李玉宏 任慧剛 李琪飛 陳維鉛 黃騰 李濤

摘要：以西北地區(qū)某溫室增溫設(shè)備為研究對(duì)象，為了提高該增溫設(shè)備的換熱效率，對(duì)換熱器部件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。此次模擬采用realizable-湍流模型，速度和壓力的耦合采用SIMPLEC算法，分別對(duì)直形、蛇形繞管換熱器的換熱性能即對(duì)殼程空氣的加熱情況進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果顯示，直行繞管換熱器殼程氣體平均出口溫度為358.89 K，將殼程空氣加熱了354.04 K;蛇形繞管換熱器殼程氣體平均出口溫度為368.89 K，將殼程空氣加熱了 364.04 K。說(shuō)明蛇形繞管換熱性能較好，其管程中煙氣溫度降低幅度較大，殼程氣體加熱情況較好，流動(dòng)速度分布均勻。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)熱風(fēng)爐;管殼式換熱器;流體流動(dòng);數(shù)值換熱;fluent模擬

中圖分類號(hào)： TK172.4;TK69? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）18-0189-07

收稿日期：2020-12-20

基金項(xiàng)目：甘肅省高等學(xué)校產(chǎn)業(yè)支撐引導(dǎo)項(xiàng)目（編號(hào)：2019C-20）;隴原青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（編號(hào)：2020RCXM125）;甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升項(xiàng)目（編號(hào)：2019A-251）。

作者簡(jiǎn)介：李玉宏（1967—），男，甘肅酒泉人，副教授，主要從事生物質(zhì)能的開發(fā)與利用。E-mail：lyu9196@sohu.com。

通信作者：李琪飛，博士，副教授，主要從事流體機(jī)械流動(dòng)理論方面的研究。E-mail：lqfy@lut.cn。

生物質(zhì)熱風(fēng)爐在人們的生產(chǎn)生活中用途廣泛，其工作方式為生物質(zhì)顆粒燃料燃燒釋放熱量，通過(guò)高溫?zé)煔鈱⒖諝饧訜幔沟每諝鉁囟冗_(dá)到相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)，用于生活采暖、工業(yè)生產(chǎn)、熱固化、糧食烘干、戈壁溫室等領(lǐng)域。本研究的生物質(zhì)熱風(fēng)爐為溫室專用，為了提高其換熱性能和效率，從熱風(fēng)爐最主要的設(shè)備即換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化方面著手。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)2種類型換熱器對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

管殼式換熱器是一種特殊設(shè)備，其類型眾多，特點(diǎn)各異，基本工作原理是將熱流體的一部分熱量傳遞給冷的流體，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)[1]。管殼式換熱器主要用于調(diào)節(jié)多種工作介質(zhì)的溫度，是一種較為有效的回收利用余熱、廢熱的裝置[2]。蛇形繞管換熱器是最早出現(xiàn)的一種換熱儀器設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)經(jīng)濟(jì)，具有制造、安裝、清洗、維修方便等特點(diǎn)，由于其管子可以承受較大的壓力，通常用于高壓流體的冷卻或作為反應(yīng)器的傳熱元件[3]。截至目前，蛇形繞管換熱器的換熱面積和壓降的計(jì)算主要依靠工程公式和類比的計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的極速發(fā)展，采用數(shù)值計(jì)算的方法研究換熱器受到了很大的關(guān)注。早期對(duì)換熱器的計(jì)算研究大部分集中在換熱器單側(cè)的模擬研究，如單獨(dú)對(duì)一方面殼程流體或管程流體進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[4]。這類研究都是基于換熱管恒壁溫或恒熱流密度的假設(shè)條件下進(jìn)行的，與實(shí)際情況存在一定的差異。隨著研究的深入，越來(lái)越多的學(xué)者開始計(jì)算整體換熱器的流動(dòng)與傳熱情況研究[5]。羅亮利用Fluent軟件對(duì)翅片管換熱器進(jìn)行了管內(nèi)和管外整體耦合傳熱計(jì)算研究，得到了熱管兩側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)[6];付磊等利用Fluent對(duì)管殼式換熱器的流體流動(dòng)以及其耦合傳熱進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分別得到管程、殼程的流速、壓降、溫度等相關(guān)參數(shù)信息[7];高緒棟等利用Fluent對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)[8-9]。

以上學(xué)者所研究換熱器的管程、殼程中的流體基本都為液體，而本課題研究的是立式套筒生物質(zhì)熱風(fēng)爐換熱器，其管程、殼程內(nèi)流體分別為高溫?zé)煔夂统乜諝?，基于氣體介質(zhì)來(lái)分析優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)。

本研究利用Fluent軟件[10]對(duì)熱風(fēng)爐的2種不同類型換熱器模型進(jìn)行傳熱數(shù)值計(jì)算，得出2種換熱器內(nèi)的溫度和速度分布，并計(jì)算出2種換熱器管程和殼程的進(jìn)出口溫度差，為2種不同類型換熱器的絕對(duì)換熱面積系數(shù)計(jì)算及速度分析提供新的方法和途徑。

1 仿真模型

1.1 物理模型的建立

本研究數(shù)值模擬的研究對(duì)象為某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的生物質(zhì)熱風(fēng)爐的某一結(jié)構(gòu)設(shè)備，即設(shè)計(jì)的2種不同類型換熱管的換熱器，此2類換熱器結(jié)構(gòu)均由環(huán)繞熱管和殼體組成，有4個(gè)流體進(jìn)出口，即煙氣進(jìn)口、煙氣出口、空氣進(jìn)口、空氣出口。溫度不同的2種氣體介質(zhì)分別在給定的2個(gè)空間域中流動(dòng)，通過(guò)壁面?zhèn)鳠岷蜌怏w介質(zhì)在表面的對(duì)流，實(shí)現(xiàn)了2種氣體之間的換熱。

模型的建立是進(jìn)行后續(xù)數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)，合理的模型能為后續(xù)網(wǎng)格劃分及計(jì)算省去很多麻煩。在三維軟件Creo 5.0中建立的2種換熱器模型分別如圖1、圖2所示，2種換熱器的參數(shù)分別如表1、表2所示。

換熱器的下方是爐膛，爐膛下方為燃燒室，木屑等成型生物質(zhì)能燃料在換熱器下方燃燒，產(chǎn)生大量煙氣并伴隨著大量熱量流進(jìn)換熱管（管程流體），換熱器上方出口（即煙氣出口）安裝有引風(fēng)機(jī)。由于該熱風(fēng)爐換熱器用于溫室加熱，故室內(nèi)的常溫空氣從換熱器下方一側(cè)圓形入口進(jìn)入，即殼程流體。直形繞管和蛇形繞管換熱器常溫空氣入口布置方式略有不同，直形繞管布置有4個(gè)空氣入口，直徑都為100 mm;蛇形繞管設(shè)置有1個(gè)空氣入口，其直徑也為100 mm。由后面數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出，此類布置方式對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果沒有影響。殼程空氣流通過(guò)壁面導(dǎo)熱和常溫空氣在換熱管壁表面的對(duì)流獲得熱量，從換熱器另一側(cè)圓形出口流出變成所需的熱空氣。

1.2 模型處理及網(wǎng)格劃分

1.2.1 模型處理

為了方便分析，將2種類型的換熱管基本設(shè)計(jì)成對(duì)稱的布置方式。將2種換熱器的三維模型導(dǎo)入ICEM CFD 15.0中進(jìn)行前期處理。分別抽取換熱器的流體域，即抽取空氣流體域、煙氣流體域和固體流體域。抽取的空氣與煙氣流體域如圖3至圖6所示。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分在整個(gè)數(shù)值計(jì)算中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，網(wǎng)格類型和尺寸大小是否合理是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算過(guò)程中非常關(guān)鍵的一步，劃分出來(lái)的網(wǎng)格好壞直接影響到求解的準(zhǔn)確性[10]。直形、蛇形繞管管程幾何形狀規(guī)則，故選擇四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，換熱管繞管屬于金屬材料介質(zhì)，在進(jìn)行前處理時(shí)，需要指定好材料屬性，圖7以直形繞管舉例說(shuō)明。

殼程流場(chǎng)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此不宜選擇六面體網(wǎng)格。四面體網(wǎng)格的自適應(yīng)能力可以更準(zhǔn)確地捕捉內(nèi)部流場(chǎng)等信息。在殼程壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格能較為準(zhǔn)確地捕捉邊界層的流動(dòng)和換熱狀況，減小邊界層效應(yīng)的影響，如圖8、圖9所示。

2 基本方程與湍流數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

本模型所用到的方程有質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、組分守恒方程。由于氣體流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程[11]。考慮到具有熱傳導(dǎo)或具有可壓縮性的流動(dòng)，能量守恒方程求解必不可少，其微分方程表達(dá)式[12]為

div（v→h）=divλρgradT+Φ+Skρ。（1）

式中：ρ為流體密度;λ為流體導(dǎo)熱系數(shù);h為流體的比焓;T為流體溫度;Φ為耗散函數(shù);Sk為流體的內(nèi)熱源;v為流體流速。

2.2 湍流數(shù)學(xué)模型

標(biāo)準(zhǔn)模型在計(jì)算彎曲壁面時(shí)會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象，而RNG k-ε模型[13]可以改進(jìn)這一缺陷，但k-ε適用的流動(dòng)類型比較廣泛，包括旋均勻剪切流等，因此選用realizable k-ε模型，其表達(dá)式為

ρdkdt=xjμ+μtσkkxj+Gk+Gb-ρε-YM;（2）

ρdεdT=xjμ+μtσEεxj+ρC1Sε-ρC2ε2k+vε+C1εεkC3εGb。 （3）

其中，C1=max0.43ηη+5，η=Sk/ε。

在上述方程中：k為湍流動(dòng)能;ε為耗散率;xj為張量;t為時(shí)間;μt為湍流黏性渦團(tuán)系數(shù);Sk、Sε分別為湍流動(dòng)能項(xiàng)、耗散項(xiàng);v為運(yùn)動(dòng)黏度;Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能;Gb為浮力影響引起的湍動(dòng)能;Ym為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;C2、C1ε、C3ε是常數(shù);σk、σε分別是湍動(dòng)能及其耗散率的湍流普朗特?cái)?shù);在FLUENT中，作為默認(rèn)常數(shù)，C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2。

3 初始化及邊界條件的設(shè)置

由于立式套筒生物質(zhì)熱風(fēng)爐中的溫度壓力都是較高的，因此換熱管材質(zhì)選用銅;而為了節(jié)省成本，其他殼程處采用Q235鋼。這2種金屬材料的物性參數(shù)如表3所示。

邊界條件的設(shè)定：2種換熱器煙氣進(jìn)口、空氣進(jìn)口均采用速度進(jìn)口邊界，包括煙氣、空氣入口速度、壓力、溫度、湍流強(qiáng)度、水力直徑等;2種換熱器煙氣出口、空氣出口均設(shè)置壓力出口邊界條件，包括出口處相對(duì)壓力、湍流強(qiáng)度、水力直徑等;壁面邊界條件主要包括壁面溫度[14]。

4 模擬結(jié)果及分析

為了比較2種換熱器的換熱性能，引入絕對(duì)換熱面積系數(shù)（α），定義公式為：α=LA，其中，L為換熱管總長(zhǎng)度;A為換熱總截面積。據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)可知，絕對(duì)換熱面積α越小越有利于傳熱，因此結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果和相關(guān)理論分析，比較2種換熱器的性能。

4.1 管程流場(chǎng)分析

換熱管的研究是換熱器結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)之一，對(duì)直形管換熱器與蛇形換熱器的各個(gè)場(chǎng)進(jìn)行分析對(duì)比，對(duì)原始已有的2種換熱管進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出效率更高的換熱管。

4.1.1 溫度場(chǎng)分析

圖10至圖12分別為從直形繞管換熱器煙氣進(jìn)口某一橫截面到出口某一橫截面的換熱管溫度分布圖，直形繞管3個(gè)橫截面溫度分布趨勢(shì)大致相同，但大小有差異，這主要是由于直形繞管來(lái)回繞了4次的結(jié)果，圖中可以看出換熱管中心處溫度高，壁面周圍溫度低，而且溫度梯度較大。這主要是由于氣體流黏度的存在，靠近壁面周圍氣體流流動(dòng)狀態(tài)為層流，且層流熱阻大，形成了熱邊界層，此處的傳熱效果不是特別理想。同樣邊界條件下的蛇形繞管整體換熱管溫度分布趨勢(shì)與直形管基本一致。

圖13、圖14所示為直形管程流體域軸向?qū)ΨQ面上的2個(gè)溫度分布云圖。圖15為蛇形管程流體域中間縱截面溫度分布圖，圖中所示煙氣的溫度逐步降低， 并且呈現(xiàn)出梯度降低趨勢(shì)。直形熱管高溫

煙氣進(jìn)出口溫差為1 032.35 K，蛇形熱管高溫?zé)煔膺M(jìn)出口溫差為639.15 K，這在一定程度上表明換熱比較明顯。

4.1.2 速度場(chǎng)分析

為進(jìn)一步了解換熱管內(nèi)的煙氣流動(dòng)狀態(tài)對(duì)換熱器傳熱的影響，對(duì)煙氣流動(dòng)的速度場(chǎng)進(jìn)行分析。圖 16至圖18所示分別為直形換熱管2個(gè)縱截面和蛇形換熱管縱截面流體速度云圖。從圖16可以看出，管程中的流體在換熱管入口處流速先是稍有增大，然后到換熱管中部及后部流速基本穩(wěn)定下來(lái)。由圖17可以看出，換熱管縱截面2的速度分布變化不是很明顯，速度梯度較小，速度較為穩(wěn)定。從圖18可以看出，蛇形繞管換熱器管程中速度比較均勻，基本保持在5.2 m/s左右，在蛇形繞灣處靠近外壁面由于煙氣的沖擊作用速度較大，基本達(dá)到6.0 m/s，而靠近內(nèi)壁面基本相反。綜上可知煙氣流體在換熱管內(nèi)的速度變化幅度不大，湍流強(qiáng)度較小，傳熱阻力較大。

4.2 殼程流場(chǎng)分析

4.2.1 溫度場(chǎng)分析

圖19和圖20所示分別為直形換熱器殼程縱截面和出口處的溫度云圖，圖21為蛇形換熱器殼程縱截面溫度云圖。由圖19至圖21可知，殼程中空氣溫度總體上沿流體的流動(dòng)方向逐漸升高，且離換熱管壁越近，溫度越高。但通過(guò)對(duì)圖21仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，在換熱器蛇形繞管中間某一塊區(qū)域溫度比周圍溫度高，這是因?yàn)榭諝饬髟谶@個(gè)區(qū)域處于相對(duì)停止的狀態(tài)，與圖22速度圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，中間某一區(qū)域空氣流速度很低，可能是由于存在小渦流造成的，由于小渦流中的空氣流速度很低，因此這塊區(qū)域很快被加熱，又由于處于停滯狀態(tài)，熱量無(wú)法傳遞出去，因此這塊區(qū)域溫度相對(duì)較高，即形成了傳熱死區(qū)。由圖20可以看出直行繞管殼程出口處空氣流平均出口溫度為358.89 K，由于空氣進(jìn)口溫度為278.00 K，故進(jìn)出口溫差為354.04 K，即將殼程空氣流加熱了354.04 K，但其溫度呈現(xiàn)出梯度變化趨勢(shì)。由圖21可以看出，蛇形繞管換熱器空氣流出口溫度為368.89 K，由于進(jìn)口溫度為 278.00 K，故進(jìn)出口溫差為364.04 K，即將殼程空氣流加熱了364.04 K，溫度呈現(xiàn)較為均勻。

4.2.2 速度場(chǎng)分析

圖22所示為蛇形繞管換熱器殼程縱截面速度云圖，傳熱死區(qū)不是特別明顯，速度云圖恰好與溫度云圖相符合，在換熱器的左上角和右下角空氣流速度較高，而整個(gè)殼體中流體速度特別慢，幾乎處于停滯狀態(tài)，這也有利于空氣充分加熱，空氣流體從殼程入口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)換熱管的擾流，斜向上沿殼程出口出去，故蛇形繞管有利于適當(dāng)消除傳熱死區(qū)的存在，對(duì)殼程空氣流的加熱較明顯。

5 結(jié)論

直形繞管、蛇形繞管換熱器管程溫度分布基本一致，即換熱管中心溫度高，壁面溫度低，且溫度梯度較大，但蛇形繞管管程的溫度降得更明顯，這在一定程度上表明其換熱性能較好。

直行繞管殼程氣體溫度降為354.04 K，即將殼程空氣加熱了354.04 K;蛇形繞管殼程氣體溫度降為364.04 K，即將殼程空氣加熱了364.04 K。

蛇形繞管換熱器對(duì)空氣的加熱特性較好，主要原因與絕對(duì)換熱面積系數(shù)有關(guān)，即管長(zhǎng)與殼程域中間縱截面（換熱管所占面積）的比值，對(duì)于直形換熱管α=0.012 7，對(duì)于蛇形換熱管α=0.009 65，因此α越小越有利于傳熱，這與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果相符合。

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