韓剛，趙倫武，龔燈，周同旭

1. 皖西學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 六安 237012；2. 皖西學(xué)院糧食烘干關(guān)鍵技術(shù)與智能裝備工程技術(shù)中心，安徽 六安 237012；3. 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；4. 安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237011

2021 年，我國(guó)在《糧食節(jié)約行動(dòng)方案》中明確提出加大補(bǔ)貼糧食烘干成套設(shè)施裝備，推進(jìn)儲(chǔ)運(yùn)減損關(guān)鍵技術(shù)提質(zhì)升級(jí)，加快試驗(yàn)驗(yàn)證。糧食烘干機(jī)作為糧食流通和存儲(chǔ)領(lǐng)域重要的專用機(jī)械化設(shè)備，在去除糧食中水分、減輕糧食的毛重、降低蟲害、減少儲(chǔ)存期間的損失方面發(fā)揮了重要作用［1］。常見的熱風(fēng)式糧食烘干機(jī)，其熱場(chǎng)分布可保證糧食烘干之后的生物活性和營(yíng)養(yǎng)率，一般烘干溫度較低（低于60 ℃），需要采用多次循環(huán)反復(fù)烘干。其熱風(fēng)來源于生物質(zhì)燃料的燃燒過程，為了避免煙氣中由燃燒產(chǎn)生的有害物對(duì)糧食的污染，需要采用換熱器將潔凈的常溫空氣加熱成熱風(fēng)送入烘干段。所以提高糧食烘干機(jī)換熱器的換熱效果是提升烘干效率和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。目前市場(chǎng)上主流的糧食烘干機(jī)廣泛采用管殼式換熱器作為生物質(zhì)燃料爐的換熱設(shè)備，管殼式換熱器是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的換熱器，常用于各類化工過程，具有換熱面積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便的特點(diǎn)，適合于糧食烘干過程中的煙氣-空氣熱交換過程。換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸一般依據(jù)《熱交換器》（GB/T 151—2014）進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括承壓殼體、換熱管、管板、折流板等。換熱器中的折流板能夠產(chǎn)生橫向流動(dòng)，增大熱交換面積，提高換熱管的剛度，抑制管道的流致噪聲［2］。

目前各類換熱器的設(shè)計(jì)主要依靠工程經(jīng)驗(yàn)公式或類比的方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也逐步采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)換熱器的流場(chǎng)和熱場(chǎng)進(jìn)行分析，如李玉宏等對(duì)生物質(zhì)熱風(fēng)爐蛇形管道換熱器的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了管程、殼程的流速、壓降和溫度的分布信息［3］。郭凱生等分析了換熱器內(nèi)管內(nèi)流量、進(jìn)口溫度等因素對(duì)換熱效果的影響，得到了測(cè)試工況下的最佳流量［4］。Qian et al. 研究了生物質(zhì)混合煙氣在管殼式換熱器中的傳熱系數(shù)、煙氣比熱容隨溫度升高的變化關(guān)系，建立了預(yù)測(cè)誤差較低的傳熱模型，提出了一套換熱器性能的評(píng)價(jià)模型［5］。也有研究專門分析換熱器中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（如折流板、管孔直徑等）對(duì)傳熱性能的影響。El-Said et al. 分別研究了三種不同形式的彎曲折流板對(duì)換熱器熱工水力性能的影響，研究表明，具有凸型外圍和凹芯結(jié)構(gòu)的折流板具有顯著增強(qiáng)的換熱性能［6］。Slimene et al.通過建立有限元模型，分析換熱器流體的雷諾數(shù)等參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響［7］。李琪飛等分析了生物質(zhì)燃料爐內(nèi)部的熱場(chǎng)分布［8］。然而由于糧食烘干過程中需要對(duì)出口溫度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，以避免谷物中營(yíng)養(yǎng)成分和生物活性的大量損失，有必要對(duì)換熱器進(jìn)行數(shù)值建模與仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其傳熱效率，準(zhǔn)確控制出風(fēng)溫度。我們利用多物理場(chǎng)分析軟件COMSOL Multiphysics 5.6 分析換熱器中煙氣和空氣的湍流流動(dòng)和傳熱的耦合過程，研究不同入口速度和溫差條件下，出口風(fēng)速的流場(chǎng)特征和溫度場(chǎng)分布，為糧食烘干機(jī)熱源的自動(dòng)控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 糧食烘干機(jī)熱源換熱器結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象是某公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的某型號(hào)生物質(zhì)顆粒爐的管殼式換熱器，其主要幾何尺寸和特征如表1 所示。換熱器有高溫?zé)煔馊肟?、低溫?zé)煔獬隹凇⒌蜏乜諝馊肟诤透邷乜諝獬隹诠菜膫€(gè)流道進(jìn)出口。煙氣流過換熱器中的管程（管道側(cè)），空氣流過管道周圍的殼程（殼側(cè)）。兩種氣體分別在兩個(gè)空間域流動(dòng)，通過壁面熱傳導(dǎo)和流體對(duì)流進(jìn)行換熱。真實(shí)的換熱器還具有清灰口、蓋板、鎖扣等，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，數(shù)字模型可以對(duì)真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)精簡(jiǎn)，忽略了換熱器中一些不影響流動(dòng)特性的次要結(jié)構(gòu)，得到管殼式換熱器的三維簡(jiǎn)化模型，如圖1 所示。

圖1 管殼式換熱器的三維簡(jiǎn)化模型

表1 換熱器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 換熱器傳熱耦合模型

為了仿真煙氣的流動(dòng)，采用非等溫流動(dòng)多物理場(chǎng)接口中低雷諾平均數(shù)k-ε湍流模型進(jìn)行建模，其中湍流流動(dòng)的動(dòng)量方程為：

式中：ρ、u 和p分別為煙氣密度、速度和壓力，I 為單位矩陣，F(xiàn) 為外力源項(xiàng)，K 為渦旋黏性系數(shù)，滿足Boussinesq 假設(shè)。

流動(dòng)過程中的質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）為：

在k-ε模型中，k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率，分別用以下公式計(jì)算：

式中：μ和μT分別為動(dòng)力黏度和湍流黏度，σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)，μT通過下式計(jì)算：

其中，Cε1=1.44，Cε2=1.92，Cμ=0.09，σk=1，σε=1.3。

對(duì)煙氣和空氣的傳熱過程，其控制方程為傳熱學(xué)能量守恒方程：

式中：T 為煙氣溫度，q 為熱流，Q為除耗散外的其他熱源，Qp為壓力變化所做的功，Qvd為黏性耗散。

傅里葉傳熱方程：

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)。

換熱器的外殼為熱絕緣壁面，內(nèi)壁為內(nèi)部薄層傳熱邊界，其物理特性假設(shè)與溫度無(wú)關(guān)。換熱器中煙氣和空氣的傳熱物性如表2 所示［4，9］。

表2 煙氣和空氣的傳熱物性

3 結(jié)果與討論

3.1 換熱器典型仿真結(jié)果分析

圖2是典型進(jìn)出口風(fēng)速條件下（uin_tube=5 m/s，uout_shell=9 m/s），換熱器整體溫度場(chǎng)分布和冷流體的流管分布。經(jīng)過仿真計(jì)算得到：煙氣通道排出氣體的溫度為133 ℃，空氣加熱后的出口溫度為40 ℃左右。由圖2a 可以看出，換熱管中煙氣的溫度逐漸降低，殼程中空氣的溫度逐漸升高，表明換熱效果明顯。由圖2b 可知，由于折流板的阻擋，煙氣在換熱器中呈S 形流動(dòng)，沒有明顯的流動(dòng)死區(qū)和回流區(qū)，煙氣在管道中的流動(dòng)分布均勻，有利于傳熱，也有利于降低泵的功耗。

圖2 典型工況下仿真結(jié)果（u in_tube=5 m/s ，u out_shell=9 m/s ）

3.2 不同入口流速對(duì)換熱效果的影響

為進(jìn)一步分析煙氣和空氣入口流速對(duì)換熱效果的影響，我們對(duì)不同入口流速下的過熱過程進(jìn)行計(jì)算模擬。圖3 是煙氣（熱風(fēng)流體）出口平均溫度Tout_tube隨煙氣的不同入口流速uin_tube和空氣入口流速uin_shell變化的關(guān)系。當(dāng)煙氣的入口流速uin_tube固定時(shí)，煙氣出口平均溫度隨空氣入口流速的增加而降低，說明隨著入口流量的增加，大量低溫冷風(fēng)進(jìn)入換熱器，帶走了煙氣的熱量，提升了換熱效率。

圖3 煙氣的出口平均溫度隨入口流速的變化

當(dāng)空氣的入口流速固定，煙氣的出口平均溫度隨其入口流速的增大而升高，這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)進(jìn)入換熱器的能量增大，而換熱器傳熱速率的提升并不明顯，導(dǎo)致煙氣中的熱量并沒有被完全利用，而是被排出了換熱器。這說明僅提升煙氣的入口速度可能會(huì)造成能量的浪費(fèi)。

圖4 是空氣（冷風(fēng)流體）出口處平均溫度隨入口流速變化關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)煙氣入口流速uin_tube恒定時(shí)，隨著空氣入口流速的增加，空氣出口平均溫度不斷下降。這是因?yàn)槔滹L(fēng)流速的增加會(huì)縮短換熱器中熱量傳遞的時(shí)間，使其換熱效率下降。

圖4 空氣的出口平均溫度隨入口流速的變化

而當(dāng)空氣入口流速uin_shell恒定時(shí)，其出口處的平均溫度隨煙氣流速的增大而升高。這是因?yàn)殡S著煙氣流速的增加，單位時(shí)間內(nèi)輸入的熱量有所增加，能夠顯著提升換熱效率。

根據(jù)以上分析，可以看出，改變空氣和煙氣的入口流量對(duì)換熱器的換熱效率有不同的影響。為研究入口參數(shù)對(duì)換熱性能的影響，定義傳熱系數(shù)如下：

式中：P是總交換功率，A是換熱表面積，Thot和Tcold分別是煙氣和空氣的入口平均溫度。

圖5 是傳熱系數(shù)隨空氣和煙氣入口流速的變化。從圖中可以看出，隨著空氣流速的增加，傳熱系數(shù)總體呈增加趨勢(shì)，隨著煙氣流速的增加，傳熱系數(shù)也呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)；這說明隨著煙氣和空氣入口流速的增加，換熱器總體的傳熱效率都會(huì)有所提升，但是一味提高換熱器殼程和管程內(nèi)流體的流速，會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力的增加。

圖5 傳熱系數(shù)隨空氣和煙氣入口流速的變化

3.3 糧食烘干中不同熱風(fēng)流速的預(yù)測(cè)方程

在糧食烘干過程中，不同類型的谷物所需求的烘干溫度各不相同，需要建立空氣出口溫度隨入口流速參數(shù)變化的預(yù)測(cè)方程。因?yàn)閭鳠徇^程往往是非線性的，所以建立空氣出口平均溫度隨入口流速的冪指數(shù)關(guān)系：

轉(zhuǎn)化為多元線性回歸方程為：

得出回歸系數(shù)如表3 所示。

表3 多元線性回歸參數(shù)值

相關(guān)系數(shù)R2=0.994 7，說明該冪指數(shù)模型回歸精度很高。根據(jù)以上參數(shù)，得到空氣出口溫度的回歸方程為：

回歸方程表明：煙氣入口流速uin_tube對(duì)出口溫度存在正向影響，而空氣入口流速uin_shell存在負(fù)向影響，并且空氣入口流速的影響大于煙氣入口流速的影響。該回歸模型可以用來預(yù)測(cè)烘干機(jī)換熱器的輸出溫度和指導(dǎo)換熱器的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

為提高糧食烘干機(jī)熱源的能量利用率，仿真分析生物質(zhì)燃燒爐換熱器的傳熱過程，建立了基于薄層傳熱規(guī)律的有限元分析模型，研究了換熱器管程和殼程出口溫度隨入口流速的變化規(guī)律，得出結(jié)論如下。

（1）糧食烘干機(jī)中的管殼式換熱器中，煙氣通過管程進(jìn)入換熱器，由于折流板的阻擋作用，煙氣在管程內(nèi)呈現(xiàn)S 形流動(dòng)，流速和溫度變化均勻，有利于傳熱，也有利于降低泵的功耗和清灰處理。

（2）煙氣的出口溫度隨著煙氣的入口流速增大而升高，隨空氣入口流速的增大而降低；空氣的出口溫度隨著空氣入口流速的增大而降低，隨煙氣入口流速的增大而升高。綜合來看，傳熱系數(shù)隨著煙氣和空氣入口流速的增大而增大。

（3）為適應(yīng)不同種類谷物的烘干需求，建立了換熱器殼程空氣出口平均溫度隨入口參數(shù)變化的冪指數(shù)回歸方程，該回歸方程具有較高的精度，可以用于預(yù)測(cè)烘干機(jī)換熱器的輸出溫度或指導(dǎo)換熱器的設(shè)計(jì)，具有一定的工程價(jià)值。