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(qiáng) 王培

青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

0 引言

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)煙氣余熱的冷凝回收進(jìn)行了深入的研究。曹明凱[1]針對(duì)噴淋式煙氣冷凝余熱回收技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)并搭建了噴淋式煙氣冷凝余熱回收換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、模擬對(duì)換熱器進(jìn)行了優(yōu)化。李鵬敏[2]等對(duì)螺旋管煙氣-水換熱器進(jìn)行了模擬分析。孫星星[3]對(duì)氣-液式熱管進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)熱管換熱器并對(duì)其性能進(jìn)行了理論分析。

本文提出熱泵型煙氣余熱回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)的關(guān)鍵是換熱器，以上幾位學(xué)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(duì)管殼式煙氣-水換熱器進(jìn)行研究，研究循環(huán)水的流速度、換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)換熱效果的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型的建立與網(wǎng)格劃分

管殼式換熱器換熱管的尺寸為Φ25×2，共12 根，管長(zhǎng)0.62 m，管間距32 mm，呈三角形排列，殼內(nèi)徑140 mm，折流板高度105 mm，厚度為6 mm，用Gambit 進(jìn)行建模，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，Gambit 建好模型之后導(dǎo)入ICEM-CFD 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并且對(duì)換熱管處的的網(wǎng)格進(jìn)行加密，換熱器網(wǎng)格模型如圖1 所示：

圖1 管殼式換熱器網(wǎng)格模型

1.2 邊界條件設(shè)置

劃分好網(wǎng)格后導(dǎo)入Fluent，采用三維定常N-S 方程，打開(kāi)能量方程，湍流方程選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε 模型，打開(kāi)相變模型，采用Multiphase 中的mixture 模型進(jìn)行計(jì)算，本文中煙氣成分通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到，測(cè)試得到水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為0.15、氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù)為0.72，二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)為0.075，氧氣的體積分?jǐn)?shù)為0.055，并可在Fluent 中進(jìn)行設(shè)置，選用蒸發(fā)冷凝模型，設(shè)置冷凝溫度[4-6]。

由于管殼式換熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在對(duì)結(jié)算結(jié)果影響不大的前提下，在計(jì)算時(shí)可不考慮折流板與換熱管以及殼體的壁厚。入口邊界均設(shè)置為速度入口，出口邊界均設(shè)置為壓力出口，高溫?zé)煔膺M(jìn)口溫度設(shè)置為373 K，煙氣與管壁換熱界面設(shè)置interface 邊界，創(chuàng)建流固耦合面，換熱器殼程壁面設(shè)置為絕熱無(wú)滑移壁面，采用SIMPLE 算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合，能量方程和動(dòng)量方程則采用二階迎風(fēng)差分格式，并將能量方程的亞松弛因子設(shè)置為0.8。當(dāng)各方向的速度、k 值、ε等參數(shù)誤差小于10-4，能量方程誤差小于10-6時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂，初始化后開(kāi)始模擬計(jì)算。

2 模擬結(jié)果與分析

本文主要針對(duì)折流板間距和水流速度對(duì)換熱效果的影響進(jìn)行研究，模擬折流板間距對(duì)換熱的影響時(shí)，煙氣溫度均設(shè)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(duì)換熱結(jié)果的影響時(shí)，煙氣速度設(shè)置為1 m/s，根據(jù)模擬結(jié)果，總結(jié)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(jié)果

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)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(shù)以及冷凝水質(zhì)量的關(guān)系如圖2 圖5 所示：

圖2 折流板數(shù)量與煙氣出口溫度的關(guān)系圖

圖3 折流板間距與水出口溫度的關(guān)系圖

圖4 折流板間距與傳熱系數(shù)的關(guān)系圖

圖5 折流板間距與冷凝水質(zhì)量的關(guān)系圖

從以圖2、圖3 可以看出，折流板間距一定時(shí)，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(shí)，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(shuō)明減小折流板間距更加有利于降低煙氣的溫度，同時(shí)，適當(dāng)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(shí)，傳熱系數(shù)隨著水流速度增大而增大，冷凝水的質(zhì)量也隨著水流速度的增大而增大，并且還可以發(fā)現(xiàn)：折流板的間距由202 mm 減小至124 mm 時(shí)，傳熱系數(shù)的變化很大，而折流板間距由124 mm 減小至84 mm 時(shí)，傳熱系數(shù)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(shù)量增大至某一數(shù)值，對(duì)換熱的影響將會(huì)減小。水流速度一定時(shí)，隨著折流板間距的增大，傳熱系數(shù)也隨之減小，并且冷凝水的質(zhì)量也隨之減少。

水流速度均為2 m/s 時(shí)，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(yùn)動(dòng)至折流板附近時(shí)速度均增大，折流板間距為202 mm 和124 mm 時(shí)，流體無(wú)法到達(dá)的區(qū)域較大，即傳熱死區(qū)，而折流板間距為84 mm 和50 mm 時(shí)，流體無(wú)法到達(dá)的區(qū)域很小，這大大提高了傳熱效率，因此折流板具有強(qiáng)化傳熱的作用，因此折流板間距對(duì)換熱有著極大的影響。

3 結(jié)論

①折流板的間距對(duì)換熱效果影響很大，折流板的存在可以增加氣流的擾動(dòng)，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(nèi)盡可能的縮小折流板間距達(dá)到強(qiáng)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(nèi)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(jié)能而且環(huán)保。