【《烟气冷凝换热数值模拟探析案例》7500字】

）式中：ρ——烟气密度/kg‧m-3；v——烟气流速/m‧s-1；l——特征长度/m；μ——动力粘度/Pa‧s；h——换热系数/W‧m-2‧K-1；λ——烟气导热系数/W‧m-1‧K-1；——烟气平均定压比热容/kJ‧kg-1‧K-1；——换热器压降/Pa。对表4-4中8个工况的传热因子j，阻力因子f进行计算。并以翅片高度为24mm、间隙宽度为1.5mm、翅片长度为250mm的计算结果为基准，计算各工况的综合评价指标PEC。计算的结果如REF_Ref73284990\h表45所示。表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s15综合评价指标计算结果工况编号jfPEC10.02140.07461.643520.02170.07121.689730.02200.08211.634140.02150.09121.542350.02290.16691.345360.02060.06371.667570.01720.08441.263180.01340.08101从表中可以看出，工况1~7的综合换热性能相比于工况8有不同程度的提升。其中，综合评价指标最高的为工况2：翅片高度22.5mm、间隙宽度1.5mm、翅片长度150mm，应作为翅片加工的优选参数。但是，由于结构优化计算中窄间隙换热通道中烟气流速为5m‧s-1；根据实验台中所使用的燃气锅炉最大功率计算，窄间隙中烟气流速最大可达到15.5m‧s-1；为了保证在燃气锅炉大功率运行的情况下窄间隙冷凝换热器能够对烟气进行充分冷凝，实际加工过程中换热器的翅片长度选用250mm。同时，由于实际加工过程中22.5mm的翅片高度需要重新开模，花费较高，出于经济性考虑选取22mm作为翅片高度的加工尺寸。冷凝换热特性分析经过结构优化后确定烟气侧换热通道的结构参数为翅片高度22mm、翅片间距1.5mm、翅片长度250mm，以此尺寸作为模型尺寸进行下一步计算。除了结构参数对冷凝换热的影响之外，烟气凝结换热过程中的运行参数对冷凝换热也有较大影响。本节利用数值模拟计算探究烟气流速、进口水蒸气体积分数、壁面温度及进口烟气温度对烟气冷凝换热特性的影响。烟气流速的影响烟气流速的大小决定单位时间内进入换热器内烟气量的多少，影响烟气在窄间隙换热通道中的停留时间。水蒸气体积分数一定时，单位时间内烟气中水蒸气的质量将随烟气流速的增加呈线性增长，因而影响冷凝换热过程。同时，烟气流速对窄间隙换热器的阻力特性有重要影响。1）烟气流速对出口烟气温度的影响图4-10为进口烟气温度为90℃、进口水蒸气体积分数为17%、水侧壁面温度为40℃时不同烟气流速下窄间隙换热结构中心区域温度分布云图。图4-11为烟气出口温度随烟气流速的变化曲线。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s110不同烟气流速下温度场分布云图结合两幅图发现，随着烟气流速的增加，烟气出口温度在43℃~54℃范围内基本呈线性增加；不同烟气流速下的温度分布存在明显差异。烟气流速为5m·s-1时，烟气温度在流动方向的前三分之二部分有明显变化，在后三分之一部分稳定在43℃左右；当烟气流速为10m·s-1时，烟气流动方向各温度区间的换热段长度明显增加；烟气流速为15m·s-1和20m·s-1时的温度变化与5m·s-1时的类似。烟气流速的增加使烟气停留时间减小，换热时间减小，相同烟气换热温差需要的换热段更长。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s111烟气出口温度与烟气流速的曲线关系2）烟气流速对冷凝率的影响图412为进口烟气温度为90℃、进口水蒸气体积分数为17%、水侧壁面温度为40℃时不同烟气流速下窄间隙换热结构中心区域水蒸气质量分数分布云图。图413为出口水蒸气质量分数及冷凝率与烟气流速的关系。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s112不同烟气流速下水蒸气质量分数分布云图从图中可以看出，烟气流速从5m·s-1增加至10m·s-1时，出口水蒸气质量分数从5.3%增加至5.4%，水蒸气冷凝率从54.5%降低至54.1%；烟气流速在10m·s-1~20m·s-1时，出口水蒸气质量分数随烟气流速的增加线性增加，从5.4%增加至6.1%；水蒸气冷凝率随烟气流速的增加线性降低，从54.2%降低至47.4%。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s113出口水蒸气质量分数及冷凝率与烟气流速的关系曲线3）烟气流速对阻力特性的影响REF_Ref71289558\h图414为进口烟气温度为90℃、进口水蒸气体积分数为17%、水侧壁面温度为40℃时不同烟气流速下窄间隙换热结构中心区域压力分布云图。REF_Ref71289568\h图415为进口压差随烟气流速的变化折线图。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s114不同烟气流速下压力分布云图进口水蒸气体积分数的影响1）进口水蒸气体积分数对出口烟气温度的影响如REF_Ref72097627\h图416所示为进口烟气温度为90℃、进口烟气流速为15m·s-1、冷却水壁面温度为40℃时出口烟气温度与进口水蒸气质量分数的关系曲线。从图中可以看出，烟气出口温度随进口水蒸气体积分数的变化始终在49.8℃。2）进口水蒸汽体积分数对冷凝率的影响REF_Ref72443456\h图417为该工况下不同进口水蒸气体积分数下窄间隙换热结构中心区域水蒸气质量分数分布云图。REF_Ref72097651\h图418为冷凝率与进口水蒸气体积分数的关系曲线。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s115进出口压差与烟气流速的关系曲线图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s116出口烟气温度与进口水蒸气体积分数的关系曲线图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s117不同进口水蒸气体积分数下水蒸气质量分数分布云图分析图4-17与图4-18发现，随着进口水蒸气体积分数的增加，水蒸气质量分数云图变化区域明显增大，表明烟气冷凝换热段增加；出口水蒸气的质量分数在5.63%~5.95%之间小幅增加，冷凝率在进口水蒸气体积分数为0.15时为43.7%，在进口水蒸气体积分数为0.21时为60.5%，冷凝率增加幅度达到16.8%。从模拟计算结果中分析可得：进口水蒸气体积分数增加使传质驱动力增加，烟气冷凝液量增加；由于窄间隙通道足够长，烟气在窄间隙换热通道中充分冷凝，烟气出口温度无较大变化。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s118冷凝率与进口水蒸气体积分数的关系曲线冷却水侧壁面温度的影响1）壁面温度对出口烟气温度的影响REF_Ref71292791\h图419为进口烟气温度为90℃、进口水蒸气体积分数为17%、进口烟气流速为15m·s-1时不同冷却水壁面温度下窄间隙换热结构中心区域烟气温度分布云图。图中烟气温度分布无明显变化。REF_Ref71292865\h图420为烟气出口温度与冷却水侧壁面温度的关系曲线。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s119不同壁面温度下烟气温度分布云图分析图4-19与图4-20发现，随着壁面温度的上升，烟气出口温度从48.7℃增加至50.4℃，变化范围内线性增加；冷却水侧壁面温度与烟气侧壁面温度通过热传导进行热量传递，冷却水侧壁面温度直接影响烟气侧冷凝壁面温度，因而影响烟气冷凝换热温差。冷却水侧壁温升高，换热温差减小，传热驱动力减小，从而烟气出口温度升高。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s120烟气出口温度与壁面温度的关系曲线REF_Ref71294139\h图421为不同壁面温度下冷凝壁面的液膜温度分布云图。从中可以看出，不同冷却水侧的壁面温度，冷凝壁面液膜温度分布云图存在较大差异。壁面温度为45℃时，温度分布云图中有后二分之一部分温度没有发生明显变化，烟气的冷凝过程主要在上半部分进行。其原因是壁面温度较高，随着烟气的冷凝换热，烟气温度降低的同时，烟气与冷却壁面的换热温差逐渐减小，冷凝换热过程逐渐停止。因此，在烟气冷凝换热过程中降低冷凝壁面温度是提高冷凝换热效率的有效途径。工程实践中可采用较低的冷却水水温及较高的冷却水流量降低冷却水侧壁面温度。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s121不同壁面温度下冷凝壁面液膜温度分布云图2）壁面温度对冷凝率的影响REF_Ref71294642\h图422是进口烟气温度为90℃、进口水蒸气体积分数为17%、进口烟气流速为15m·s-1时不同冷却水壁面温度下窄间隙换热结构中心区域水蒸气质量分数分布云图。REF_Ref71294646\h图423为出口水蒸气质量分数及水蒸气冷凝率与冷却水侧壁面温度的关系曲线。冷却水侧壁面温度由30℃增加至45℃时，出口水蒸气质量分数从5.4%线性增加至5.9%，冷凝率从53.8%线性降至49.3%。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s122不同壁面温度下水蒸气质量分数分布云图图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s123出口水蒸气质量分数与壁面温度的关系曲线进口烟气温度的影响1）进口烟气温度对出口烟气温度的影响REF_Ref71400219\h图424为进口烟气流速为15m·s-1、进口水蒸气体积分数为17%、冷却水壁温为40℃时烟气出口温度与烟气进口温度的曲线关系。观察曲线变化趋势，进口烟气温度由60℃增加到90℃时，出口烟气温度由45.7℃增加到49.8℃。其他影响因素不变时，进口烟温降低，主流烟气温度与冷凝壁面传热温差明显降低。2）进口烟气温度对冷凝率的影响REF_Ref71400773\h图425为换热器出口水蒸气质量分数及冷凝率随延期温度变化的关系曲线。从图中可以看出，出口水蒸气质量分数在0.5%范围内小幅降低；冷凝率基