同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 高召寶 周偉國(guó) 羅 洋

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濃淡燃燒燃?xì)鉄崴鞒崞苁綋Q熱器數(shù)值模擬研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 高召寶 周偉國(guó) 羅 洋

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)濃淡燃燒燃?xì)鉄崴鞒崞苁綋Q熱器進(jìn)行仿真模擬研究，對(duì)實(shí)際設(shè)備進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，分別研究換熱管內(nèi)螺紋、翅片的形式以及翅片的數(shù)目對(duì)換熱器內(nèi)流體流動(dòng)和換熱的影響，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。比較結(jié)果表明：帶有螺紋的換熱管對(duì)水的出口溫度影響較??；異形翅片的換熱效果要優(yōu)于平面翅片的換熱效果；換熱器內(nèi)水的出口溫度隨翅片數(shù)目的增加呈對(duì)數(shù)函數(shù)分布。

濃淡燃燒燃?xì)鉄崴?翅片式換熱器 數(shù)值模擬 強(qiáng)化傳熱

0 概述

在能源危機(jī)較為嚴(yán)重的當(dāng)今，對(duì)于強(qiáng)化換熱的研究越來(lái)越受到關(guān)注。翅片管式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、經(jīng)濟(jì)，這些突出優(yōu)點(diǎn)使其在動(dòng)力、化學(xué)、石油化工、空調(diào)工程和制冷工程中應(yīng)用非常廣泛。翅片管換熱器的換熱管是否帶有螺紋、翅片的類型和結(jié)構(gòu)尺寸是影響換熱器性能的重要因素。秦富友等《光管和外螺紋管換熱器的換熱性能比較》對(duì)光管和外螺紋管換熱器的換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在相同條件下，外螺紋管換熱器與相同結(jié)構(gòu)尺寸的光管換熱器相比，總傳熱系數(shù)可以提高10%~17%；李媛等《板翅式換熱器翅片表面性能的三維數(shù)值模擬》以及張永軍等《翅片管換熱過(guò)程數(shù)值模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化》對(duì)換熱器中翅片的間距、高度、厚度對(duì)換熱過(guò)程的影響，得出了最優(yōu)的翅片布置類型。本文基于上述研究結(jié)果對(duì)翅片的形狀、數(shù)目以及換熱管中的螺紋進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬所選翅片管式換熱器的基管為圓管，管束外直徑為16 mm，壁厚為0.8 mm。圓管內(nèi)部帶有螺紋，管段外是利用機(jī)械安裝的翅片，共有69片，翅片壁厚為0.25 mm，相鄰翅片之間的間距為2.25 mm，模型簡(jiǎn)化圖見(jiàn)圖1。翅片管式換熱器銅管內(nèi)為水后域，管束外部為煙氣流域，來(lái)自燃燒室內(nèi)的高溫?zé)煔膺M(jìn)入換熱器，高溫?zé)煔馔饴訐Q熱器管束及其外部翅片后排入大氣中，管束內(nèi)的水吸收高溫?zé)煔獾臒崃?，從而達(dá)到升溫的效果。

圖1 簡(jiǎn)化后換熱器模型

原模型中有68個(gè)翅片，但在模擬過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)多且細(xì)密而無(wú)法劃分網(wǎng)格，因此采用逐漸增多翅片的方式進(jìn)行模擬。翅片逐漸采用0片、6片、11片、16片、21片、26片和36片的方式觀察換熱情況，并且模擬管內(nèi)有和沒(méi)有螺紋的影響。最后再通過(guò)擬合的方式計(jì)算整體換熱情況。翅片主體形狀保持不變，而表面上的凹凸結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)化。由于翅片很薄，忽略翅片端部傳熱，認(rèn)為絕熱；忽略翅片和銅管外壁接觸熱阻，認(rèn)為翅片根部與銅管外壁溫度相同；但換熱器的換熱管以及翅片保持原有壁厚。

螺紋管在劃分網(wǎng)格過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量太差，因而將螺紋管改為方形圓環(huán)均勻分布在換熱管內(nèi)。改為方形螺紋的依據(jù)：

(1)螺紋總長(zhǎng)度相同。

(2)螺紋斷面的水力半徑相同。

含有不同數(shù)目翅片的換熱器模型是將翅片均勻分布在換熱管段上，含有螺紋的管段和不含螺紋的管段主要在于換熱管段的內(nèi)表面。

換熱器共分為三個(gè)流體域，分別為煙氣流域，水流域和換熱材料固體域。本文對(duì)三個(gè)區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，翅片管式換熱器某截面上的網(wǎng)格見(jiàn)圖2。并對(duì)翅片的固體域，水的進(jìn)出口界面，煙氣進(jìn)出口界面進(jìn)行局部加密。某截面的網(wǎng)格局部加密圖見(jiàn)圖3。

圖2 翅片管式換熱器某截面上的網(wǎng)格

圖3 某截面的網(wǎng)格局部加密

2 流動(dòng)與傳熱控制方程

連續(xù)方程(質(zhì)量守恒方程)、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程(或稱擴(kuò)散方程)統(tǒng)一形式為：

J——輸送通量；

S——源項(xiàng)。

當(dāng)=0，J=0，S=0上式就是連續(xù)方程；而當(dāng)表示速度u，能量或質(zhì)量，上式就分別代表動(dòng)量、能量或組分平衡方程。對(duì)于穩(wěn)態(tài)不可壓縮單組分流動(dòng)，上式中變量對(duì)時(shí)間的偏導(dǎo)為零。

3 物性參數(shù)及邊界條件

表1 煙氣的組成

由于水和純銅材料的比熱容遠(yuǎn)大于干煙氣，因此，溫度變化主要發(fā)生在煙氣側(cè)，故忽略溫度變化對(duì)水和不銹鋼材料物性的影響，僅考慮煙氣各組分比定壓熱容隨溫度變化，在Fluent物性參數(shù)中對(duì)煙氣定壓比熱容采用分段線性來(lái)描述。換熱管束中水的比熱容取4 200 J/(kg·K)，密度取998.2 kg/m3，熱導(dǎo)率取0.6 W/(m·K)。換熱管束純銅物性參數(shù)按照常數(shù)確定，導(dǎo)熱率為387.6 W/(m·K)，定壓比熱容為381 J/(kg·K)，密度取8 978 kg/m3。

在計(jì)算過(guò)程中，假定煙氣為不可壓縮粘性流體，煙氣進(jìn)口條件以燃燒室出口所得的煙氣條件作為換熱器煙氣進(jìn)口的條件，煙氣進(jìn)口為速度入口邊界條件，速度為3.189 m/s，煙氣溫度為1979 K。煙氣出口為壓力出口邊界條件，其值取273 Pa。水進(jìn)口設(shè)為速度入口邊界條件，入口和出口面積為0.000128 m2，速度為1.19 m/s，水溫度為290.35 K。水出口設(shè)為壓力出口邊界條件，F(xiàn)luent可使出口邊界上速度和壓力滿足全發(fā)展流動(dòng)假設(shè)。換熱管束、翅片為有厚度的壁面邊界條件，翅片壁厚為0.25mm，換熱管束外直徑為16 mm，壁厚為0.8mm。換熱器外殼為無(wú)厚度的絕熱壁面邊界條件。

4 求解模型和求解方法

Fluent是基于有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散和求解，求解模型需要打開(kāi)能量方程，湍流模型懸著k－ε兩方程模型。由于煙氣是由多組分構(gòu)成，因需要打開(kāi)組分輸送模型。，速度壓力耦合求解方法采用SIMPLE算法，其中動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散、能量方程、k－ε方程采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，有助于求解的穩(wěn)定性，并減少偽擴(kuò)散。松弛因子采用默認(rèn)設(shè)置。同時(shí)對(duì)排煙溫度以及水的出口溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即監(jiān)視每一步迭代過(guò)程的排煙溫度以及水的出口溫度，觀察換熱器的換熱情況。當(dāng)煙氣出口和水出口溫度趨于穩(wěn)定且達(dá)到收斂準(zhǔn)則時(shí)，即認(rèn)為收斂，最后可得到翅片管式換熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)。

5 模擬結(jié)果

翅片管式的對(duì)流換熱問(wèn)題中，管束排列一般有順排和叉排兩種方式。順排和叉排分別有不同的流動(dòng)特征，主要是叉排管束所組成的管束煙氣在流道內(nèi)彎曲流動(dòng)，所走路徑更長(zhǎng)，并且管外流體在流經(jīng)叉排管束時(shí)比流經(jīng)順排管束時(shí)擾動(dòng)更為劇烈，換熱也更強(qiáng)。

5.1 螺紋管對(duì)換熱過(guò)程影響

通過(guò)對(duì)含有0片、6片、11片、16片、21片、26片和36片異形翅片的有螺紋和無(wú)螺紋管段換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)溫度場(chǎng)分析可知，有螺紋的換熱器水溫度上升的速度較快，但是最后水出口的溫度相差不大。因此螺紋管對(duì)增強(qiáng)換熱的效果較差，并且有螺紋管段邊界的擾流要大于無(wú)螺紋的管段，但是由于螺紋的當(dāng)量直徑太小對(duì)增強(qiáng)換熱的效果不夠明顯，只是具有減少換熱過(guò)程中的氣蝕的作用。

表2 異形翅片有螺紋和無(wú)螺紋管段換熱器數(shù)值模擬結(jié)果

5.2 含有36片異形翅片與平面翅片且有螺紋的換熱管的換熱情況對(duì)比

對(duì)含有36片異形翅片與平面翅片且有螺紋的換熱管的換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，異形翅片與平面翅片模型見(jiàn)圖4。

圖4 異形翅片與平面翅片模型

含有36片異形翅片與平面翅片且有螺紋的換熱管的換熱器模擬所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，模擬結(jié)果顯示異形翅片的溫度分布要比平面翅片的溫度分布更加均勻。

表3 含有36片翅片有螺紋換熱管的換熱器模擬數(shù)據(jù)

5.3 含有不數(shù)目異形翅片且有螺紋換熱管的對(duì)換熱過(guò)程影響

對(duì)含有不數(shù)目異形翅片且有螺紋換熱管的換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)分析可知，隨著換熱器中翅片數(shù)目的增多，水溫度上升和煙氣溫度下降趨于緩慢，但是在翅片數(shù)目從無(wú)到有過(guò)程中，出口水的溫度上升最快。數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 異形翅片有螺紋換熱管的換熱器模擬數(shù)據(jù)

6 模擬結(jié)果分析

6.1 分析模擬數(shù)據(jù)所得結(jié)論

(1)中間位置翅片上的溫度要大于兩端位置的翅片溫度。

(2)對(duì)比異形翅片和平面翅片發(fā)現(xiàn)平面翅片在直角處溫度較高，但是內(nèi)部溫度較低，而異形翅片溫度分布比較均勻。

(3)不同數(shù)目異形翅片的換熱器與其模擬所得到水出口溫度和煙氣出口溫度的結(jié)果分別見(jiàn)圖5，圖6。

圖5 翅片數(shù)目與出水溫度的擬合關(guān)系

翅片數(shù)目與水出口溫度的擬合關(guān)系：

翅片數(shù)目與煙氣出口溫度的擬合關(guān)系：

上面兩圖中各自的擬合關(guān)系說(shuō)明，隨著換熱管上翅片數(shù)目的增加，出水溫度上升和煙氣出口溫度下降均趨于緩慢。

6.2 燃?xì)鉄崴鲗?shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)與上述數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)見(jiàn)表5，并計(jì)算兩種數(shù)據(jù)之間的誤差，一方面可以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確度，另一方面也可以為換熱器的改造提供一些可行性的建議。

表5 換熱器模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

7 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)濃淡燃燒燃?xì)鉄崴髦械某崞苁綋Q熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，主要考慮換熱器中換熱管上的螺紋，翅片的類型以及翅片的目這樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能有很大影響。模擬結(jié)果顯示螺紋對(duì)提高換熱器的效率影響較小，但是螺紋管具有降噪的功能，可以增強(qiáng)換熱管內(nèi)水的擾動(dòng)，降低換熱過(guò)程中的氣蝕影響；異形翅片的吸熱效果要明顯優(yōu)于平面翅片，異形翅片在換熱過(guò)程中整體溫度分布比較均勻，不會(huì)出現(xiàn)溫度過(guò)高的區(qū)域，一方面可以更好地吸收煙氣中的熱量，另一方面更能延長(zhǎng)其使用的壽命；翅片的數(shù)目對(duì)換熱效果的影響最為明顯，在翅片數(shù)目逐漸增加的過(guò)程中，溫度上升逐漸變緩，也就是換熱效率提升逐漸減少，為了減少產(chǎn)品的重量和產(chǎn)品的投資，需要根據(jù)產(chǎn)品的形狀和大小合理布置翅片的厚度、翅片的高度以及翅片的間距，在最大化提高產(chǎn)品效率的同時(shí)，降低產(chǎn)品的初投資。

Numerical Simulation Study on Fin Heat Exchanger of Rich and Lean Combustion Gas Water Heater Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Gao Zhaobao Zhou Weiguo Luo Yang

The numerical simulation method is used to study the finned heat exchanger with rich and lean combustion gas water heater. On the basis of the rational simplification of the finned heat exchanger, the effects of internal threads, the form of fins and the number of fins on fluid flow and heat transfer in heat exchangers are studied respectively, and the simulation results are compared with experimental datum to verify the accuracy of the simulation results. The results show that the heat transfer tube with thread has little influence on the outlet temperature of water; the heat transfer effect of the special-shaped fin is better than the heat transfer effect of the plane fin; the outlet temperature of water in the heater increases logarithmically with the number of fins.

rich and lean combustion gas water heater, finned heat exchanger,numerical simulation, convective heat transfer