張 宇 ，劉文仲 ，劉小芳

(安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243002)

工業(yè)鍋爐尾部排煙溫度一般較高(大于150 ℃)，含大量可供回收的熱量，且因燃燒天然氣產(chǎn)生的水蒸氣會攜帶大量潛熱。將鍋爐尾部煙氣降至露點溫度以下水蒸氣冷凝，除可吸收部分有害產(chǎn)物外，還可大幅回收排煙中的顯熱和潛熱，既可降低污染物排放量，又可顯著提高鍋爐熱效率[1-2]。“十四五”是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的關(guān)鍵時期，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系是實現(xiàn)能源高質(zhì)量發(fā)展的必然要求[3]。因此，發(fā)展綠色高效鍋爐機組，開展工業(yè)鍋爐尾部煙氣的余熱回收研究對燃?xì)忮仩t的節(jié)能減排及能量高效利用具有重要意義。

通常在工業(yè)鍋爐系統(tǒng)中通過加裝余熱回收裝置如熱泵、換熱器回收鍋爐尾部煙氣中的熱量[4]?；厮疁囟鹊蜁r，相比于熱泵，利用換熱器回收煙氣余熱效果更好[5]。翅片管換熱器作為一種低阻高效的節(jié)能設(shè)備，安裝簡易、運行穩(wěn)定，常被用作鍋爐排煙的余熱回收[6]。翅片具有多種樣式，不同樣式的翅片應(yīng)用場景不同[7--8]。在鍋爐行業(yè)多為管翅式和板翅式，前者多為螺旋翅片管，流動阻力小于后者且工廠制造方法成熟(基管與翅片通過高頻焊連接)，被普遍采用。翅片管強化換熱機理主要為增加換熱面積、提高換熱系數(shù)和增大溫差[9]。影響翅片管換熱器傳熱的因素有多種，如翅片形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)等，現(xiàn)有學(xué)者對此進行了大量研究，如朱珊云等[10]針對小管徑開縫翅片管，模擬研究翅片間距和相對翅片高度對換熱器空氣側(cè)流動傳熱的影響，結(jié)果表明，開縫高度和翅片間距之比為0.4 時換熱器綜合換熱性能最佳；Keawkamrop 等[11]針對鋸齒型螺旋翅片管，研究翅片高度、厚度和間距對換熱器流動阻力的影響，結(jié)果表明鋸齒間距對換熱器流動阻力影響最大。也有學(xué)者研究翅片管束對換熱器換熱性能的影響，如衣志超等[12]模擬研究開縫翅片管束的橫縱向間距對流動換熱的影響，結(jié)果表明管縱向間距對換熱性能影響較大；趙蘭萍等[13]模擬研究矩形翅片橢圓管束管排和翅片間距對管束間流動換熱的影響，結(jié)果表明翅片間距小于2.5 mm 時空氣側(cè)阻力對風(fēng)速的敏感性顯著增加。上述學(xué)者主要對翅片管進行開縫處理，其中翅片間距和管間距對換熱影響最大，但其余結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱的影響并不一致。

部分學(xué)者研究改變翅片異型化方向?qū)Q熱器性能的影響，如宋建等[14]模擬研究波紋翅片管波紋高度和橫縱向間距對換熱性能的影響，結(jié)果表明波紋高度和橫向間距是翅片管換熱性能的主要影響因素；劉逸等[15]模擬研究前開孔后開縫式翅片管的翅片厚度和開縫數(shù)對流動換熱的影響，結(jié)果表明各因素耦合復(fù)雜，當(dāng)風(fēng)速為3 m/s、開縫數(shù)為6、翅片厚為0.16 mm 時換熱器的綜合換熱性能最佳；Modi 等[16]對比研究平面和圓孔矩形翼翅片的換熱性能，結(jié)果表明改進的圓孔矩形翼翅片工況溫度越高換熱效果提升越好；Kiatpachai 等[17]改進一種百葉窗式螺旋翅片管換熱器，發(fā)現(xiàn)在阻力性能變化不大的條件下其熱力性能較之前提升10.4%～13.1%；Zhang 等[18]引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法研究管翅式換熱器的基管外形對流動換熱的影響，優(yōu)化后橢圓率為0.34 的翅片管在Re為541 時，壓降降低21%而換熱系數(shù)不變。以上研究結(jié)論多為特定條件下的翅片最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用范圍??；且因翅片異化方向不同難以得到翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)影響換熱效果的一般規(guī)律，未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)為生產(chǎn)制造提供相關(guān)參考。故本文以異型翅片的原型為研究對象，以工業(yè)設(shè)計參數(shù)為基準(zhǔn)，參考鍋爐系統(tǒng)中節(jié)能器運行工況，利用Fluent 軟件研究高溫工況下不同流速時翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器特性的影響，旨在探尋螺旋翅片管性能變化的一般規(guī)律，為工業(yè)制造優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)尺寸提供參考依據(jù)。

1 Fluent 模擬仿真

1.1 物理模型

翅片管換熱器的物理模型如圖1，翅片管為蛇形管結(jié)構(gòu)，基管尺寸為Φ25 mm×3 mm，管上翅片高度為10 mm、厚度為1.2 mm、間距為5 mm，相鄰翅片管縱向間距為25 mm、橫向間距為70 mm，以該參數(shù)建立基準(zhǔn)模型?？紤]到管內(nèi)水流動情況復(fù)雜，且對整體模型意義不大，故僅模擬煙氣側(cè)的流動換熱情況，保留相鄰翅片管間的煙氣流域，并延長煙氣進出口端以防發(fā)生回流現(xiàn)象，計算域的物理模型見圖2。

圖1 翅片管換熱器物理模型Fig.1 Physical model of finned tube exchanger

圖2 計算域物理模型Fig.2 Physical model of computational domain

1.2 網(wǎng)格劃分

煙氣流經(jīng)翅片過程中的換熱屬于流固耦合換熱，在Fluent Meshing 中采取整體網(wǎng)格劃分方法對計算域的物理模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)最小面網(wǎng)格尺寸為7×10-5m、最大面網(wǎng)格尺寸為6×10-3m，在近壁處設(shè)置4 層膨脹層進行網(wǎng)格加密，最后調(diào)整相關(guān)設(shè)置參數(shù)，由面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格，最終網(wǎng)格的最大扭曲度僅0.46，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算需求。努塞爾數(shù)(Nu)可反映對流換熱的強弱，為流體跨越邊界時對流換熱量與傳導(dǎo)熱量的比值，即Nu=hcL/λ，hc為對流換熱系數(shù)，L為特征長度， λ為煙氣導(dǎo)熱系數(shù)。文中選取Nu作為衡量網(wǎng)格無關(guān)性的驗證指標(biāo)，本計算域物理模型劃分網(wǎng)絡(luò)數(shù)對應(yīng)Nu的結(jié)果見表1。由表1 可知：網(wǎng)格數(shù)達897 314 后，再增加網(wǎng)格數(shù)至1 813 024時，Nu變化很小，說明網(wǎng)格數(shù)為897 314 時可獲得與網(wǎng)格無關(guān)的解。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果Tab.1 Grid independence verification results

1.3 求解計算

為簡化計算，對計算域的物理模型作以下假設(shè)：整個流動過程屬于穩(wěn)態(tài)傳熱過程；流體為熱煙氣，視為不可壓縮流體，基于壓力基求解；煙氣密度小，不考慮煙氣的重力作用；將翅片管的基管和翅片看作整體，材料為碳鋼；視基管管壁為無滑移壁面；輻射換熱量遠(yuǎn)小于熱對流交換的熱量，忽略輻射換熱的影響。材料物性參數(shù)見表2。

表2 材料物性參數(shù)Tab.2 Physical property parameters of materials

雷諾數(shù)(Re)是判斷流體運動狀態(tài)的物理量，煙氣側(cè)的Re為11 596.87，遠(yuǎn)大于臨界Re，煙氣流動狀態(tài)為湍流。由此選取K-Epsilon 湍流計算模型，近壁面處為Enhanced Wall Treatment 模型，同時在Fluent中開啟能量方程。設(shè)置流體域入口煙氣流速為10 m/s、溫度為400 K，出口條件為自由出口(Outflow)，翅片管外壁與流體接觸的換熱壁面屬于Internal，基管內(nèi)壁的邊界條件為310 K 恒溫壁面，計算域的上下左右對稱面均屬于對稱邊界。計算域內(nèi)壓力與速度的耦合方法采用Coupled 算法，其余各項選擇二階迎風(fēng)格式；松弛因子保持默認(rèn)設(shè)置，能量方程的殘差為10-6、其余殘差為10-3，適當(dāng)增大固體計算域步長以加快計算。

1.4 模擬驗證

文中模擬的翅片管為順列排布，為驗證本文建立模型求解的準(zhǔn)確性，取本文模型中翅片管換熱器出口處兩排翅片管間中線上的溫度分布，與文獻[20]相應(yīng)處的實驗結(jié)果對比，結(jié)果如圖3。由圖3 可看出：實驗溫度分布呈波浪狀，兩處波谷距翅片管最近，熱量傳遞快，煙氣溫度低，波峰處距翅片管最遠(yuǎn)，熱量傳遞慢，煙氣溫度高，測點溫度集中在40～60 ℃；與實驗結(jié)果相同，模擬結(jié)果中也出現(xiàn)波谷，此處為兩排翅片中心處，整體溫度分布在左右兩側(cè)，且均有上升跡象但不明顯，這是由于管排間距過小，熱量傳遞更快所致；模擬結(jié)果和實驗結(jié)果出口處整體溫差均為20 ℃左右。由此表明本文模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖3 模擬與實驗結(jié)果對比Fig.3 Comparison of simulation and experimental results

2 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器特性的影響

以基準(zhǔn)模型中的翅片參數(shù)為基礎(chǔ)組，通過控制變量，利用Fluent 軟件采用本文提出的求解過程模擬分析煙氣流速在6，7，8，9，10 m/s 條件下翅片高度(8，9，10，11 mm)、翅片厚度(0.8，1.0，1.2，1.5 mm)、翅片間距(5，6，7，8 mm)對翅片管換熱器流動阻力、換熱效果及綜合性能的影響。

2.1 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器流動阻力的影響

流動阻力會導(dǎo)致煙氣流經(jīng)換熱器后壓力下降，阻力因子與煙氣壓降成正比關(guān)系，故用煙氣進出口壓降表征流動阻力的大小。不同煙氣流速下翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與換熱器進出口壓降關(guān)系的模擬結(jié)果如圖4。

圖4 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與進出口壓降間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between fin structure parameters and inlet/outlet pressure drop

由圖4 可看出：隨煙氣流速加快，進出口壓降均逐漸增大，這是因為煙氣流速越快，需克服的流動阻力越大，煙氣進出口壓降越大；同一煙氣流速下，翅片高度增加、厚度加厚和間距縮短均會使進出口壓降增大，在高流速下更明顯。這是因為在高流速下，翅片結(jié)構(gòu)的微小變化就能導(dǎo)致煙氣流動更困難，從而造成極大的流動阻力，直觀表現(xiàn)便是煙氣進出口壓降增大。圖4 中：煙氣流速為10 m/s 時，翅片高度每增加1 mm，進出口壓降依次增加37.57，47.33，55.58 Pa；翅片厚度分別為0.8，1.1，1.2，1.5 mm 時，壓降依次增加53.25，54.60，86.31 Pa；翅片間距每縮短1 mm，壓降依次增加30.04，46.09，69.62 Pa。這是由于翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變導(dǎo)致煙氣流通截面變小，流動更困難，在流動過程中將更多的壓力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽瑢?dǎo)致進出口壓降增大。

2.2 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器換熱效果的影響

相比于對流換熱系數(shù)，努塞爾數(shù)(Nu)更易反映流動換熱的本質(zhì)，不同煙氣流速下翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與Nu關(guān)系的模擬結(jié)果如圖5。

圖5 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與Nu 間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between different fin structure parameters and Nu

由圖5 可知：不同煙氣流速下，隨煙氣流速加快Nu均逐漸增大，這是因為流速增加會加劇擾動，強化換熱效果；與壓降的變化趨勢相同，在同一煙氣流速下，隨翅片高度增加、厚度加厚和間距縮短，Nu均增大，且煙氣流速越高Nu變化越大，表明煙氣對流換熱的強弱與流動阻力相關(guān)。煙氣流速為10 m/s時，翅片高度每增加1 mm，Nu依次增加6.07，6.16，7.62；翅片厚度分別為0.8，1.1，1.2，1.5 mm 時，Nu依次增加6.03，6.70，13.08；翅片間距每縮短1 mm，Nu依次增加1.71，3.98，4.09。這是由于翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)改變時煙氣流通截面積減小，通道結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，導(dǎo)致流動困難、流動擾動加劇，破環(huán)了邊界層，換熱效果增強。

2.3 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器綜合性能的影響

由上文分析知流動阻力與換熱效果變化趨勢相同，故引入性能因子對換熱器性能進行綜合評價。不同煙氣流速下翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能因子關(guān)系的模擬結(jié)果如圖6。

圖6 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能因子間的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between fin structure parameters and performance factors

由圖6 可知：煙氣流速對性能因子的影響很小，在翅片高度為10 mm、翅片厚度為1.2 mm、翅片間距為8 mm，煙氣流速由6 m/s 增加到7 m/s 時，性能因子增幅最大，僅0.33，表明煙氣流速對性能因子的影響不顯著。翅片高度增加導(dǎo)致性能因子減小，煙氣流速為10 m/s 時，翅片高度每增加1 mm，性能因子依次降低2.96，2.79，2.54，表明翅片高度對性能因子影響較大，根據(jù)圖中的變化曲線擬合出翅片高度h和性能因子q的函數(shù)關(guān)系式q=-2.77h+51.87；翅片厚度增加同樣導(dǎo)致性能因子減小，煙氣流速為10 m/s、翅片厚度分別為0.8，1.0，1.2，1.5 mm時，隨厚度增加性能因子依次降低2.11，1.78，2.26，翅片厚度t和性能因子q的函數(shù)關(guān)系式q=-8.79t+34.04；翅片間距增加導(dǎo)致流動阻力降低和換熱效果減弱，但性能因子代表的換熱效率在提高，當(dāng)煙氣速度為10 m/s、翅片間距每增加1 mm，性能因子依次增加6.19，6.04，5.66。與另2 個因素類似，根據(jù)圖6 中數(shù)據(jù)可擬合出翅片間距s和性能因子q的函數(shù)關(guān)系式q=5.94s-5.52。

比較圖6 中3 個擬合函數(shù)可知：翅片高度、厚度因素與性能因子正相關(guān)，間距因素與性能因子負(fù)相關(guān)，翅片厚度對性能因子的影響最大、翅片間距次之、翅片高度最小。綜上，在翅片高度低時，性能因子較大，但Nu較小，換熱效果較差，所以翅片高度不宜過低，基于材料成本，綜合考慮選取較低的翅片。同樣的，實際應(yīng)用中可選取厚度較薄(為保證長期穩(wěn)定使用也不宜過薄)、間距較為稀疏的翅片尺寸，在保證換熱效果前提下節(jié)省材料。

3 結(jié)論

采用Fluent 軟件建立翅片管換熱器計算域物理模型，選取煙氣進出口壓降(Δp)表征換熱器流動阻力的大小、努塞爾數(shù)(Nu)表征換熱器對流換熱的強弱，并引入性能因子(q)綜合評價換熱器的綜合性能，模擬分析不同煙氣流速下翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對Δp，Nu和q的影響，探討翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器換熱性能影響的一般規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1) 翅片高度增加、厚度加厚和間距縮短均會造成進出口壓降與Nu增加，即換熱效果加強，伴隨流動阻力增加。

2) 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能因子q的影響大小依次為翅片厚度、翅片間距、翅片高度，且3 種因素改變時性能因子的變化趨勢與進出口壓降、Nu變化趨勢相反。故實際確定翅片參數(shù)時，可適當(dāng)選取高度較低、厚度較薄、間距較為稀疏的翅片結(jié)構(gòu)尺寸，在保證換熱效果的同時盡可能提高綜合性能。

3) 隨著煙氣流速加快，流動阻力和換熱效果提升，性能因子也略有增長。實際工況中，煙氣流速加快使更多的煙氣參與換熱，換熱器的綜合性能得到提升，總換熱量也將增加。