非均布熱管換熱器設計及流動模擬

錢 淼 燕 超 肖建章

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018；2.金華職業技術學院機電工程學院，浙江 金華 321007)

0 引言

我國是印染大國，印染布產能和銷售量均居全球首位。但作為印染大國，我們在印染裝備及技術中仍存在許多不足，如能耗高、排污大、能產比低、產品質量不穩定等。為促進傳統工業轉型升級，實現工業可持續發展，國務院將紡織印染行業的節能減排計劃與目標明確納入其中，開展印染相關技術的研究與開發，降低能耗，提高行業競爭力。

熱定型機是必不可少的印染裝備。通過熱定型，可有效改善織物前處理后出現的幅寬不勻，緯紗歪斜等現象，提高織物的機械性能及產品舒適性。然而，目前熱定型機在生產中存在高溫氣體(約170℃)排放，量大溫度高，不僅造成了環境污染，還帶來了嚴重的能量浪費。因此，非常有必要進行熱定型機的余熱回收技術的開發與利用。

換熱器可有效實現熱定型廢氣的余熱回收，國內外學者以及相關印染公司已經在廢氣余熱回收裝置方面開展了不少研究與開發工作。其主要分為管式、板式和熱管3種結構。管式換熱器在工業上的應用有悠久的歷史。內流2種工質，通過管壁進行熱量交換[1，2]。2013年，Bari等[3]設計了一個用于汽車尾氣回收的管式換熱器，通過實驗研究表明該管式換熱器的熱回收效率可達16%。2014年，Mokkapati等[4]設計了一個管式換熱器。該換熱器管內廢氣與管外水通過內管外壁換熱，內管外壁有螺旋波紋狀結構，強化傳熱。通過實驗表明，該結構熱效率比傳統高67%。板式換熱[2]也受到了人們的廣泛關注[5，6]。2011年，Kandilli等[7]設計了一個用于紡織行業染色廢氣熱回收的板式換熱器，并探索了其最優操作條件。2015年，Roberto等[8]提出了一個用于廢氣熱回收的板式換熱器，并對其開展了理論與實驗研究。熱管換熱器在熱回收方面有廣泛的用途[9]。2013年，Ahmadzadehtalatapeh等[10]將熱管換熱器應用于空調系統，回收排放廢氣中多余的熱量，提高了設備的使用效率。2015年，Wang等[11]提出了一種新的熱管換熱器，用于廢氣熱回收，并通過實驗研究分析了結構參數對熱管熱效率的影響規律，結果表明，該設備在熱能回收方面具有不錯的表現。2017年，Tian等[12]提出了一種新型換熱器結構，用于印染熱定型熱能的回收。為了進一步提高熱管換熱器的換熱性能，本文提出了一種熱管管徑分布不同的非均布熱管換熱器結構，并通過數值模擬研究了其內部流場流動情況。

1 非均布熱管換熱器結構設計

本文設計的非均布熱管換熱器(圖1)。分為下熱廢氣流道和上冷新風流道。高溫熱定型廢氣流入下通道，通過熱管陣列將熱能傳遞給常溫新風。換熱器殼體內安裝有熱管陣列，熱管直徑隨著流體流動方向不斷減少，呈非均布分布。

圖1 換熱器結構示意圖

2 熱管換熱器內部流動特性模擬

2.1 數值建模

本文模擬了非均布熱管陣列換熱器的內部流場。二維計算區域如圖2所示，從上至下每排熱管的半徑分別為25mm，24mm，23mm，22mm，21mm，20mm，19mm，18mm，17mm和16mm。縱向和橫向熱管之間的間距均為40mm。

圖2 二維計算區域示意圖

運用ICEM軟件建立二維非均布換熱器模型，采用三角形非結構網格，如圖3所示。運用CFD數值計算軟件Fluent進行二維穩態數值模擬計算，采用標準k-ε湍流模型，二階迎風格式和SIMPLE算法。在模擬過程中，每個變量的殘差設定在0.0001。

圖3 三角形非結構網格示意圖

2.2 結果及結論

圖4為當換熱器入口速度v=3 m/s時，熱管換熱器內部流場的速度分布云圖。由圖4可看出，流場內部最小速度與最大速度差異較大，且基本呈軸對稱分布。速度分布較不均勻，最大值高達11.9m/s，最高位于距入口前兩排管的位置，前幾排與后幾排相差較大。

圖4 速度分布云圖

湍流強度也為一重要指標。圖5為內部湍流強度分布圖。由圖5可看出，湍流在距出口端較近的幾排熱管處得以充分發展，在管徑較大熱管附近出現最高值，達212%，整個換熱器內部平均湍流強度為68.9%。

圖5 湍流強度分布云圖

3 結語

本文在分析了熱管換熱器結構設計現狀的基礎上，設計了一種非均布熱管換熱器結構新思路，并采用計算流體力學軟件ANSYS FLUENT對其內部流場進行了數值模擬，得到了相應的速度場和湍流強度分布情況，為進一步設計與優化熱管換熱器結構提供了理論指導。