張森源 董金善 周瑞均 劉林波 朱 雨
(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)
目前,發(fā)電廠和石化行業(yè)中會(huì)產(chǎn)生大量的中低溫?zé)煔?,中低溫?zé)煔鉄崮艿燃?jí)低、利用率不高,且煙氣熱能損失占鍋爐能耗的比重較大。 現(xiàn)有的余熱回收系統(tǒng)規(guī)模大,投資回收期長,不利于將中低溫?zé)煔膺M(jìn)行回收和可持續(xù)利用[1~3]。換熱器是煙氣余熱回收系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,煙氣中的碳煙顆粒會(huì)沉積在換熱器表面,形成的沉積層具有很低的導(dǎo)熱系數(shù),這將導(dǎo)致?lián)Q熱器的傳熱性能大幅降低[4~6]。凸臺(tái)板式換熱器不僅具有傳統(tǒng)板式換熱器質(zhì)量輕、傳熱效率高和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn),其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)還能增加有效換熱面積, 增強(qiáng)湍流程度,同時(shí)還可以使流道內(nèi)產(chǎn)生明顯的渦流和二次流[7],阻止煙氣中的碳煙顆粒在換熱器表面沉積。
板式換熱器是廢熱回收的常用設(shè)備,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛研究。 張喜迎分析圓形凹凸板雙流道耦合換熱的過程[8],得到凹坑/凸胞的深度和板間距對(duì)努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)起決定性作用。 藍(lán)少健等模擬了換熱器波紋板內(nèi)外流體的流動(dòng)情況[9],證實(shí)凹凸波紋結(jié)構(gòu)能夠強(qiáng)化煙氣側(cè)的傳熱,且凸波紋的性能更優(yōu)。 吳丹對(duì)板式換熱器的換熱和流阻性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[10],分析了換熱和阻力特性隨結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律。 試驗(yàn)方面,F(xiàn)OCKE W W等對(duì)人字形流道進(jìn)行試驗(yàn)[11],建立板式換熱器波紋角對(duì)傳熱與阻力性能的關(guān)系式。STASIEK J A得到了不同波高的波紋板片溫度、壓降和熱交換因子的分布規(guī)律[12]。
筆者首先對(duì)圓弧形凸臺(tái)板片進(jìn)行數(shù)值模擬,并將出口煙氣溫度模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[13]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析, 以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。 通過構(gòu)建不同的凸臺(tái)板片模型,分析了各結(jié)構(gòu)下不同雷諾數(shù)Re的仿真結(jié)果。 對(duì)多參數(shù)板片設(shè)計(jì)均勻試驗(yàn),通過對(duì)各參數(shù)的優(yōu)化擬合出回歸方程,研究結(jié)構(gòu)參數(shù)[14]對(duì)凸臺(tái)板片傳熱性能的影響。
該板式換熱器由多組對(duì)稱分布換熱單元中心旋轉(zhuǎn)疊加在一起,故選取一個(gè)單元進(jìn)行模擬分析。 分析凸臺(tái)板片結(jié)構(gòu)參數(shù)后,對(duì)其換熱性能影響較大的主要因素有凸臺(tái)傾角β、凸臺(tái)間距P和凸臺(tái)高度H。 因此,分別以這3個(gè)參數(shù)建立仿真所需的幾何模型,分析傳熱和阻力性能的影響,板片結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如圖1所示, 煙氣側(cè)計(jì)算模型如圖2所示。
圖1 板片結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)示意圖
圖2 板片煙氣側(cè)計(jì)算模型
使用FLUENT Meshing軟件對(duì)筆者所研究的凸臺(tái)板片模型進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分。 使用棱柱層網(wǎng)格對(duì)兩側(cè)參與傳熱的凸臺(tái)板壁面進(jìn)行加密處理,并降低最大偏斜度至0.65左右。經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn), 所選取的流體網(wǎng)格單元數(shù)為1 378 504,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為6 897 927。 固體域網(wǎng)格劃分如圖3所示。
圖3 固體域網(wǎng)格劃分及局部放大圖
筆者將文中的仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[13]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,以驗(yàn)證文中數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。 文獻(xiàn)[13]中的試驗(yàn)布置如圖4所示,試驗(yàn)板片與文中熱交換器板片模型相似,對(duì)比數(shù)據(jù)見表1。
圖4 文獻(xiàn)[13]試驗(yàn)布置示意圖
表1 試驗(yàn)板片與數(shù)值模擬板片對(duì)比
試驗(yàn)時(shí), 采用鎳鉻-鎳硅熱電偶對(duì)煙氣進(jìn)出口溫度、空氣進(jìn)出口溫度進(jìn)行測(cè)量,采用畢托管對(duì)壓力和流量進(jìn)行測(cè)量。
為了保證驗(yàn)證[15]的準(zhǔn)確性,數(shù)值模擬條件與試驗(yàn)工況應(yīng)相同。 采用速度進(jìn)口邊界條件,煙氣入口溫度設(shè)定與文獻(xiàn)[13]試驗(yàn)工況相同;采用壓力出口邊界條件,壓力值設(shè)為一個(gè)大氣壓;流道兩側(cè)設(shè)為恒溫壁面,垂直空氣流動(dòng)方向的上下壁面設(shè)為絕熱面。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比見表2。
表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比
由表2可知, 煙氣出口溫度的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差較小, 相對(duì)誤差平均值在6%以內(nèi), 表明煙氣側(cè)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較符合,說明筆者采取的數(shù)值模擬方法比較符合實(shí)際。
板片結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。
表3 板片結(jié)構(gòu)參數(shù)
研究者根據(jù)熱交換性能與功耗和速度的立方成正比, 推導(dǎo)出等泵功下的評(píng)價(jià)方法, 即以(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3是否大于1為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則, 其值大于1 表示在同一泵功下強(qiáng)化表面?zhèn)鳠嵝阅芨茫?6]。 該準(zhǔn)則即強(qiáng)化傳熱系數(shù)法,公式如下:
以凸臺(tái)傾角β=60°、凸臺(tái)間距P=15 mm、凸臺(tái)高度H=5 mm的凸臺(tái)板作為比照板片。 當(dāng)η大于1時(shí),說明被比照的凸臺(tái)板片綜合性能更優(yōu);當(dāng)η小于1時(shí),則說明被比照的凸臺(tái)板片綜合性能較差。
2.2.1 對(duì)凸臺(tái)傾角的綜合評(píng)價(jià)
通過增加流速來增大雷諾數(shù),得到不同凸臺(tái)傾角下強(qiáng)化傳熱因子隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律如圖5所示。 從圖中可以看出:凸臺(tái)傾角大于60°時(shí),η均大于1,且凸臺(tái)傾角越大,強(qiáng)化傳熱因子越大,凸臺(tái)傾角70°時(shí)有最高的傳熱性能,η最大為1.113 6,最小1.089 3,即表示凸臺(tái)傾角越大,凸臺(tái)板片綜合性能越優(yōu)。 還可看出:強(qiáng)化傳熱因子隨雷諾數(shù)變大而變大,則隨流速的增加板片的綜合性能更優(yōu)。 所以,當(dāng)凸臺(tái)傾角較大時(shí),要使傳熱更好應(yīng)增大流速。
圖5 不同凸臺(tái)傾角下強(qiáng)化傳熱因子隨雷諾數(shù)的變化
2.2.2 對(duì)凸臺(tái)間距的綜合評(píng)價(jià)
通過增加流速來增大雷諾數(shù),得到不同凸臺(tái)間距下強(qiáng)化傳熱因子隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律如圖6所示。 從圖中可以看出: 凸臺(tái)間距小于15.0 mm時(shí),η小于1,而大于15.0 mm時(shí),η會(huì)大于1,且凸臺(tái)間距越大,綜合性能越好。 凸臺(tái)間距17.0 mm時(shí)有最大的強(qiáng)化傳熱因子,η最大為1.127 6, 最小1.083 7。當(dāng)凸臺(tái)間距大于15.0 mm時(shí),隨著雷諾數(shù)的增大,η逐漸變小,而此時(shí)流速也是增大的。 所以,在凸臺(tái)間距較大的情況下, 為了提高綜合換熱性能,應(yīng)降低流速。
圖6 不同凸臺(tái)間距下強(qiáng)化傳熱因子隨雷諾數(shù)的變化
2.2.3 對(duì)凸臺(tái)高度的綜合評(píng)價(jià)
通過增加流速來增大雷諾數(shù), 得到不同凸臺(tái)高度下強(qiáng)化傳熱因子隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律如圖7所示。從圖中可以看出:凸臺(tái)高度大于5.0 mm時(shí),η大于1,即板片的綜合性能更好,而當(dāng)凸臺(tái)高度小于5.0 mm時(shí),η小于1,板片性能降低。 這說明凸臺(tái)高度越大,對(duì)于提高板片的綜合性能越有利。還可看出:當(dāng)凸臺(tái)高度為6.5 mm時(shí),隨著雷諾數(shù)的增大,η由1.277 0減小為1.195 1, 這表示提高流速,板片的綜合傳熱性能變差。 所以當(dāng)凸臺(tái)高度更大時(shí),為了提高傳熱效果,應(yīng)降低流速。
圖7 不同凸臺(tái)高度下強(qiáng)化傳熱因子隨雷諾數(shù)的變化
上述所得結(jié)論均有一定條件,即:保持凸臺(tái)高度和凸臺(tái)間距不變,凸臺(tái)傾角越大強(qiáng)化傳熱綜合性能越好;保持凸臺(tái)傾角和高度不變,凸臺(tái)間距越大強(qiáng)化傳熱綜合性能越好;保持凸臺(tái)傾角和間距不變, 凸臺(tái)高度越大強(qiáng)化傳熱綜合性能越好。 因此,為了能夠得到最優(yōu)的結(jié)果,還需對(duì)不同參數(shù)組合進(jìn)一步分析。
均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)[17]適用于多因素多水平測(cè)試,它可以安排較少測(cè)試次數(shù)的多因素多水平試驗(yàn)。本次采用3因素6水平試驗(yàn),若全面試驗(yàn)需216次,但均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)只需要6次。 考慮到本試驗(yàn)范圍略大,僅做6次可靠性不足[18],故使用U13(134)均勻設(shè)計(jì)表, 去掉最后一行, 設(shè)計(jì)3因子12水平方案,試驗(yàn)表見表4。
表4 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)表
數(shù)值模擬與分析后可得所需要的計(jì)算結(jié)果(表5)。
利用表5中的數(shù)據(jù),擬合凸臺(tái)傾角、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度與努塞爾數(shù)和強(qiáng)化傳熱因子的關(guān)聯(lián)式。
表5 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果
本節(jié)采用一元線性回歸分析說明其關(guān)系, 假設(shè)Nu為Y,凸臺(tái)傾角、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度分別是X1、X2、X3,并認(rèn)為因子間均線性相關(guān),則有如下表達(dá)式[19]:
Y=C0+C1X1+C2X2+C3X3(2)
借助MATLAB軟件分析處理時(shí),設(shè)顯著水平α為0.05,得到線性回歸方程:
Nu=21.0800-0.1761β-2.0885P+15.3195H (3)
此時(shí),檢驗(yàn)值F=92.133,而臨界值F(3,8)=7.59,即有F>F(3,8),表明方程顯著。 從式(3)可以看出:當(dāng)凸臺(tái)高度H和凸臺(tái)間距P恒定時(shí),Nu隨凸臺(tái)傾角β的增大而減?。划?dāng)P和β恒定時(shí),Nu隨H的增大而增大; 當(dāng)H和β恒定時(shí),Nu隨P的增大而減小。
對(duì)強(qiáng)化傳熱因子η線性回歸后的方程如下:
η=0.01439-0.00002β-0.00049P+0.00108H (4)
此時(shí),檢驗(yàn)值F=12.128,而臨界值F(3,8)=7.59,即有F>F(3,8),表明方程顯著。 從式(4)可以看出:當(dāng)凸臺(tái)高度H和凸臺(tái)間距P恒定時(shí),η隨凸臺(tái)傾角β的增大而減?。?當(dāng)P和β恒定時(shí),η隨H的增大而增大;當(dāng)H和β恒定時(shí),η隨P的增大而減小。
根據(jù)表5,擬合凸臺(tái)傾角、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度與壓降和摩擦系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。對(duì)壓降Δp線性回歸后有:
此時(shí),檢驗(yàn)值F=23.136,臨界值F(3,8)=7.59,即有F>F(3,8),表明方程顯著。 從式(5)可以看出:當(dāng)凸臺(tái)高度H和凸臺(tái)間距P恒定時(shí),Δp隨凸臺(tái)傾角β的增大而減??;H和β恒定時(shí),Δp隨P的增大而減??;P和β恒定時(shí),Δp隨H的增大而增大。
對(duì)阻力因子f線性回歸后得到:
f=0.00813-0.00006β-0.00033P+0.00041H (6)
此時(shí),檢驗(yàn)值F=17.097,臨界值F(3,8)=7.59,即有F>F(3,8),表明該方程顯著。 從式(6)可以看出:當(dāng)凸臺(tái)高度H和凸臺(tái)間距P恒定時(shí),阻力因子f隨凸臺(tái)傾角β的增大而減?。籋和β恒定時(shí),f隨P的增大而減小;P和β恒定時(shí),f隨H的增大而增大。
在實(shí)際問題中, 有許多因素會(huì)影響變量,并且這些因素之間可能有共線性情況。 為讓回歸模型更準(zhǔn)確,逐步回歸分析方法是篩選變量的理想且最受歡迎的方法。
利用表5中的數(shù)據(jù),擬合凸臺(tái)傾角、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度與強(qiáng)化傳熱因子間的關(guān)聯(lián)式。 假設(shè)強(qiáng)化傳熱因子η為Y,凸臺(tái)傾角、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度分別是X1、X2、X3, 假設(shè)他們之間滿足二次多項(xiàng)式關(guān)系,則有:
圖8 逐步回歸計(jì)算結(jié)果
綜上所述,式(8)就是凸臺(tái)傾角、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度與強(qiáng)化傳熱因子的回歸關(guān)系式,由該關(guān)系式可知,凸臺(tái)傾角、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度越大,綜合性能越好。
通過圓弧形凸臺(tái)板式換熱器的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,其最大相對(duì)誤差5.32%,驗(yàn)證了筆者所提數(shù)值模擬方法的可靠性。 采用強(qiáng)化傳熱系數(shù)法綜合評(píng)價(jià)了凸臺(tái)傾角、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度對(duì)傳熱和阻力性能的影響規(guī)律,并設(shè)計(jì)了均勻試驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,主要結(jié)論為:
a. 對(duì)傳熱和阻力性能綜合評(píng)價(jià)可知,當(dāng)凸臺(tái)傾角、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度中的任意一個(gè)參數(shù)越大時(shí),該凸臺(tái)板片的綜合性能越好。
b. 設(shè)計(jì)了3因素6水平均勻試驗(yàn)方案,采用了逐步線性回歸分析的方法, 推導(dǎo)了傳熱系數(shù)、阻力因子、壓降及努塞爾數(shù)與凸臺(tái)板片結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)式,同時(shí)驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性,為以后設(shè)計(jì)板式換熱器提供了參考。