劉衛(wèi)東 左 煬 譚 帥

(1.重慶化工設(shè)計研究院有限公司成都分公司，四川成都，610065；2.四川大學化學工程學院，四川成都，610065)

計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics)簡稱CFD，是一種使用計算機計算技術(shù)模擬復雜真實流體工況，完成流體動力學與熱力學計算與預(yù)測，獲得不同流體的運動與傳質(zhì)傳熱規(guī)律的方法，利用CFD的方法可以模擬和解決一些復雜的工程問題。計算流體動力學的核心思想是基于有限元的方法把無限的連續(xù)變量轉(zhuǎn)化為有限的離散變量模型，即將時間與空間上連續(xù)的物理量用離散的變量集合來表示。各離散變量集合間并非無關(guān)，而是基于某些規(guī)律與邏輯存在相應(yīng)的數(shù)學關(guān)系，這些規(guī)律包括流體運動規(guī)律、質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和附加的各種模型方程等等。將各離散變量集合的數(shù)學關(guān)系用代數(shù)方程組表示并編制為計算機運行程序，利用計算機超強數(shù)值運算能力求解方程組，即可得到特定邊界條件下的各離散變量的近似值。離散變量在一定程度上能夠反映真實連續(xù)變量的分布變化情況。

由于CFD方法能獲得流場和熱量分布的詳細信息，因此近20年來，CFD技術(shù)己被廣泛應(yīng)用于各類溫度場與流暢動態(tài)模擬與相關(guān)設(shè)備設(shè)計[2-4]。CFD方法是目前應(yīng)用最廣，最為理想的換熱器溫度分布、出口溫度以及冷熱流體流動狀況的預(yù)測手段。本研究擬采用CFD模型對某一煤氣電加熱器進行溫度場模擬(如圖1所示)，以研究流體在加熱狀態(tài)下的溫度分布。通過電加熱器的模型構(gòu)建、網(wǎng)格劃分、流場模擬計算等手段，最終獲得了換熱器出口流體溫度分布，結(jié)果顯示經(jīng)過電加熱器后氣體出口溫度分布均勻，出口溫度達到工藝要求。

1 工藝參數(shù)與模型構(gòu)建

1.1 工藝參數(shù)

電加熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，加熱功率為500kW，加熱器電熱管功率密度為2.9 W/cm2(29000W/m2)，橫截面加熱管共計180根，均勻分布。待加熱介質(zhì)組分為：60%—70% CO、15%—20% CO2、2%—6% H2、7%—10% N2，水分飽和；微量雜質(zhì)：苯≤15ppm、萘≤5ppm、焦油≤3ppm、硫化氫≤10ppm、氫氰酸≤10ppm；流量約為40000Nm3/h，加熱器工作壓力為0.65MPa，氣體進口溫度為250℃；加熱介質(zhì)分子量為29.49，比定壓熱容為1.112kJ/kg·K，密度為5.010kg/m3，導熱率為0.04302W/m·K，粘度為0.02664cp；工藝要求流體出口溫度為535k，且分布均勻。

圖1 電加熱器結(jié)構(gòu)圖

1.2 流程模型

電加熱器的加熱管分布如圖2所示。流體在電加熱器流動過程中應(yīng)當遵守物理學規(guī)律，即滿足質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律。流體在電加熱器復雜幾何條件下的流動一般為湍流狀態(tài)[5]，因此本研究采用最為廣泛的k-ε湍流模型對室內(nèi)氣流流動情況進行三維、不定常和不可壓縮的湍流氣流流動的數(shù)值模擬。

圖2 加熱器布管圖

1.3 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS ICEM作為前處理軟件對計算域進行網(wǎng)格劃分。高質(zhì)量的網(wǎng)格是實現(xiàn)數(shù)值模擬成功的重要條件，過細或者過粗的網(wǎng)格都是應(yīng)該避免的。為了保證得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，本課題空間的離散采用的是混合六面體的網(wǎng)格。鑒于模型的對稱性，可以取一半作為計算域計算，即可得到整個加熱器的結(jié)果。將使用SpaceClaim構(gòu)建的三維模型導入到ICEM CFD中，因模型過于復雜，最終選擇使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格手動劃分網(wǎng)格，加熱器內(nèi)部橫截面網(wǎng)格劃分如圖3左所示，分段網(wǎng)格合并后加熱器內(nèi)部加熱管網(wǎng)格劃分如圖3右所示。最終結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)量為4611792。

圖3 加熱器內(nèi)部橫截面網(wǎng)格劃分(左)與加熱器內(nèi)部加熱管網(wǎng)格劃分(右)

1.4 邊界條件設(shè)置

本次計算采用ANSYS Flunet 19作為解算器。在Fluent中較為常見的邊界條件有速度進口、質(zhì)量進口和壓力出口等。本模型中，介質(zhì)進口被設(shè)置為速度進口，介質(zhì)出口則設(shè)置為壓力出口，加熱管被設(shè)置為加熱壁面，而加熱器殼體則被設(shè)置為絕熱壁面。根據(jù)流體的物性參數(shù)、電加熱器的實際工作狀態(tài)和邊界條件均設(shè)置。

2 計算結(jié)果

2.1 加熱器溫度場情況

為了得到穩(wěn)定流動區(qū)域，特延長了出口長度(T型管徑5倍長度)，以保證計算時不出現(xiàn)回流區(qū)域。根據(jù)加熱器結(jié)構(gòu)圖可知，出口段長度為400mm。因此經(jīng)過模擬計算后以400mm處的流動截面的溫度分布情況作為實際出口溫度。加熱段剖面溫度場和出口處的溫度場分布，如圖4所示。

圖4 加熱段剖面(加熱管)溫度場(上)和出口段橫截面溫度云圖(下)

由圖4可以看出：加熱介質(zhì)在流經(jīng)加熱管時，被加熱得并不夠均勻，僅在加熱管附近有較好的加熱效果，這可能是由于氣體流速過快和導熱率低導致的。加熱介質(zhì)進入到加熱器后半段后，整體溫度提升的同時，其被加熱的均勻度也有很大的提升。出口段400mm長度橫截面的溫度場分布更加均勻，表明加熱器的T型出口設(shè)置對于提高溫度的均勻度有較為明顯的作用。出口溫度的面積加權(quán)平均溫度或者質(zhì)量加權(quán)平均溫度分別為539.21K和539.19K，表明所選加熱器滿足工藝要求。經(jīng)過現(xiàn)場運行，實際氣體出口溫度與模擬結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

根據(jù)電加熱器實際結(jié)構(gòu)完成三維建模，并在三維模型的基礎(chǔ)上簡化得到了計算模型，采用了結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。采用Ansys Fluent 19作為解算器對加熱器內(nèi)部的氣體流動和能量傳遞進行了數(shù)值模擬，計算得到了加熱器出口的溫度場情況。計算結(jié)果表明出口介質(zhì)的溫度分布較為均勻，且出口溫度滿足工藝要求，表明所選電加熱器符合實際需求。盡管出口溫度滿足要求，但模擬結(jié)果同樣顯示由于加熱介質(zhì)的流速快、導熱率低，電加熱管對加熱介質(zhì)的加熱效果有限，且主要加熱效果集中在加熱管管壁附近。而整個加熱介質(zhì)溫度的提升主要靠加熱介質(zhì)流動方向的轉(zhuǎn)變，這種情況下，設(shè)置T型出口是必要的，通過T型出口氣體得到充分混合，溫度也傳導得更加均勻。