（热能工程专业论文）入口速度分布对热管换热器性能影响的数值模拟与优化.pdf

摘要 本文以湖南省科技厅“中低温烟气余热利用关键技术研究”项目 为依托，以某公司径向热管换热器为研究对象，采用数值模拟的方法， 研究了入口烟气速度分布对烟气流动特性及径向热管换热器性能的 影响规律，并对生产现场运行的换热器入口烟气速度分布提出优化方 案。主要内容及结论如下： ( 1 ) 采用基于多孔介质模型的分布阻力方法及修正的k s 湍流 双方程模型对换热器入口烟道流场进行了模拟。结果显示：烟气流向 急剧变化及涡旋与二次流的存在是引起烟道压降较大、换热器壳程压 力场稳定性差的主要原因；换热器壳程静压沿烟气流向呈线性分布； 烟气入口速度越大，壳程压降增加的幅度也越大。数值模拟结果与经 验计算值的最大误差为8 6 7 。 ( 2 ) 采用等效导热系数法对换热器流场和温度场特性进行了研 究。结果表明：管束迎风侧比背风侧烟气速度大、温度高，换热能力 强；沿壳程流向，烟气速度、压力有分段特性；管束壳侧平均换热系 数为4 2 6 0w m 。k ，且沿烟气流向近似线性下降分布；换热器压 降为7 6 3 5 p a ，换热量为1 7 1 1 5 6 k w 。数值模拟结果与测试结果误差 在1 0 o 以内。 ( 3 ) 研究了烟气速度分布型式、入射角对换热器流场、温度场、 换热量、压降、a , & p 值等的影响规律，结果表明：不均匀流恶化了 换热器壳程流场、温度场分布，使换热器整体性能下降，且烟气不均 匀度越大，换热器整体性能恶化越严重。换热器管排数越多，不均匀 流对换热器性能影响的程度越弱。在较小的不均匀度范围内，烟气多 股扰流和适当的烟气入射角能提高换热器整体性能，但入射角大于一 定值后会造成换热器整体性能的急剧恶化；入口处烟气局部速度过小 会造成换热器管壁局部温度过低，对其抗低温露点腐蚀能力产生不利 影响。 ( 4 ) 对换热器入口烟道流场进行了模拟优化，结果表明：合适 的导流板位置结构能提高入口烟道及换热器流场、压力场均匀性，减 小烟气压力损失，提高换热器整体性能。并给出了优化条件下换热器 压降、换热量、a a p 值变化幅度分别为5 9 1 、4 0 4 、1 0 5 8 。 关键词：径向热管换热器，速度分布，换热器性能，数值模拟，优化 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o g r a m t h er e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g i e si nt h el o w t e m p e r a t u r ef l u e w a s t eh e a t r e c o v e r y s u p p o r t e db yt h et e c h n o l o g y g a l l e r yo fh u n a np r o v i n c e ，t h ei n f l u e n c e so ft h eu n i f o r m iyot h u n a np r o v i n c e o ft h eu n i f o r m i t yo ft h e ， e n t r a n c es m o k et ot h es m o k ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e i n t e g r i t y p e r f o r m a n c eo ft h eja c k e t e dh e a tp i pe x c h a n g e ro fab r a n c hc h i a n a l u m i n i u mh a v eb e e ns i m u l a t e da n d o p t i m i z a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e p r i n c i p a lc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) 1 1 1 ef l o wf i e l do ft h ei n l e tf l u ed u c to ft h eja c k e t e dh e a tp i p e e x c h a n g e rw a ss i m u l a t e do nt h eb a s i so fp o r o u sm e d i u m ，d i s t r i b u t e d r e s i s t r a n c ea n di m p r o v e dk st u r b u l e n c em o d e l i tw a sf o u n dt h a t r a p i dc h a n g eo ft h es m o k ef l o wd i r e c t i o n ，v o r t e xa n ds e c o n d a r yf l o wa r e t h em a i nr e a s o n sa r o u s el a r g e rp r e s s u r ed r o po ft h ei n l e tf l u ed u c ta n d b a d p r e s s u r ef i e l do ft h eh e a te x c h a n g e r t h ed i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s s u r eo f t h eh e a te x c h a n g e ri sn e a r l yl i n e a ra l o n gt h ed i r e c t i o no ft h eg a sf l o w , a n d t h ei n c r e a s i n ge x t e n ti n c r e a s e sw i t ht h eg a sf l o wv e l o c i t ya tt h ei n l e t 。t h e m a x i m u me r r o rb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i e n c ec a l c u l a t i o n si s 8 6 7 ( 2 ) 1 1 1 eh e a te x c h a n g e rm o d e lw a ss t r u c t e db a s e do nt h ee q u i v a l e n t t h e r m a l c o n d u c t i v i t y c o e 伍c i e n tm e t h o da n dt h ef l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r ef i e l dw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h es m o k eo n t h ew i n d w a r ds i d eo ft h e p i p eb u n d l eh a sh i g h e rv e l o c i t y ，t e m p e r a t u r ea n d h e a tt r a n s f e rc a p a c i t yt h a no nt h el e e w a r ds i d e t h ea v e r a g es u r f a c e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to nf l u es i d ei s4 2 6 0w 1 1 1 2 k 一1a n di td e c r e a s e s l i n e a r l ya l o n gt h ed i r e c t i o no ft h es m o k ef l o w n ep r e s s u r ed r o pa n dt h e h e a tt r a n s f e rr a t e s e p a r a t e l y i s7 6 3 5 p aa n d1711 14 k w ：1 1 1 ee r r o r b e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt e s tr e s u l t si sl o w e r10 o ( 3 ) t h ei n f l u e n c e so ft h eja c k e t e dh e a tp i p ee x c h a n g e ra b o u tf l o w f i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，h e a tt r a n s f e rr a t e ，p r e s s u r ed r o p ，c t a pu n d e r i v a r i o u sv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nt y p e sa n di n c i d e n ta n g l ew e r es t u d i e d s o m e c o n c l u s i o n sw a sf o u n d n o n u n i f o r mf l o ww i l ld e t e r i o r a t ef l o wf i e l da n d f i e l do fh e a te x c h a n g ，a n dd e c r e a s et h e integritytemperature h e a t e x c t m n g e r m t e g r l t y ， p e r f o r m a n c eo fh e a te x c h a n g e r , a n da n dt h em o r eu n e v e n n e s s ，t h em o r e d e t e r i o r a t i o n t h ei n f l u e n c eo fn o n u n i f o r mf l o wo n i n t e 西t y p e r f o r m a n c eo fh e a te x c h a n g e rd e c r e a s e sw i t ht h en u m b e ro f t u b er o w s i n c r e a s e s s m o k ef l o wh a v i n gm u l t i p l es t r a n df l o wo rs u i t a b l ea n g l eo f i n c i d e n c ew i l li m p r o v et h ei n t e g r i t yp e r f o r m a n c eo fh e a te x c h a n g e r , b u t t h ea n g l ei sl a r g e rt h a nan u m b e r , i tw i l ld e t e r i o r a t eb a d l y l o c a lv e l o c i t y o fi n l e ts m o k et o ol o ww i l ld e c r e a s et h et e m p e r a t u r eo f1 0 c a ls m o k ei n h e a tp i p ee x h a n g e r , t h a tw i l ld e c r e a s e st h ea b i l i t yo fr e s i s t a n c ed e wp o i n t c o r r o s i o n ( 4 ) t h ef l o wf i e l do fi n l e tf l u ed u c tw a so p t i m u m e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hc o n c l u s i o n s t h e r e s u l t ss h o wt h a tb a f f l eh a v i n gs u i t a b l es t r u c t u r ea n dp o s i t i o nc a n i m p r o v et h es u n i f o r m i t yo f t h ei n l e tf l u ed u c ta n dt h es t a b i l i t yo ft h eh e a t p i p ee x c h a n g e r , d e c r e a s et h ep r e s s u r ed r o pa n d t h em a x i m u mv e l o c i t yo f t h es m o k e u n d e rt h eo p t i m i z a t i o nc o n d i t i o n ，t h ep r e s s u r ed r o p ，h e a t t r a n s f e rr a t ea n d 伎l 心o ft h eh e a te x c h a n g e rs e p a r a t e l yi n c r e a s eb y 5 9 1 4 0 4 a n d1 0 5 8 k e yw o r d s ：j a c k e t e dh e a tp i p ee x c h a n g e r , s p e e du n i f o r m i t y , h e a te x c h a n g e rp e r f o r m a n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o p t i m u m 中南大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 密度，k g m 七 速度，m s 。1 换热系数，w i l l 。2 k 1 导热系数，w m k 。1 等效导热系数，w 1 t i k 。1 运动粘度系数，m 2 s 。1 动力粘度系数，k g - m s 。 湍动能，m 2 s 之 湍动能耗散率，m 2 s 。 热量，w 压降，p a 单位压降换热系数，w 1 2 1 - 2 k p a 1 热管外管直径，m 热管节距，m 热管长度，m 入口烟道横截面积，n 1 2 湿周长，m 开氏温度，k 冷却水进口水温，k 冷却水出口水温，k 雷诺数 充液率， 体积多孔度 摩擦系数 热管管排数 速度不均匀因子 偏差百分比 角度，o 换热面积，1 2 1 2 标准偏差 v i p p 口兄 y 刁七 占q p 引d b 三4 s r 乞胎r厂 f 万秒 f 册 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国工业余热利用现状 工业余热是指工业生产过程中在热能转换设备内未被利用的能源。我国工业 余热资源十分丰富。据统计，在钢铁、有色、石化、建材、轻工等主要工业领域， 余热资源率平均达到7 3 。但是我国余热资源回收率低，平均余热资源回收率只 有3 4 9 【1 1 。 大量的余热资源没有得到有效的利用，这是造成我国能源利用率低下的一个 极为重要的原因。加大回收余热资源力度，提高能源的利用效率，具有十分重要 的现实意义。对于能源密集型企业而言，采取有效措施，回收利用余热资源更加 是刻不容缓的事情。据分析，在将来7 0 以上的节能效果将主要靠加强管理、改 进设备以及回收利用取得。并且随着时代的发展，科技的进步，回收利用余热所 占的比例将不断加大，而科学管理等的节能潜力将不断缩d x 2 1 。 当前，在我国工业余热回收领域中，特别是每年消耗能源占全国总能耗2 5 左右的工业炉窑领域余热资源的回收，还存在许多急需解决的问题。这些问题主 要表现在以下几个方面【l j ： ( 1 ) 余热资源利用率低。当前大部分余热仅一次利用，主要行业部门余热 利用率分别是：黑色冶金行业3 0 4 ，有色冶金行业2 8 ，石油炼制及石化行业 5 4 ，化工行业7 6 8 。该余热资源利用率仅与前苏联1 9 7 5 年的余热资源回收水 平相当。可见，我国余热资源回收率必须有更大的发展。 ( 2 ) 余热资源综合利用差。这主要体现在余热利用过程中，通常没有根据 余热资源的不同品位采取不同的回收措施，进而分别满足不同用户要求，做到合 理利用。 ( 3 ) 低品位余热资源多数未被利用。我国工业上的热能5 0 以上被以低品 位形式直接排放，但是低品位余热多数未被利用，回收率低。 ( 4 ) 余热资源回收设备和系统不完善，效率低下。这主要表现在有些余热 回收设备虽然性能差，但由于企业资金等原因未及时更换，仍在使用当中。有些 余热回收利用设备虽身性能较好，但因为所处的整个系统水平较低，从而降低了 余热回收设备的性能与效率。 随着大型炉窑排放的高温烟气与可燃性气体等高品位余热资源的不断被回 收利用。低品位余热，以及主要分散在小型钢铁厂、化工企业等的可燃性气体的 余热的回收将成为余热回收工作的重点。回收利用这些余热对技术的要求更高， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 难度也将更大，余热回收工作势必遭遇更大的挑战。因此，加强对低品位余热回 收技术与设备的研究有重要的现实意义。 1 2 径向热管及其换热器 1 2 1 径向热管 径向热管是指工作介质沿热管径向流动并且沿径向传递热量的热管。径向热 管一般可分为布置吸液芯和无吸液芯径向热管两种。此外，也可以根据径向热管 内管与外管是否同心，分为同轴径向热管和偏心径向热管。 在图1 1 展示的是径向热管换热器中通常所用的热管( 无吸液芯式同轴径向 热管) 。热管水平放置，其具体换热过程为【3 】：当热管外管壁受热时，管内液体 工质吸热蒸发，上升的工质蒸汽流会夹带一些液滴冲到外管壁面形成一层液膜， 此外，液体工质沸腾鼓泡也有利于液膜的形成，液膜受热蒸发就会带走大量的汽 化潜热。同时，管内的饱和工质蒸汽会接触到温度较低的内管壁冷凝放出潜热， 该潜热通过热管内管的导热，最终由内管中的冷却水带走。在热管内壁面冷凝下 来的工质不断汇集，从而在内管壁面上形成液膜，最终滑落到液体工质中。此后， 液体工质将再次吸热沸腾蒸发，依次周而复始，完成换热的连续循环。 2 3 6 4 1 内管2 蒸汽3 冷却介质4 液态工质5 冷凝液6 外管 图1 - 1 同轴径向热管工作原理 径向热管由于其独特结构特点，特别是其在中低温烟气余热回收领域的独特 优势，已经在硫磺制酸，化工、冶金工业、半导体材料生长、标准黑体、温度标 定、等诸多领域得到了广泛的应用。例如，在余热回收系统中常用来回收排气的 热量等；在动力工程方面，用于诸如核反应堆的冷却、装备热离子换能器、同位 素电源以及汽化装置的热回收等。在电子技术中常用来冷却一些器件，如行波管、 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 振荡管等；在通信中常用来冷却红外传感器、参量放大器等。随着科学技术的不 断发展，径向热管的性能将得到更充分的利用，在其他工业过程装备上获得更广 泛的应用。 1 2 2 径向热管换热器 径向热管能十分方便地在冷源和热源之间实现热量的传递，把若干热管按需 求组合成一体，置于冷源与热源之间，便能实现冷、热源间热量的交换。这种由 径向热管元件组成的设备就称为径向热管换热器。图1 2 为典型的箱式径向热管 换热器。外部烟气由上部入口进入换热器中，通过蛇形布置的热管回收其中热量。 】 1 烟气入口2 冷却水入口3 左端隔板 4 冷却水出口5 径向热管单元6 烟气出口7 右端隔板 图1 2 径向热管换热器结构示意图 径向热管换热器结构独特，与其它类型的换热设备相比，径向热管换热器具 有诸多优点： ( 1 ) 热管冷、热两侧都可以通过加装翅片来提高其换热能力，具有结构紧 凑、压降小的特点。 ( 2 ) 热管的冷、热侧分别在独立的腔体中，两种流体实现了很好地隔离。 此外，由于冷却水在内管走，换热器不再是压力容器，易于对设备进行安全管理。 ( 3 ) 热管换热器的两侧都可以通过加装翅片来强化传热，翅片密度会影响 到热管内部工质蒸汽的温度。因此可以通过调整单根热管两侧翅片的数量来调整 其内部工质蒸汽温度，从而保证热管外管壁面温度始终维持在允许的范围之内。 设计优良的热管换热器，不仅可以抵御低温腐蚀和灰堵，也可以抵御高温和磨损。 ( 4 ) 热管的换热是基于管内液态工质的相变进行的，液态工质处于一个密 闭的腔体内。当其中某一根热管管壁由于某些原因穿孔时，也只有造成热管内少 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 量的液态工质泄露出来。不会造成冷、热流体混合、系统停产等严重后果。因此， 即便有个别热管穿孔，也不会造成停产，提高了设备的可靠性。 ( 5 ) 热管换热器中没有运动的部件，是一种静止设备，因此很少会出现机 械故障。此外，由于每根热管都是独立的部件，且其结构简单，如果有损坏更换 非常地方便。 1 2 3 换热器的低温腐蚀 我国是一个以煤炭为主要燃料的国家，煤炭中含硫较多。当燃料燃烧时，燃 料中所含的硫分会与氧气反应生成二氧化硫。在高温区，二氧化硫会被氧化生成 三氧化硫。此外也会有少许硫化物直接生成s 0 3 。在低温区，三氧化硫与水蒸气 发生反应： s 0 3 + h 2 0 = h 2 s o a ( g )( 1 - 1 ) 从而产生硫酸蒸汽。所谓露点温度是指烟气中硫酸蒸汽凝结时的温度。由于金属 壁面低于露点温度或烟气温度低于露点温度而引起的腐蚀称就称为低温露点腐 蚀【4 1 。 换热设备易产生低温露点腐蚀，从而造成换热设备使用寿命短，降低了系统 的性能，这是造成大部分中低温烟气余热资源不能被回收的一个重要原因。大量 中低温烟气余热资源的直接排放，不仅造成了严重的能源浪费，增加了企业能耗、 降低了企业利润，同时也造成了严重的环境污染。 如何较好地解决露点腐蚀问题，提高换热设备的抗低温露点腐蚀能力，进而 提高中低温烟气余热的回收效率一直是人们关注的课题。当前较常采用的方法是 通过提高排烟温度来缓解换热设备的露点腐蚀，此外使用防腐材料也能有效地防 止换热设备的腐蚀。但是这两种方法都有不足。提高排烟温度虽然可以避免硫酸 蒸汽的冷凝，但是会降低烟气余热回收效率【5 】。此外，防腐材料一般价格昂贵， 难以得到广泛应用【6 】。 1 3 国内外研究现状 热管换热器由于其优越性能、广泛的应用范围，过去几十年里一直是研究者 们关注和研究的焦点之一。 早在上世纪7 0 年代f e l d m a n 7 j 就应用对数平均温差法在理论上对热管换热器 ( 碳钢一水) 总换热量进行了预测。p e r e t z 和b e n d e s c u 【8 】运用传热有效度与传热 单元数相结合的方法研究分析了热管换热器的几何结构对换热器换热性能的影 响规律，并通过实验验证了结论的可靠性。此外，p e r e t z 和h o r b a n i u c 9 从参变量 的非线性特征特点出发，对热管换热器几何结构，包括管束间距、翅片间距以及 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 蒸发段、冷凝段长度等，进行了优化，得到了诸多有工程应用价值的结论。f a g h r i “l o 】对有吸液芯径向热管进行了实验研究，发现带吸液芯的径向热管具有良好的 传热性能。 我国对热管换热器的开发研究始于上世纪8 0 年代初，成熟于9 0 年代。经过 短短十多年的发展就掌握了热管换热器的设计、制造等技术。对热管换热器的研 究也取得了不少成就。沈玉英【l l j 以年回报率最大为优化目标，建立了优化设计数 学模型，在基于采用穷举法和复形调优法的基础上，对热管换热器的管束直径与 间距、翅片厚度与间距、入口流速进行了优化，编写了换热器优化选型程序，验 证了优化方法的可靠性。张红【l2 j 通过综合利于实验与统计学的方差分析方法， 在考虑多方面影响的基础上，研究分析了热风进口温度、冷风温度流量等与热管 换热器换热性能的关系以及影响程度。柴本银【1 3 】充分根据烟气与振荡流热管的 特性，将热管换热器成功应用于精制盐干燥系统的余热回收，并对热管的余热回 收性能进行了实验研究。陈洁【1 4 j 以经济效益最大为目标函数对用于回收空调排 风热量的热管换热器进行了研究，得到了不同温度下热管换热量的最优结构，通 过对比各经济性情况，得出了供暖季节的换热器的最优结构。另外南京工业大学 的张光玉【1 5 1 、陈伟【1 6 1 、重庆大学的赵安林【17 1 、吴治娟1 酊、大连理工大学的郭雪 华【1 9 j 等许多研究者对热管换热器进行了大量的实验研究，取得了众多成果。 二十世纪末以来，随着计算机水平的飞速发展，计算流体力学( c f d ) 成为 继两种传统方法理论分析与实验研究，之后又一种研究流体流动、传热的十 分有效的方法，已经被广泛应用于各领域。将数值模拟方法应用于换热器领域， 极大地提高了换热器的研究开发周期与费用，推进了换热器的发展。 对于换热器的数值模拟研究，国外学者s v p a t a n k a r 和d b s p a l d i n g 2 0 】【2 l 】于 19 7 4 年首次应用数值模拟技术对管壳式换热器进行数值模拟研究，并提出了多 孔介质模型与分布阻力方法，以体积多孔度来描述整个区域内流体所占比例，采 用分布阻力和多孔介质孔隙率来处理固件对换热器壳程流动造成的影响。该模型 与方法成为了此后研究换热器的最重要的方法。s h awt 2 2 1 采用多孔介质模型与 分布阻力方法对蒸汽发生器壳侧流动情况分别进行了二维和三维数值模拟分析， 并通过实验验证了数值计算模型的可靠性。 在国外学者研究的基础上，国内学者在换热器的数值模拟方面也做了许多研 究工作。古新、董其伍【2 3 】提出换热器壳程流体“斜向流”的概念，有效地解决了管 壳式换热器换热性能提升的同时伴随流体阻力损失大幅增加的矛盾，研制出了具 有高效节能的斜向流管壳式换热器。此外，通过采用数值模拟的方法分析研究了 换热器结构对传热和压降的影响，并通过实验验证了数值模拟结果的可靠性。严 良文、潘雷【2 4 j 通过引入基于各向异性的分布阻力方法、多孔介质模型以及表面 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 渗透度概念对换热器内的管束进行简化处理，用分布热源方法处理管侧流体对壳 侧流体的传热影响，通过编写u d f 程序，借助f l u e n t 软件求出了折流杆换热嚣壳 程压降系数和传热系数，研究了折流栅流通面积、间距对换热器性能的影响规律。 陶文铨、邓斌【2 5 】采用各向异性多孔介质模型、分布阻力方法对管壳式换热器壳 侧流体的流动进行了数值模拟，分析了管壳式换热器壳程流体的湍流流动特性。 上述研究工作主要针对的是管壳式换热器，在热管换热器的数值模拟研究方 面，孙世梅、张红【2 6 】鲫借助计算流体力学软件对轴向热管换热器内流体的流动 和传热进行了数值模拟研究，并通过实验验证了模型的正确性。许欣【2 8 】通过引 入多孔介质模型和分布阻力方法，对同轴径向热管换热器壳程流场进行了数值模 拟，得到了同轴径向热管换热器在入口流体速度均匀情况下压力分布情况以及压 降公式。张岭【2 9 】对单根同轴径向热管进行了数值模型，得到了热管内部传热、 流动等情况，并以单位压降换热系数为优化目标，对同轴径向热管换热器进行了 结构优化。 上述针对热管换热器的研究工作都是基于换热器入口流体均匀的前提下进 行的，对入口流体不均匀情况下热管换热器流体流动特性，以及来流速度不均匀 性对热管换热器换热性能、压降、抗低温露点腐蚀能力等的影响却少见报道。本 文从该方面着手，研究入口流体速度不均匀对径向热管换热器相关性能的影响规 律，并提出换热器入口烟气流场优化方案。 1 4 课题基本情况 1 4 1 研究背景与意义 当前，能源的供求问题已成为制约我国经济发展的一个重要因素。工业生产 中的热能，有5 0 以上以低品位余热的形式直接排放，造成了极大的能源浪费与 环境污染。加强对低品位烟气余热回收系统的研究，对提高烟气余热的回收效率， 保护环境等有着十分重要的意义。其次，我国是一个以煤炭为主要能源的国家。 由于煤炭含硫分较高，产生的烟气含硫也高，容易对设备造成低温露点腐蚀，缩 短了换热设备的使用寿命，这是大量中低温烟气余热无法得到回收的一个重要原 因。径向热管换热器由于其独特结构，具有较好的抗低温露点腐蚀能力，是中低 温烟气余热回收领域重要的换热设备。此外，在工程实际中，由于烟道结构布置、 烟气参数波动等众多原因，都可能使换热器入口烟气速度分布不均匀，从而对换 热器性能造成影响。以径向热管换热器为研究对象，研究分析入口烟气速度均匀 性对径向热管换热器性能的影响规律，对换热器性能优化及效率的提高有十分重 要的理论意义与工程应用价值。 本文研究课题源于湖南省科技厅“中低温烟气余热利用关键技术研究”重要 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 项目及中铝某分公司“气态悬浮焙烧炉烟气余热回收”项目。 1 4 2 主要研究内容 本文以某铝厂径向热管换热器为研究对象，借助计算流体力学软件 f l u e n t ，使用数值模拟的方法对换热器及入口烟道流场、温度场等进行模拟计 算。针对不同的入口烟气速度分布方案，研究分析烟气速度不均匀性对径向热管 换热器性能的影响规律。并对入口烟道流场进行优化。 本文主要研究工作内容包括： ( 1 ) 根据烟气和冷却水流量、温度等测试结果确定边界条件，运用 f l u e n t 6 3 软件，引入基于多孔介质模型的分布阻力方法，分别建立入口烟道 及径向热管换热器流动、传热的数学模型和求解方法。 ( 2 ) 应用数值模拟方法，分析不同工况下径向热管换热器入口烟道流场、 压力场分布情况，找出引起入口烟道压力损失较大、系统稳定性差的原因；分析 烟气流速对换热器壳程流场及压降的影响规律。 ( 3 ) 针对不同的入口烟气速度分布方案，研究分析烟气速度不均匀性对换 热器流场、温度场、换热量、压降等的影响规律，为提高换热器的整体性能提供 参考依据。 ( 4 ) 以提高换热器性能为主要目的，对径向热管换热器入口烟道流场进行 模拟优化。 7 中南大学硕士学位论文第二章径向热管换热器数学模型 第二章径向热管换热器数学模型 径向热管换热器通过管束外壁吸收烟气中的热量，并以热管工质的相变传热 方式，将热量传至径向热管内管的冷却水，从而达到回收烟气热量的效果。描述 换热器及烟道中烟气的流动、传热规律的定律主要有：质量守恒、动量守恒、能 量守恒等。本章根据研究对象的特点，介绍相关的数值计算方法与模型。 2 1 基本控制方程 基本控制方程是基本守恒定律的数学表达形式。数值模拟常用到的基本方程 有质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。径向热管换热器中烟气的流 动、传热过程同样服从这些控制方程的支配。 2 1 1 质量守恒方程 质量守恒方程即连续性方程，是物质守恒定律的直接体现，是一切流动、传 热都要服从的定律，其物理描述为：控制体的质量增率等于进出控制体质量的净 增率。质量守恒方程的张量形式为： 鲁+ v 擗o ( 2 - 1 ) 式中：p 是密度，k g m 3 f 是时间，s ；u 表示速度矢量，m s ：v 表示散度，即 飞a = o ax | 瓠+ 8 口vf 劬七a az | 娩。 式( 2 1 ) 描述的是瞬态可压缩流体的流动。如果将流体简化为不可压缩， 则密度p 为常数，式( 2 1 ) 可变化为： 坐+ 空+ 坐：0 ( 2 2 ) + + =( = z - = z l 出 砂 瑟 式中：u 、v 和w 分别是速度矢量u 在x 、y 和z 方向上的速度分量。 2 1 2 动量守恒方程 动量守恒定律即牛顿第二定律，也是一切流动都要遵行的定律。其物理描述 为：控制体的动量对时间的变化率等于作用在该控制体上的各种力之和。根据动 量守恒定律可得到不可压烟气在x 、y 和z 三个方向的动量守恒方程的张量形式： v b 云) ：v ( u 矿a a u ) 一娑+ 鼠( 2 - 3 ) v ) 毋锄咖) 一詈+ 鼠 ( 2 4 ) 中南大学硕士学位论文第二章径向热管换热器数学模型 v ) 再( p g r a d w ) 一警+ s w ( 2 - 5 ) 式中：尸是控制体上的压力，s 。、s ，和s 。是动量守恒方程的广义源项，一般对 于粘性为常数的不可压流体，可取s 。= s ，= s 。= 0 ，g r a d o = o o i o x + o o i o y + o o i o z 。 2 1 3 能量守恒方程 能量守恒方程是能量守恒定律的数学表达，其实质是热力学第一定律。该定 律可描述为：控制体的能量的增率等于进口控制体的能量的净增率与作用在控制 体上的力对控制体所作功之和。稳态情况下，能量守恒方程的张量形式为： v ( p u t ) = v ( 上口d t ) + s r( 2 6 ) c ， 式中：t 是温度，k ；c p 为比热容，j ( k g k ) ：k 为传热系数，w ( m 2 - k ) ，s r 是 粘性耗散项，为流体的内热源及由于流体粘性作用机械能转换为热能的部分。 最后再补充一个状态方程： p = p ( p ，r ) ( 2 - 7 ) 对于理想气体，方程( 2 7 ) 可写成： p = p r t ( 2 - 8 ) 式中：灭是摩尔气体常数。 综合考虑式( 2 1 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 和( 2 7 ) ，六个方程一共 有u 、“w 、p 、p 和丁六个未知量，则可以组成一个封闭的方程组。 2 2 湍流的数值模拟 在径向热管换热器中，壳侧烟气、管束内冷却水的流动都是湍流状态。湍流 是一种十分复杂的三维非稳态、带旋转的流动，也是最常见的流动形式。目前对 于湍流的数值模拟常见方法有直接数值模拟、大涡模拟和雷诺时均方程模拟三种 方法【3 0 】。本文选择应用最为广泛的雷诺时均方程模拟法对径向热管换热器进行 仿真。 所谓雷诺时均方程模拟法就是将非稳态的n s 方程直接做平均，从而得到 包含了脉动量乘积的时均值等未知量的控制方程。但是所得到的控制方程的个数 少于未知量的个数，要使方程组封闭，必须作出假设，增加方程个数。组成雷诺 时均方程组的控制微分方程为： 质量守恒方程 9 中南大学硕士学位论文 第二章径向热管换热器数学模型 害+ 丢惦) = o ( 2 - 9 ) 昙惦? 柳2 冰鞫愕矧p 一划甜昭， 毕川 昙伽) + 毒( 面孑) 2 考卜考卜考。万) + s ， 一p 丽私i 等+ 善旧硝可 c 2 m ， 叩叶叫，l 蔷+ 蔷卜风岛 ( 2 。1 2 1 0 中南大学硕士学位论文第二章径向热管换热器数学模型 才能确定，在复杂的流动情况下则很难确定。这些缺点都限制了该模型的广泛应 用。 2 2 2 单方程模型 单方程模型即湍流动能方程模型。p r a n d t l 和k o l m o g o r o v 分别在r e y n o l d s 方程和时均联系方程的基础上，引入湍动能k 的输运方程，将湍流粘性系数从表 示成k 的函数，从而使方程封闭。该模型在零方程模型基础上考虑了湍动的对流 输运和扩散输运，弥补了零方程模型的缺陷，因而更加合理。湍动能k 的方程可 表示为： 掣+ 掣= 考陋+ 箦 期+ 鸬( 考+ 等 考一鹏等4 ， l 丰l k o l m o g o r o v p m d t l 【3 1 壤达式有： 以= p c 。k l mq - 1 5 ) 式中：叽、c d 、c 均为常数。一般，吒取1 ，c 取0 0 9 ，c d 取0 0 8 - 0 3 8 。 该模型的缺点是长度比尺，m 仍难以确定，限制了其应用。 2 2 3 标准k s 双方程模型 1 9 7 2 年l a u n d e r 和s p a l d i n g 在单方程模型湍动能七方程的基础上引入一个关 于湍动能耗散率占的方程，从而得到了所谓的标准k 一占双方程模型。这里湍动能 耗散率占被定义为： s = 氖善 p t 回 从而可用k 和占来表示湍流粘性系数以，即： h t = 】p c 。i k 2 ( 2 - 1 7 ) 在标准七一s 双方程模型中，k 与s 作为两个未知量对应的输运方程为【3 4 】： 掣+ 掣= 黜+ 箦崩崛瓯一峨 西 苏f 玉，ll 。吒j 苏l 。”“ 、7 掣+ 掣= 邻+ 箦崩岷弘+ c s , g b ) c 拈p 譬蝇p 柳 式中：g 为浮力引起的湍动能七的产生源项；g 为平均速度梯度引起的湍动能七 的产生源项；e ，为可压湍流中脉动扩张的影响；盯。为湍动能k 对应的p r a n d t l 中南大学硕士学位论文 第二章径向热管换热器数学模型 数，仃。为耗散率g 对应的p r a n d t l 数；最、足y 蹶9 c 1 。、c 2 。和c 3 。均为经验常 数。标准k 一占双方程模型系数取值如下： 表2 - 1 标准k 一占双方程模型系数值 标准k 一占双方程模型是最典型的双方程模型，较单方程模型、零方程模型 有了较大的改进，多年来在工程实际及科学研究中得到了广泛的应用。诸多的实 践、科研结果表明，标准k 一占双方程模型可以完全或基本上成功地用于壁面边 界层、无浮力的平面射流、无旋及弱旋的二维或三维回流流动、通道流、管流及 喷管内流动。 本文选用该标准k 一占双方程模型来模拟径向热管换热器壳程及烟道烟气的 流动。 2 3 计算区域的离散化 在对模型进行数值模拟前，必须先对计算区域进行离散。在计算区域内建立 的控制方程都是偏微分方程，通常由于实际问题的复杂性，难以得到其解析解。 离散的实质是用有限个离散点来代替原来连续的空间。通过对计算区域进行离 散，将离散点上的因变量值当作基本未知量处理，从而建立关于这些未知量的代 数方程，即离散方程，则可以通过求解这些离散方程来得到离散点上的值。 当前推导离散方程的常用方法主要有：有限差分法、有限体积法和有限元法 三种。f l u e n t 软件是基于有限体积法离散方法的。有限体积法又称控制体积法， 其基本思路是【3 l 】：将计算区域划分成互不重叠的控制体积，并保证每一离散点 都由一控制体包围，将待求解偏微分方程对每一控制体积分，从而得到离散方程。 这里，关键的步骤是如何将控制体积界面上的物理量及其导数通过离散点物理量 插值求出。常用到的方法有中心差分格式、迎风格式和混合格式等。 所谓中心差分格式就是控制体积界面上的物理量及其导数通过线性插值方 法来计算，具有解真实度高等优点，但只适用于低雷诺数流动情况【3 5 j 。所谓迎 风格式，就是用上游变量的值计算本地的变量值，考虑了流动方向的影响。其又 可以分为一阶迎风格式、二阶迎风格式。其中一阶迎风格式只用到上游最近一个 节点的值，只具有一阶精度；而二阶迎风格式还要用到另一个上游节点的值，具 有二阶精度。混合格式综合了中心差分格式和迎风格式的优点，与高阶离散格式 相比，具有计算效率高的优点，总能产生物理上较为真实的解，且解是稳定的， 1 2 中南大学硕士学位论文第二章径向热管换热器数学模型 故应用较为广泛，但是解只具有一阶精度。 得到离散方程后，就可以对方程进行求解。目前常用到的求解方法有耦合式 求解方法和分离式求解方法。所谓耦合式求解方法是同时求解离散化控制方程， 联立求出各变量。该方法对计算机要求较高，且需要较长的计算时间，计算效率 低。分离式求解方法是较常用到的方法。其思路是对各变量离散方程组逐个、有 序地进行求解。该方法中，s i m p l e 算法是目前使用最为广泛的求解方法。 在综合考虑解的精度、稳定性以及计算效率等因素后，本文选用基于有限体 积法的二阶迎风格式对控制方程进行离散，采用s i m p l e 算法对离散方程组进 行求解。 2 4 多孑l 介质模型 由于径向热管换热器结构复杂，其中翅片尺寸相对于外部尺寸很小而且翅片 数量很大。要建立其三维实际模型来模拟其中的流动情况，网格数将超出一般计 算机所能承受的能力，故引入多孔介质模型来对热管换热器进行简化，从而大大 降低网格数目，提高计算效率。 所谓多孑l 介质是指区域内的微小孔隙可能是彼此连通的，也可能是部分连通 而部分不连通，流体可经连通孔隙从多孔介质的一端渗透到另一端的材料，又称 为可渗透材料【3 6 1 。所谓多孔介质模型就是将多孔介质区域内的流体和固体简化 为同一个控制体，用体积多孔度来表示管束的存在，其定义为单位体积内流体所 占有的体积百分数，而将固体对流体的造成的影响当作是附加在流体上的源项， 通过在控制微分方程中增加相应项来体现这一影响【3 7 】【3 8 】【3 9 1 。在f l u e n t 中，多 孔介质模型通过采用在动量方程中附加动量损失，将其作为源项添加到动量控制 方程中，从而来解决不同的流动特征和几何结构对流体流动的造成影响。该源项 由粘性阻力项和惯性阻力项两部分组成，其方程式为： 厂，33 、 墨= - | d , ，a v j + q p v j v ji ( 2 - 2 0 ) j = l j = l 。 式中：a 为流体粘度，p a s ；s 为f 方向上的动量源项；d 。粘度阻力系数矩阵、 c 。和惯性阻力系数矩阵。 一般情况下，在均匀的各向同性多孔介质中，上式( 2 2 0 ) 可以简化为： s t 一匕v r + c 2j 1p v , 1 1 ， ( 2 - 2 1 ) 式中：口为表面渗透因子，c ，为惯性阻力因子。 对于模拟流体通过管束、孔板等情况时，可不考虑渗透项，从而得到多孔介 质的简化方程： 1 3 中南大学硕士学位论文第二章径向热管换热器数学模型 妾= 窑c ：以1 2 l v ， 锄j智。川。 ( 2 - 2 2 ) 2 5 用户自定义函数 用户