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        一種凸臺板式換熱器傳熱與流阻性能的研究

        2022-09-02 09:20:40張森源董金善周瑞均劉林波
        化工機械 2022年4期
        關鍵詞:臺板板片雷諾數

        張森源 董金善 周瑞均 劉林波 朱 雨

        (南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

        目前,發(fā)電廠和石化行業(yè)中會產生大量的中低溫煙氣,中低溫煙氣熱能等級低、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,不利于將中低溫煙氣進行回收和可持續(xù)利用[1~3]。換熱器是煙氣余熱回收系統(tǒng)中的關鍵設備,煙氣中的碳煙顆粒會沉積在換熱器表面,形成的沉積層具有很低的導熱系數,這將導致?lián)Q熱器的傳熱性能大幅降低[4~6]。凸臺板式換熱器不僅具有傳統(tǒng)板式換熱器質量輕、傳熱效率高和結構緊湊的特點,其獨特的結構還能增加有效換熱面積, 增強湍流程度,同時還可以使流道內產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備,國內外學者對其進行了廣泛研究。 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努塞爾數和阻力系數起決定性作用。 藍少健等模擬了換熱器波紋板內外流體的流動情況[9],證實凹凸波紋結構能夠強化煙氣側的傳熱,且凸波紋的性能更優(yōu)。 吳丹對板式換熱器的換熱和流阻性能進行數值計算[10],分析了換熱和阻力特性隨結構變化的規(guī)律。 試驗方面,F(xiàn)OCKE W W等對人字形流道進行試驗[11],建立板式換熱器波紋角對傳熱與阻力性能的關系式。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]。

        筆者首先對圓弧形凸臺板片進行數值模擬,并將出口煙氣溫度模擬結果與文獻[13]中的試驗數據進行比對分析, 以驗證數值模擬的準確性。 通過構建不同的凸臺板片模型,分析了各結構下不同雷諾數Re的仿真結果。 對多參數板片設計均勻試驗,通過對各參數的優(yōu)化擬合出回歸方程,研究結構參數[14]對凸臺板片傳熱性能的影響。

        1 仿真計算的可靠性驗證

        1.1 三維模型

        該板式換熱器由多組對稱分布換熱單元中心旋轉疊加在一起,故選取一個單元進行模擬分析。 分析凸臺板片結構參數后,對其換熱性能影響較大的主要因素有凸臺傾角β、凸臺間距P和凸臺高度H。 因此,分別以這3個參數建立仿真所需的幾何模型,分析傳熱和阻力性能的影響,板片結構及尺寸參數如圖1所示, 煙氣側計算模型如圖2所示。

        圖1 板片結構及尺寸參數示意圖

        圖2 板片煙氣側計算模型

        1.2 網格劃分

        使用FLUENT Meshing軟件對筆者所研究的凸臺板片模型進行多面體網格劃分。 使用棱柱層網格對兩側參與傳熱的凸臺板壁面進行加密處理,并降低最大偏斜度至0.65左右。經過網格獨立性檢驗, 所選取的流體網格單元數為1 378 504,網格節(jié)點數為6 897 927。 固體域網格劃分如圖3所示。

        圖3 固體域網格劃分及局部放大圖

        1.3 有效性驗證

        筆者將文中的仿真結果與文獻[13]中的試驗數據進行比較分析,以驗證文中數值模擬的準確性。 文獻[13]中的試驗布置如圖4所示,試驗板片與文中熱交換器板片模型相似,對比數據見表1。

        圖4 文獻[13]試驗布置示意圖

        表1 試驗板片與數值模擬板片對比

        試驗時, 采用鎳鉻-鎳硅熱電偶對煙氣進出口溫度、空氣進出口溫度進行測量,采用畢托管對壓力和流量進行測量。

        為了保證驗證[15]的準確性,數值模擬條件與試驗工況應相同。 采用速度進口邊界條件,煙氣入口溫度設定與文獻[13]試驗工況相同;采用壓力出口邊界條件,壓力值設為一個大氣壓;流道兩側設為恒溫壁面,垂直空氣流動方向的上下壁面設為絕熱面。 試驗數據與模擬計算結果的對比見表2。

        表2 試驗數據與計算結果的對比

        由表2可知, 煙氣出口溫度的模擬結果與試驗結果相對誤差較小, 相對誤差平均值在6%以內, 表明煙氣側模擬結果與試驗結果較符合,說明筆者采取的數值模擬方法比較符合實際。

        2 結構參數的綜合評價

        板片結構參數見表3。

        表3 板片結構參數

        2.1 強化傳熱系數法

        研究者根據熱交換性能與功耗和速度的立方成正比, 推導出等泵功下的評價方法, 即以(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3是否大于1為評價準則, 其值大于1 表示在同一泵功下強化表面?zhèn)鳠嵝阅芨茫?6]。 該準則即強化傳熱系數法,公式如下:

        2.2 強化傳熱系數法對綜合性能的評價

        以凸臺傾角β=60°、凸臺間距P=15 mm、凸臺高度H=5 mm的凸臺板作為比照板片。 當η大于1時,說明被比照的凸臺板片綜合性能更優(yōu);當η小于1時,則說明被比照的凸臺板片綜合性能較差。

        2.2.1 對凸臺傾角的綜合評價

        通過增加流速來增大雷諾數,得到不同凸臺傾角下強化傳熱因子隨雷諾數的變化規(guī)律如圖5所示。 從圖中可以看出:凸臺傾角大于60°時,η均大于1,且凸臺傾角越大,強化傳熱因子越大,凸臺傾角70°時有最高的傳熱性能,η最大為1.113 6,最小1.089 3,即表示凸臺傾角越大,凸臺板片綜合性能越優(yōu)。 還可看出:強化傳熱因子隨雷諾數變大而變大,則隨流速的增加板片的綜合性能更優(yōu)。 所以,當凸臺傾角較大時,要使傳熱更好應增大流速。

        圖5 不同凸臺傾角下強化傳熱因子隨雷諾數的變化

        2.2.2 對凸臺間距的綜合評價

        通過增加流速來增大雷諾數,得到不同凸臺間距下強化傳熱因子隨雷諾數的變化規(guī)律如圖6所示。 從圖中可以看出: 凸臺間距小于15.0 mm時,η小于1,而大于15.0 mm時,η會大于1,且凸臺間距越大,綜合性能越好。 凸臺間距17.0 mm時有最大的強化傳熱因子,η最大為1.127 6, 最小1.083 7。當凸臺間距大于15.0 mm時,隨著雷諾數的增大,η逐漸變小,而此時流速也是增大的。 所以,在凸臺間距較大的情況下, 為了提高綜合換熱性能,應降低流速。

        圖6 不同凸臺間距下強化傳熱因子隨雷諾數的變化

        2.2.3 對凸臺高度的綜合評價

        通過增加流速來增大雷諾數, 得到不同凸臺高度下強化傳熱因子隨雷諾數的變化規(guī)律如圖7所示。從圖中可以看出:凸臺高度大于5.0 mm時,η大于1,即板片的綜合性能更好,而當凸臺高度小于5.0 mm時,η小于1,板片性能降低。 這說明凸臺高度越大,對于提高板片的綜合性能越有利。還可看出:當凸臺高度為6.5 mm時,隨著雷諾數的增大,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。 所以當凸臺高度更大時,為了提高傳熱效果,應降低流速。

        圖7 不同凸臺高度下強化傳熱因子隨雷諾數的變化

        上述所得結論均有一定條件,即:保持凸臺高度和凸臺間距不變,凸臺傾角越大強化傳熱綜合性能越好;保持凸臺傾角和高度不變,凸臺間距越大強化傳熱綜合性能越好;保持凸臺傾角和間距不變, 凸臺高度越大強化傳熱綜合性能越好。 因此,為了能夠得到最優(yōu)的結果,還需對不同參數組合進一步分析。

        3 結構參數的優(yōu)化

        3.1 均勻試驗設計

        均勻試驗設計[17]適用于多因素多水平測試,它可以安排較少測試次數的多因素多水平試驗。本次采用3因素6水平試驗,若全面試驗需216次,但均勻試驗設計只需要6次。 考慮到本試驗范圍略大,僅做6次可靠性不足[18],故使用U13(134)均勻設計表, 去掉最后一行, 設計3因子12水平方案,試驗表見表4。

        表4 均勻設計試驗表

        3.2 傳熱性能的回歸分析

        數值模擬與分析后可得所需要的計算結果(表5)。

        利用表5中的數據,擬合凸臺傾角、凸臺間距和凸臺高度與努塞爾數和強化傳熱因子的關聯(lián)式。

        表5 數值模擬計算結果

        本節(jié)采用一元線性回歸分析說明其關系, 假設Nu為Y,凸臺傾角、凸臺間距和凸臺高度分別是X1、X2、X3,并認為因子間均線性相關,則有如下表達式[19]:

        Y=C0+C1X1+C2X2+C3X3(2)

        借助MATLAB軟件分析處理時,設顯著水平α為0.05,得到線性回歸方程:

        Nu=21.0800-0.1761β-2.0885P+15.3195H (3)

        此時,檢驗值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:當凸臺高度H和凸臺間距P恒定時,Nu隨凸臺傾角β的增大而減??;當P和β恒定時,Nu隨H的增大而增大; 當H和β恒定時,Nu隨P的增大而減小。

        對強化傳熱因子η線性回歸后的方程如下:

        η=0.01439-0.00002β-0.00049P+0.00108H (4)

        此時,檢驗值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:當凸臺高度H和凸臺間距P恒定時,η隨凸臺傾角β的增大而減??; 當P和β恒定時,η隨H的增大而增大;當H和β恒定時,η隨P的增大而減小。

        3.3 阻力性能的回歸分析

        根據表5,擬合凸臺傾角、凸臺間距和凸臺高度與壓降和摩擦系數的關聯(lián)式。對壓降Δp線性回歸后有:

        此時,檢驗值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:當凸臺高度H和凸臺間距P恒定時,Δp隨凸臺傾角β的增大而減?。籋和β恒定時,Δp隨P的增大而減小;P和β恒定時,Δp隨H的增大而增大。

        對阻力因子f線性回歸后得到:

        f=0.00813-0.00006β-0.00033P+0.00041H (6)

        此時,檢驗值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:當凸臺高度H和凸臺間距P恒定時,阻力因子f隨凸臺傾角β的增大而減小;H和β恒定時,f隨P的增大而減?。籔和β恒定時,f隨H的增大而增大。

        3.4 結構參數的綜合優(yōu)化

        在實際問題中, 有許多因素會影響變量,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中的數據,擬合凸臺傾角、凸臺間距和凸臺高度與強化傳熱因子間的關聯(lián)式。 假設強化傳熱因子η為Y,凸臺傾角、凸臺間距和凸臺高度分別是X1、X2、X3, 假設他們之間滿足二次多項式關系,則有:

        圖8 逐步回歸計算結果

        綜上所述,式(8)就是凸臺傾角、凸臺間距和凸臺高度與強化傳熱因子的回歸關系式,由該關系式可知,凸臺傾角、凸臺間距和凸臺高度越大,綜合性能越好。

        4 結論

        通過圓弧形凸臺板式換熱器的模擬結果與試驗結果對比分析,其最大相對誤差5.32%,驗證了筆者所提數值模擬方法的可靠性。 采用強化傳熱系數法綜合評價了凸臺傾角、凸臺間距和凸臺高度對傳熱和阻力性能的影響規(guī)律,并設計了均勻試驗對結果進行回歸分析,主要結論為:

        a. 對傳熱和阻力性能綜合評價可知,當凸臺傾角、凸臺間距和凸臺高度中的任意一個參數越大時,該凸臺板片的綜合性能越好。

        b. 設計了3因素6水平均勻試驗方案,采用了逐步線性回歸分析的方法, 推導了傳熱系數、阻力因子、壓降及努塞爾數與凸臺板片結構參數間的關聯(lián)式,同時驗證了仿真分析的準確性,為以后設計板式換熱器提供了參考。

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