張任平

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

陶瓷窯爐余熱回收的高效熱管換熱器數(shù)值研究

張任平

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

高效熱管換熱器可應(yīng)用于陶瓷窯爐的煙氣余熱回收利用。建立了熱管換熱器傳熱過程的物理數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了數(shù)值求解，得到了空氣穩(wěn)態(tài)流動的溫度場、壓力場和速度場。研究表明熱管的前半部分和后半部分均產(chǎn)生了氣體的回流現(xiàn)象，溫度從從進(jìn)口到出口逐漸升高；熱管換熱器的換熱量隨空氣入口速度的增加而增加，阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而減小。

熱管；換熱器；窯爐；數(shù)值模擬

0 引 言

陶瓷生產(chǎn)的一個(gè)必備工序是陶瓷在窯爐中進(jìn)行燒成。這其中的窯爐可分為連續(xù)式和間歇式，不管是隧道窯還是倒焰窯，其熱效率都比較低。效率低的原因除了燃燒損失、散熱損失等原因外，重要的一點(diǎn)排煙損失。因此回收窯尾廢氣的熱量加以利用是提高窯爐效率的關(guān)鍵?？梢钥紤]采用熱管換熱器來回收煙氣中的余熱加熱空氣作為烘干坯件的熱源。通常在使用時(shí)，將一定數(shù)量的熱管組合在一起，即構(gòu)成熱管換熱器。氣-氣熱管換熱器(如圖1所示)就是從排出的熱氣中吸收廢熱，然后，在把熱量傳給冷的空氣的一種新型換熱器。圖2是氣-氣熱管換熱器用于回收窯爐煙氣余熱烘干坯件的流程示意圖。

在工業(yè)領(lǐng)域涉及到熱量交換的場合，都需要利用換熱器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，關(guān)于換熱器的數(shù)值模擬研究有大量相關(guān)的報(bào)道，如唐等[1]通過改進(jìn)現(xiàn)有二維傳熱模型建立準(zhǔn)三維傳熱模型，模擬U型豎直埋管地下?lián)Q熱器的運(yùn)行工況。何[2]基于ANSYS商用軟件對雙螺桿擠出機(jī)泥料的流場進(jìn)行了分析。張[3]研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對余熱回收用換熱器性能的影響。薛等[4]分析換熱器的求解模型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同對傳熱和流動特性的影響。董等[5]根據(jù)桿柵支撐縱流殼程換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對其進(jìn)行簡化，建立了周期性單元流道模型，應(yīng)用CFD商用軟件FLUENT對不同介質(zhì)、不同Reynolds數(shù)、不同折流柵間距時(shí)的模型進(jìn)行流動和傳熱的模擬、分析與比較。吳等[6]為了分析折流桿在換熱器殼程中作用,采用數(shù)值方法研究了殼程流體的流動和換熱狀況。曹等[7]折流桿換熱器殼程結(jié)構(gòu)復(fù)雜,用理論方法難以獲得殼程流體流動和強(qiáng)化傳熱機(jī)理。為了分析折流桿在換熱器殼程中作用,采用數(shù)值方法研究了殼程流體的流動和換熱狀況。曹等[8]采用數(shù)值模擬的方法，研究了螺旋角對連續(xù)螺旋折流板換熱器流動與傳熱性能的影響，并以熵產(chǎn)數(shù)為指標(biāo)對換熱器性能進(jìn)行了基于熱力學(xué)第二定律的分析評價(jià)。鹿等[9]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)兩種手段對一種“U”型翅片管內(nèi)部空間的空氣流場進(jìn)行了研究。張等[10]為揭示間壁式篩網(wǎng)網(wǎng)格換熱器中網(wǎng)片與隔熱片厚度比對換熱器效率的影響規(guī)律,在數(shù)值計(jì)算中引入了間壁熱阻和隔熱片導(dǎo)熱系數(shù),改進(jìn)了傳統(tǒng)間壁式網(wǎng)格換熱器的數(shù)值計(jì)算方法。從以上的研究可以看出，很少有涉及到氣-氣熱管換熱器的數(shù)值模擬，而熱管換熱器在余熱回收中應(yīng)用非常普遍，因此，本文對用在陶瓷窯爐余熱回收的熱管換熱器的加熱段和冷卻段分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了加熱段煙氣和冷卻段空氣的傳熱與流動特性。

圖1 氣-氣熱管換熱器示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat pipe heat exchanger

圖2 熱管換熱器回收窯爐煙氣余熱流程圖Fig.2 Flow chart of ceramic kiln flue gas heat recovery

1 物理模型

氣-氣熱管換熱器的換熱管由帶肋片的熱管組成，整個(gè)熱管換熱器分為上下兩部分，冷流體在上部分流動，熱流體以冷流體流動相反的方向在下部流動；因此，所使用的熱管也可以分為蒸發(fā)段和冷凝段，冷空氣在冷凝段吸熱溫度升高，煙氣在蒸發(fā)段釋放熱量溫度降低?；跓峁苁且揽抗べ|(zhì)的相變進(jìn)行傳熱，因此熱管的蒸發(fā)段和冷凝段壁面溫度都非常均勻，所以認(rèn)為熱管的蒸發(fā)段和冷凝段壁面溫度為固定值。

考慮到熱管換熱器的對稱性，計(jì)算的物理模型如圖2所示，在換熱器冷空氣被加熱的部分，壁面溫度高于冷空氣的溫度，在換熱器煙氣放熱的部分，煙氣的溫度高于熱管壁面的溫度。物理模型長30 mm，寬12 mm，高5.2 mm，熱管的外徑為6 mm，肋片的外徑為12 mm,交錯熱管在x方向的中心距為10 mm。

圖3 窯爐余熱回收用氣-氣熱管換熱器的計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of gas-gas heat pipe heat exchanger

2 控制方程

單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量增加等于同一時(shí)間內(nèi)流體流入與流出該微元體的質(zhì)量之差，由此可得質(zhì)量守恒方程為：

動量守恒方程：

能量守恒方程是包含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律，可以表示為：

式中， λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，ui為流體在i方向上的速度向量,i=l、2、3，分別代表x、 y、z方向。ρ為流體密度，P為流體微元上的靜壓力, Cp為比熱容，T為溫度。對于空氣和煙氣與熱管壁面和肋片的傳熱問題，采用數(shù)值方法進(jìn)行耦合求解。

熱管換熱器換熱量：

3 模型計(jì)算

采用計(jì)算流體動力學(xué)的前處理軟件Gambit進(jìn)行幾何建模后，采用體網(wǎng)格劃分方式對三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸為0.05 mm，網(wǎng)格單元和類型分別為Hex/wedge和cooper，生成的網(wǎng)格總數(shù)為109062，最后得到的體網(wǎng)格如圖4所示。

熱管具有良好的等溫性能，因此在熱管的壁面認(rèn)為是固定溫度邊界條件，在模型的上下和前后邊界為對稱邊界條件，模型的左右為周期性邊界條件，入口質(zhì)量流量為2.4×10-5kg/s。冷空氣的進(jìn)口溫度為305 K，熱管冷凝段壁面和肋片表面的溫度為435 K，熱管壁面與空氣流動的接觸邊界為耦合邊界條件。

為減小擴(kuò)散誤差, 采用二階迎風(fēng)格式離散控制方程?；诳刂迫莘e有限差分法和求解壓力耦合方程的半隱式( Semi-implicit Method for Pressure Linked Equation, SIMPLE) 算法求解控制方程式(1)-(4)。松弛因子的取值如下表所示。當(dāng)流體速度殘差小于10-3，溫度殘差小于10-6，且進(jìn)出口質(zhì)量守恒和計(jì)算控制體能量守恒，即認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。

4 結(jié)果分析與討論

圖5給出了計(jì)算模型中心截面的速度分布。在截面的中心位置不受熱管的阻擋位置處的速度比較大，圖5(b)靠近前半部分熱管的速度放大圖，如圖所示，此位置的速度產(chǎn)生了回流，形成漩渦，這樣使得流體能更好的沖刷熱管的外表面，有利于熱管表面的熱量散失出去；在熱管的后半部分，氣流速度放大圖如圖5(c)有液體的回流現(xiàn)象，能強(qiáng)化熱管的傳熱。

圖6給出了空氣側(cè)計(jì)算區(qū)域的溫度分布圖。從圖中可以看出，最高溫度出現(xiàn)在熱管的表面區(qū)，這是由于當(dāng)熱管換熱器加熱空氣時(shí)，熱管的溫度高于空氣的溫度，熱量通過熱管壁面?zhèn)鬟f給空氣。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，中間有一段溫度相對比較低的區(qū)域，而在靠近熱管壁面的兩端，由于受到空氣回流的影響，溫度高于中間空氣的溫度。熱管換熱器空氣側(cè)計(jì)算區(qū)域壓力分布如圖7所示，壓力的最高區(qū)域?yàn)閬砹骺諝鉀_刷熱管的地方，這是由于來流空氣碰到熱管壁面時(shí)，速度變?yōu)榱?，使得其壓力升高。壓力最低的區(qū)域?yàn)闊峁鼙诿婧蟛俊?/p>

圖8給出了空氣入口速度對熱管換熱器換熱量的影響。從圖中可以看出，隨著空氣入口速度的增加，熱管換熱器的換熱量也隨之增加，在速度從0.25增加到1.75時(shí)，速度增加較快；在速度從1.75增加到3.0時(shí)，速度增加的幅度放緩。但是從速度增加的整體趨勢來看，基本接近線性變化。空氣入口速度的增加強(qiáng)化了空氣和熱管壁面之間的換熱，有利于提高換熱器的換熱性能，但是流速的增加也會帶來阻力的增加。因此在綜合衡量換熱器的性能時(shí)，要從熱有效性(換熱量與泵功的比值)進(jìn)行考慮。

空氣流動Re可通過下式進(jìn)行計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)[11]，空氣流動過程中阻力系數(shù)的計(jì)算公式：

圖4 計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Mesh generation of calculation model

圖5 計(jì)算模型中心截面的速度分布Fig.5 The velocity distribution of central cross-section

圖6 空氣側(cè)計(jì)算區(qū)域的溫度分布圖Fig.6 The temperature distribution of computational domain on the air side

圖7 空氣側(cè)計(jì)算區(qū)域的壓力分布圖Fig.7 The pressure distribution of computational domain on the air side

圖9給出了空氣在流動過程中雷諾數(shù)對阻力系數(shù)的影響。從圖中可以看出，阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而減小，在雷諾數(shù)在從600增加到1000的過程中，曲線較為陡峭，斜率較大，阻力系數(shù)下降較快；當(dāng)雷諾數(shù)從1000增加到1400的過程中，曲線變化較為平緩，阻力系數(shù)下降速度減慢。從雷諾數(shù)的定義式可知，在保持其他量不變的情況下，流體速度增加，雷諾數(shù)增大。從換熱的角度考慮，雷諾數(shù)增大可以加強(qiáng)流動過程的擾動，強(qiáng)化對流換熱，提高對流換熱系數(shù)。雷諾數(shù)的增加雖然使得阻力系數(shù)減小，但是阻力與速度的平方成正比。因此在考慮雷諾數(shù)對流動和傳熱過程的影響時(shí)，應(yīng)全面考慮速度增加所帶來正面和負(fù)面作用。

圖8 空氣入口速度對熱管換熱器換熱量的影響Fig.8 The effect of air inlet velocity on the heat transfer rate of heat pipe heat exchanger

圖9 空氣流動雷諾數(shù)對阻力系數(shù)的影響Fig.9 The effect of Reynolds number on the friction coefficient of air flow

5 結(jié) 論

數(shù)值研究了熱管換熱器冷熱流體的流動和傳熱特性?；跓峁艿母咝嘧儌鳠崽匦裕瑹峁軆?nèi)部工質(zhì)的壓力軸向變化非常小，因此在模擬時(shí)認(rèn)為熱管蒸發(fā)段和冷凝段的壁面溫度為恒定值。得到了熱管換熱器氣體流動區(qū)域的壓力、速度和溫度分布。研究表明：

(1)在截面的中心位置和不受熱管的阻擋位置的速度比較大，在熱管的前半部分和后半部分都產(chǎn)生了氣體的回流現(xiàn)象；

(2)冷熱流體流動過程中壓力最高的區(qū)域出現(xiàn)在熱管管壁與迎面氣流接觸處，壓力最低的區(qū)域出現(xiàn)在熱管壁面的后部區(qū)域；

(3)冷流體的最高溫度出現(xiàn)在熱管的表面區(qū)，中間有一段溫度相對比較低的區(qū)域，溫度從從進(jìn)口到出口逐漸升高；

(4)隨著空氣入口速度的增加，熱管換熱器的換熱量也隨之增加?？諝馊肟谒俣鹊脑黾訌?qiáng)化了空氣和熱管壁面之間的換熱，有利于提高換熱器的換熱性能，但是流速的增加也會帶來阻力的增加。

(5)阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而減小，在雷諾數(shù)從600增加到1000的過程中，曲線較為陡峭，斜率較大，阻力系數(shù)下降較快；當(dāng)雷諾數(shù)從1000增加到1400的過程中，曲線變化較為平緩，阻力系數(shù)下降速度減慢。

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Numerical Study of the Efficient Heat Pipe Heat Exchanger for the Application of Ceramic Kiln Flue Gas Heat Recovery

ZHANG Renping
(School of Materials Science and Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

Efficient heat pipe heat exchanger has application in the flue gas heat recovery. A mathematical model is developed for the heat transfer processes of heat pipe heat exchanger and solved numerically with the steady temperature field, pressure field and velocity field obtained. The results have shown that the frontal and rear half of the heat pipe give rise to the reversed flow and the gas temperature rise gradually from the inlet to outlet; the heat transfer capacity of the heat pipe heat exchanger increases with the increase of the inlet velocity, the coefficient of resistance decreases with the increase of the Reynolds number.

heat pipe; heat exchanger; kiln; numerical simulation

TQ174.6

A

1000-2278(2016)06-0718-06

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.06.025

2016-04-17。

2016-06-10。

江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20161BAB206133)。

張任平(1979-)，男，博士，講師。

Received date: 2016-04-17. Revised date: 2016-06-10

Correspondent author:ZHANG Renping(1979-), male, Ph. D., Lecturer.

E-mail:rpzhang@126.com