干熄焦給水預熱器的設計和仿真分析

周開創，李振東，孫東德，謝能剛

（1.安徽工業大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002；2.安徽東能換熱裝備有限公司，安徽馬鞍山 243002）

1 研究背景

干熄焦技術能夠妥善地降低熄焦過程中產生的擴散物污染，有效地控制周邊空氣含塵量[1]，干熄焦系統中的二次換熱裝備一般使用給水預熱器。在干熄焦過程中，需要將高溫惰性循環氣體冷卻到一定溫度，傳統管殼式換熱器的換熱效率比較低、生產制造工藝復雜、易生垢[2-3]，為克服以上缺點，需要設計一種工藝簡單、使用時間長、換熱效率高的新型換熱器。基于國內外換熱器的使用現狀和管殼式換熱器的結構優點[4]，安徽東能換熱裝備有限公司設計了一種干熄焦給水預熱器，并采用數值模擬方法對該干熄焦給水預熱器進行分析。

2 結構設計

本文依托安徽東能換熱裝備有限公司設計生產的干熄焦給水預熱器進行研究分析。如圖1 所示，干熄焦給水預熱器是一種固定管板式結構換熱器。內部換熱管為蛇形換熱管，如圖2 所示，干熄焦給水預熱器箱體長度為4 300 mm，高度為3 010 mm，殼體內含有90 根蛇形換熱管組成的管束以及4 個支撐板。

圖1 干熄焦給水預熱器結構

圖2 單根蛇形換熱管

3 數值模擬方法

3.1 有限元模型網格劃分

干熄焦給水預熱器的管程、殼程流體區域網格和換熱管、支撐板固體區域網格劃分在A N S Y S Workbench 的Mesh 模塊中完成，得到的節點數目為2 872 741，單元數目為4 659 992，網格劃分結果如圖3 所示。

圖3 干熄焦給水預熱器網格劃分

3.2 運行參數

在干熄焦過程中，需要將高溫惰性循環氣體冷卻到一定溫度。正常運行時，殼程介質為高溫惰性循環氣體，入口溫度為170 ℃，流量q0=114 800 m3/h。管程介質為低溫除鹽水，入口溫度為50 ℃，流量q1=43.2 t/h。在換熱過程當中管程介質和殼程介質的物性參數不變。

3.3 初始條件和邊界條件

根據不同邊界條件的特點，本文采用質量進口和壓力出口進行計算。在干熄焦給水預熱器殼程和管程進口處設置質量進口邊界條件，輸入熱介質和冷介質流入時質量流量和各自對應的溫度。通過Fluent 軟件進行解算的過程，通常選取迭代的殘差值作為衡量計算方法是否收斂的一個標準，計算收斂的判別標準是計算殘差精度都小于10-5，殘差曲線趨于平直[5]。

4 預熱器數值模擬分析結果

通過對干熄焦給水預熱器殼程、管程流場的數值模擬，分別得到了殼程、管程流體的速度場、溫度場、壓力場和應力場的分布情況。

4.1 速度場模擬結果分析

殼程中的管束結構決定著流體域的速度場特點，相對管程流體來說，殼程流體有著較為復雜的速度場特性，在分析干熄焦給水預熱器速度場時，重點分析殼程流體的速度場，殼程管束間的速度分布尤為重要。

如圖4 所示，殼程速度在換熱管迎風面和背風面降低，在換熱管壁面雙側附近的速度有明顯增大，速度最大值達到5.79 m/s，這是因為流體橫掠換熱管時出現繞流脫體現象。當殼程流體繞彎曲的表面流動，邊界層會伴隨產生壓力差，并從某位置開始脫離彎曲的表面，并在物體表面附近出現回流的現象，這種現象稱為脫體現象[6]。密集的管束強化了湍流作用，相較于傳統管殼式換熱器，本預熱器的殼程基本無流動死區，充分利用了管束的換熱面積，起到了增強換熱的作用。如圖5 所示，管程冷卻水速度呈同心圓分布，內層流速偏大且中心流速最大，速度達到0.56 m/s。外層靠近壁面的地方流速幾乎為零，符合圓管邊界層理論。

圖4 殼程速度場

圖5 管程流體速度分布

4.2 壓力場模擬結果分析

為方便地觀察殼程壓力分布，取蛇形換熱管徑向截面進行分析。正常工況條件下干熄焦給水預熱器殼程流場壓力云圖如圖6 所示，從圖中可以看出，在殼程入口處壓力最大達到3 288 Pa，殼程流體在流經密集管束時會損失一定的壓力，壓力損失約為1 088 Pa，從圖中可以得出，隨著距離殼程入口越來越遠，流體壓降不斷增大。

圖6 殼程壓力分布

管程流動引起的壓降是衡量運行經濟效果的一個重要指標，干熄焦給水預熱器管程的流動阻力由兩部分構成，即管程流體與換熱管壁面間的摩擦阻力；流體在流動過程中，由于方向改變或速度突然改變所產生的局部阻力[7]。所以流動過程中壓力的損失與流體自身的物理性質、流動狀態及換熱管的外形等要素相關。如圖7 所示，管程壓力隨著流體的流動逐漸下降，壓力損失約為0.07 MPa。

圖7 管程壓力分布

4.3 溫度場模擬結果分析

干熄焦給水預熱器殼程溫度變化云圖如圖8所示，可看出流體溫度的變化情況。由于殼程介質為高溫循環氣體，在殼程入口處溫度最高為443 K，高溫惰性循環氣體流過殼體內的換熱管束，與換熱管束內的冷流體發生熱量交換，殼程出口處溫度降至最低為395 K，同時殼程介質在流經換熱管束時，密集的換熱管束存在一定的擾流作用，導致殼程流體對換熱管的橫向沖刷，增加了殼程的熱流體與管程的冷流體進行換熱的時間，使得冷熱流體間的換熱過程能夠充分地進行，也使得殼程熱流體的溫度明顯下降以達到換熱目的。從圖中可以清晰看出殼程流體溫度的變化趨勢，每經過一排換熱管束，溫度就會明顯降低，而殼程流體溫度的變化對預熱器的熱應力將產生影響。

圖8 殼程流場溫度分布

干熄焦給水預熱器管程溫度變化云圖如圖9所示，管程流體為冷卻水，所以在管程入口處溫度最低為323 K，經過與殼程熱流體的充分換熱，管程內的冷流體被加熱，出口溫度達到368 K。

圖9 管程流場溫度分布

4.4 應力場模擬分析

考慮2 種載荷，即流場壓力載荷和溫度載荷。

流場壓力載荷：通過對流場特性的仿真模擬，可以獲得預熱器管程、殼程的壓力場，通過耦合面將壓力傳遞到預熱器上。

溫度載荷：與流場壓力載荷的傳遞方法相似，經由溫度載荷的數據作用后，得到了干熄焦給水預熱器固體域的溫度場分布，從而進一步獲得由溫度引起的熱應力模擬結果。

如圖10 所示，在同時作用2 種載荷的等效應力場中換熱管束的最大應力發生在換熱管束與支撐板連接處，應力值達到220 MPa。整體上不至于超過屈服應力，預熱器能夠安全運行。

圖10 同時施加2 種載荷時預熱器應力圖

5 結論

對干熄焦給水預熱器進行了流場的模擬以及力學分析，得到了相關的速度場特性、壓力場特性、溫度場特性以及應力場特性：①由于殼程換熱管束的存在，殼程流體在流動的過程中出現壓力損失，且壓力梯度較為明顯；②在溫度場的結果中，最高溫度出現在殼程入口處殼體及其連接的支撐板上，管程流體的溫度從管程入口到管程出口逐漸升高，在支撐板與管束結合處，溫度變化較大；③同時施加2 種載荷時，應力值達到220 MPa，整體上不至于超過屈服應力，預熱器能夠安全運行。