱導率為16.2；水的比熱容如圖8 所示，隨溫度的上升而下降，導熱系數為0.589W/（m·K）；換熱器材料選擇0Cr19Ni9，密度為7900kg/m3，比熱容為500J/（kg·℃），導熱系數26.3 W/（m·K），空氣的密度在FLUENT中選擇不可壓縮的理想氣體，在求解算法中壓力項，選擇體積力加權（Body Force Weighted）。如表1 即為仿真各材料參數匯總。

表1 定義材料參數

圖8 水的比熱容

2.5 網格劃分

Fluent meshing 可以劃分四面體、 六面體、 多面體、Poly-Hexcore 等體網格形式，如圖9 所示，本次網格劃分采用多面體 （polyhedra） 網格填充， 其最大單元長度12.2mm，曲率法向角為18°，即是以18°平分360°的多邊形代替圓形，曲率法向角越小，越精確。 如圖10 所示，水域邊界層共劃分5 層，最內層的厚度是最外層厚度的2.5 倍，邊界處網格增長率為1.2，增長率就是六面體網格的長寬比。

圖9 XY 平面網格剖視圖

圖10 管路網格邊界層

在數值模擬中，對于網格構形有嚴格的規定，如果網格構形不夠好，則不能達到數值模擬中的收斂性，為此，我們特別提出一種模式之網格化分要點， 以保證模式之準確性與可信度。網格劃分， 使用FLUENT meshing 網格生成工具，它的優勢在于自動化、高效性、高質量、多功能性和易用性。 缺點是只能劃分與流體相關的網格， 以及不能劃分二維網格。 此次網格總數量為1074377 個。 四個區域的網格最小質量為0.08，平均質量為0.84，滿足求解網格要求。

3 結果

一節箱體容積為30L， 每一次水循環可使溫度提升了10℃，圖11 溫度梯度選擇的是每一次循環終了時的溫度場。從圖中可以看出，進水溫度設定為6℃，水流進入箱體內，水溫迅速升溫，水溫從下到上，依次提升溫度，出水口溫度達到了16.6℃。

圖11 換熱器內部水域溫度場

未把箱體溫度與連桿溫度放在一張圖里對比， 因連桿的溫度太高，冷卻的過程中，溫度依然很高，所以水溫的變化狀態從云圖中難以觀察。圖12 選擇的是180s 連桿的溫度場，溫度集中在桿身699 ～717℃之間； 圖13選擇的是240s 連桿的溫度場，溫度集中桿身的上部在650～667℃之間。 圖中可以看出，溫度梯度呈現從桿身向連桿大頭與小頭逐漸過渡的趨勢，最高溫與最低溫相差30℃以內。

圖12 180s 溫度場

圖13 240s 溫度場

4 結論

利用FLUENT 仿真軟件對一節換熱器進行仿真研究，與實際情況對比本文得出以下結論：

（1）180s 時，仿真溫度與實測溫度700℃，誤差在5%以內，240s 時，仿真溫度與實測溫度660℃，誤差在4%以內。

（2）水循環一次，水溫升高10℃，理論上一天可回收熱量折合標準煤為1214.32kg。