煙氣余熱回收管殼式換熱器換熱特性研究

施志鋼 欒翔琪 景登巖 李萍 劉福強 王培

青島理工大學環境與市政工程學院

0 引言

國內眾多學者針對煙氣余熱的冷凝回收進行了深入的研究。曹明凱[1]針對噴淋式煙氣冷凝余熱回收技術進行研究，設計并搭建了噴淋式煙氣冷凝余熱回收換熱器實驗臺，通過實驗、模擬對換熱器進行了優化。李鵬敏[2]等對螺旋管煙氣-水換熱器進行了模擬分析。孫星星[3]對氣-液式熱管進行了深入研究，設計熱管換熱器并對其性能進行了理論分析。

本文提出熱泵型煙氣余熱回收系統，該系統的關鍵是換熱器，以上幾位學者研究了用直接接觸式換熱器、螺旋管換熱器以及熱管換熱器，所以本文針對管殼式煙氣-水換熱器進行研究，研究循環水的流速度、換熱器結構對換熱效果的影響。

1 數值模擬

1.1 物理模型的建立與網格劃分

管殼式換熱器換熱管的尺寸為Φ25×2，共12 根，管長0.62 m，管間距32 mm，呈三角形排列，殼內徑140 mm，折流板高度105 mm，厚度為6 mm，用Gambit 進行建模，對模型進行簡化，Gambit 建好模型之后導入ICEM-CFD 中進行網格劃分，采用非結構網格，并且對換熱管處的的網格進行加密，換熱器網格模型如圖1 所示：

圖1 管殼式換熱器網格模型

1.2 邊界條件設置

劃分好網格后導入Fluent，采用三維定常N-S 方程，打開能量方程，湍流方程選用標準K-ε 模型，打開相變模型，采用Multiphase 中的mixture 模型進行計算，本文中煙氣成分通過實驗測試得到，測試得到水蒸氣的體積分數為0.15、氮氣的體積分數為0.72，二氧化碳的體積分數為0.075，氧氣的體積分數為0.055，并可在Fluent 中進行設置，選用蒸發冷凝模型，設置冷凝溫度[4-6]。

由于管殼式換熱器結構較為復雜，在對結算結果影響不大的前提下，在計算時可不考慮折流板與換熱管以及殼體的壁厚。入口邊界均設置為速度入口，出口邊界均設置為壓力出口，高溫煙氣進口溫度設置為373 K，煙氣與管壁換熱界面設置interface 邊界，創建流固耦合面，換熱器殼程壁面設置為絕熱無滑移壁面，采用SIMPLE 算法對壓力和速度進行耦合，能量方程和動量方程則采用二階迎風差分格式，并將能量方程的亞松弛因子設置為0.8。當各方向的速度、k 值、ε等參數誤差小于10-4，能量方程誤差小于10-6時，認為計算收斂，初始化后開始模擬計算。

2 模擬結果與分析

本文主要針對折流板間距和水流速度對換熱效果的影響進行研究，模擬折流板間距對換熱的影響時，煙氣溫度均設置為373 K，水溫均為283 K，煙氣流速1 m/s，水流速度1 m/s。研究水流速度對換熱結果的影響時，煙氣速度設置為1 m/s，根據模擬結果，總結出各工況下的煙氣出口溫度、水出口溫度如表1 所示：

表1 不同工況下的模擬結果

根據表1 數據可以分別繪制出折流板間距，水流速度與煙氣出口溫度，傳熱系數以及冷凝水質量的關系如圖2 圖5 所示：

圖2 折流板數量與煙氣出口溫度的關系圖

圖3 折流板間距與水出口溫度的關系圖

圖4 折流板間距與傳熱系數的關系圖

圖5 折流板間距與冷凝水質量的關系圖

從以圖2、圖3 可以看出，折流板間距一定時，隨著水流速度的增大，煙氣的出口溫度降低，水出口溫度增大。水流速度一定時，煙氣出口溫度隨著折流板間距的增大而升高，水出口溫度隨著折流板間距的增大而降低。這說明減小折流板間距更加有利于降低煙氣的溫度，同時，適當增大水流速度更加有利于換熱。從圖4、圖5 可以看出，折流板間距一定時，傳熱系數隨著水流速度增大而增大，冷凝水的質量也隨著水流速度的增大而增大，并且還可以發現：折流板的間距由202 mm 減小至124 mm 時，傳熱系數的變化很大，而折流板間距由124 mm 減小至84 mm 時，傳熱系數雖然也隨之增大，但是變化不如折流板間距由202 mm 減小至124 mm 的大，此可以看出，折流板數量增大至某一數值，對換熱的影響將會減小。水流速度一定時，隨著折流板間距的增大，傳熱系數也隨之減小，并且冷凝水的質量也隨之減少。

水流速度均為2 m/s 時，不同折流板間距下的速度分布云圖如6 所示：

圖6 速度分布云圖

由圖6 可以看出，折流板附近的速度變化最大，流體運動至折流板附近時速度均增大，折流板間距為202 mm 和124 mm 時，流體無法到達的區域較大，即傳熱死區，而折流板間距為84 mm 和50 mm 時，流體無法到達的區域很小，這大大提高了傳熱效率，因此折流板具有強化傳熱的作用，因此折流板間距對換熱有著極大的影響。

3 結論

①折流板的間距對換熱效果影響很大，折流板的存在可以增加氣流的擾動，讓殼程中的煙氣可以與管程中的低溫水更加充分的換熱，可以在合理的間距范圍內盡可能的縮小折流板間距達到強化傳熱的目的。

②低溫水流速不僅影響著換熱，還影響著換熱器內的溫度分布，低溫水流速越大，換熱效果越好，得到的煙氣溫度越低，這不僅可以回收更多的熱量，而且煙氣排煙溫度可以降到足夠低便可以消除“白煙”，節能而且環保。