李 玉 宏 任 慧 剛 李 琪 飛 等 立 式 套 筒 生 物 質(zhì) 熱 風(fēng) 爐 換 熱 器 流 動(dòng) 與 傳 熱 數(shù) 值 計(jì) 算 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 立 式 套 筒 生 物 質(zhì) 熱 風(fēng) 爐 換 熱 器 流 動(dòng) 與 傳 熱 數(shù) 值 計(jì) 算 李玉宏 任慧剛 李琪飛 陳維鉛 黃 騰 李 濤 甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅酒泉 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 甘肅蘭州 摘 要 以西北地區(qū)某溫室增溫設(shè)備為研究對(duì)象 為了提高該增溫設(shè)備的換熱效率 對(duì)換熱器部件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì) 算 此次模擬采用 湍流模型 速度和壓力的耦合采用 算法 分別對(duì)直形 蛇形繞管換熱器的換熱 性能即對(duì)殼程空氣的加熱情況進(jìn)行模擬計(jì)算 結(jié)果顯示 直行繞管換熱器殼程氣體平均出口溫度為 將殼 程空氣加熱了 蛇形繞管換熱器殼程氣體平均出口溫度為 將殼程空氣加熱了 說(shuō)明蛇 形繞管換熱性能較好 其管程中煙氣溫度降低幅度較大 殼程氣體加熱情況較好 流動(dòng)速度分布均勻 關(guān) 鍵 詞 生物質(zhì)熱風(fēng)爐 管殼式換熱器 流體流動(dòng) 數(shù)值換熱 模擬 中 圖 分 類 號(hào) 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 文 章 編 號(hào) 收稿日期 基金項(xiàng)目 甘肅省高等學(xué)校產(chǎn)業(yè)支撐引導(dǎo)項(xiàng)目 編號(hào) 隴原青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目 編號(hào) 甘肅省高等 學(xué)校創(chuàng)新能力提升項(xiàng)目 編號(hào) 作者簡(jiǎn)介 李玉宏 男 甘肅酒泉人 副教授 主要從事生物 質(zhì)能的開(kāi)發(fā)與利用 通信作者 李琪飛 博士 副教授 主要從事流體機(jī)械流動(dòng)理論方面的 研究 生物質(zhì)熱風(fēng)爐在人們的生產(chǎn)生活中用途廣泛 其工作方式為生物質(zhì)顆粒燃料燃燒釋放熱量 通過(guò) 高溫?zé)煔鈱⒖諝饧訜?使得空氣溫度達(dá)到相關(guān)使用 標(biāo)準(zhǔn) 用于生活采暖 工業(yè)生產(chǎn) 熱固化 糧食烘干 戈壁溫室等領(lǐng)域 本研究的生物質(zhì)熱風(fēng)爐為溫室 專用 為了提高其換熱性能和效率 從熱風(fēng)爐最主 要的設(shè)備即換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化方面著手 在此基 礎(chǔ)上設(shè)計(jì) 種類型換熱器對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算 管殼式換熱器是一種特殊設(shè)備 其類型眾多 特點(diǎn)各異 基本工作原理是將熱流體的一部分熱量 傳遞給冷的流體 廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè) 管殼式換 熱器主要用于調(diào)節(jié)多種工作介質(zhì)的溫度 是一種較 為有效的回收利用余熱 廢熱的裝置 蛇形繞管 換熱器是最早出現(xiàn)的一種換熱儀器設(shè)備 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單 造價(jià)經(jīng)濟(jì) 具有制造 安裝 清洗 維修方便等特 點(diǎn) 由于其管子可以承受較大的壓力 通常用于高 壓流體的冷卻或作為反應(yīng)器的傳熱元件 截至 目前 蛇形繞管換熱器的換熱面積和壓降的計(jì)算主 要依靠工程公式和類比的計(jì)算方法 隨著計(jì)算機(jī) 技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué) 的極速發(fā)展 采用數(shù)值 計(jì)算的方法研究換熱器受到了很大的關(guān)注 早期 對(duì)換熱器的計(jì)算研究大部分集中在換熱器單側(cè)的 模擬研究 如單獨(dú)對(duì)一方面殼程流體或管程流體進(jìn) 行數(shù)值計(jì)算 這類研究都是基于換熱管恒壁溫 或恒熱流密度的假設(shè)條件下進(jìn)行的 與實(shí)際情況存 在一定的差異 隨著研究的深入 越來(lái)越多的學(xué)者 開(kāi)始計(jì)算整體換熱器的流動(dòng)與傳熱情況研究 羅亮利用 軟件對(duì)翅片管換熱器進(jìn)行了管內(nèi)和 管外整體耦合傳熱計(jì)算研究 得到了熱管兩側(cè)的對(duì) 流換熱系數(shù) 付磊等利用 對(duì)管殼式換熱器 的流體流動(dòng)以及其耦合傳熱進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算 分別 得到管程 殼程的流速 壓降 溫度等相關(guān)參數(shù)信 息 高緒棟等利用 對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行了 數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì) 以上學(xué)者所研究換熱器的管程 殼程中的流體 基本都為液體 而本課題研究的是立式套筒生物質(zhì) 熱風(fēng)爐換熱器 其管程 殼程內(nèi)流體分別為高溫?zé)?氣和常溫空氣 基于氣體介質(zhì)來(lái)分析優(yōu)化換熱器 結(jié)構(gòu) 本研究利用 軟件 對(duì)熱風(fēng)爐的 種不 同類型換熱器模型進(jìn)行傳熱數(shù)值計(jì)算 得出 種換 熱器內(nèi)的溫度和速度分布 并計(jì)算出 種換熱器管 程和殼程的進(jìn)出口溫度差 為 種不同類型換熱器 的絕對(duì)換熱面積系數(shù)計(jì)算及速度分析提供新的方 法和途徑 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期 仿 真 模 型 物理模型的建立 本研究數(shù)值模擬的研究對(duì)象為某項(xiàng)目設(shè)計(jì)的 生物質(zhì)熱風(fēng)爐的某一結(jié)構(gòu)設(shè)備 即設(shè)計(jì)的 種不同 類型換熱管的換熱器 此 類換熱器結(jié)構(gòu)均由環(huán)繞 熱管和殼體組成 有 個(gè)流體進(jìn)出口 即煙氣進(jìn)口 煙氣出口 空氣進(jìn)口 空氣出口 溫度不同的 種氣 體介質(zhì)分別在給定的 個(gè)空間域中流動(dòng) 通過(guò)壁面 傳熱和氣體介質(zhì)在表面的對(duì)流 實(shí)現(xiàn)了 種氣體之 間的換熱 模型的建立是進(jìn)行后續(xù)數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ) 合理 的模型能為后續(xù)網(wǎng)格劃分及計(jì)算省去很多麻煩 在三維軟件 中建立的 種換熱器模型分別 如圖 圖 所示 種換熱器的參數(shù)分別如表 表 所示 表 直 形 繞 管 換 熱 器 主 要 參 數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)值 項(xiàng)目 參數(shù)值 換熱器長(zhǎng)度 殼程壁厚 換熱器直徑 殼程入口直徑 換熱管直徑 殼程出口直徑 換熱管壁厚 管程出口直徑 換熱管總長(zhǎng) 表 蛇 形 繞 管 換 熱 器 主 要 參 數(shù) 項(xiàng)目 參數(shù)值 項(xiàng)目 參數(shù)值 換熱器長(zhǎng)度 殼程壁厚 換熱器直徑 殼程入口直徑 換熱管直徑 殼程出口直徑 換熱管壁厚 管程出口直徑 換熱管總長(zhǎng) 換熱器的下方是爐膛 爐膛下方為燃燒室 木 屑等成型生物質(zhì)能燃料在換熱器下方燃燒 產(chǎn)生大 量煙氣并伴隨著大量熱量流進(jìn)換熱管 管程流體 換熱器上方出口 即煙氣出口 安裝有引風(fēng)機(jī) 由 于該熱風(fēng)爐換熱器用于溫室加熱 故室內(nèi)的常溫空 氣從換熱器下方一側(cè)圓形入口進(jìn)入 即殼程流體 直形繞管和蛇形繞管換熱器常溫空氣入口布置方 式略有不同 直形繞管布置有 個(gè)空氣入口 直徑都 為 蛇形繞管設(shè)置有 個(gè)空氣入口 其直徑 也為 由后面數(shù)值計(jì)算結(jié)果得出 此類布置 方式對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響 殼程空氣流通過(guò)壁 面導(dǎo)熱和常溫空氣在換熱管壁表面的對(duì)流獲得熱量 從換熱器另一側(cè)圓形出口流出變成所需的熱空氣 模型處理及網(wǎng)格劃分 模型處理 為了方便分析 將 種類型的換 熱管基本設(shè)計(jì)成對(duì)稱的布置方式 將 種換熱器的 三維模型導(dǎo)入 中進(jìn)行前期處理 分別抽取換熱器的流體域 即抽取空氣流體域 煙 氣流體域和固體流體域 抽取的空氣與煙氣流體 域如圖 至圖 所示 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分在整個(gè)數(shù)值計(jì)算中是 非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié) 網(wǎng)格類型和尺寸大小是否合 理是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算過(guò)程中非常關(guān)鍵的一步 劃分出 來(lái)的網(wǎng)格好壞直接影響到求解的準(zhǔn)確性 直形 蛇形繞管管程幾何形狀規(guī)則 故選擇四面體網(wǎng)格進(jìn) 行劃分 換熱管繞管屬于金屬材料介質(zhì) 在進(jìn)行前 處理時(shí) 需要指定好材料屬性 圖 以直形繞管舉例 說(shuō)明 殼程流場(chǎng)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 因此不宜選 擇六面體網(wǎng)格 四面體網(wǎng)格的自適應(yīng)能力可以更 準(zhǔn)確地捕捉內(nèi)部流場(chǎng)等信息 在殼程壁面設(shè)置邊 界層網(wǎng)格 邊界層網(wǎng)格能較為準(zhǔn)確地捕捉邊界層的 流動(dòng)和換熱狀況 減小邊界層效應(yīng)的影響 如圖 圖 所示 基 本 方 程 與 湍 流 數(shù) 學(xué) 模 型 基本方程 本模型所用到的方程有質(zhì)量守恒 動(dòng)量守恒 組分守恒方程 由于氣體流動(dòng)處于湍流狀態(tài) 還要 遵守附加的湍流輸運(yùn)方程 考慮到具有熱傳導(dǎo) 或具有可壓縮性的流動(dòng) 能量守恒方程求解必不可 少 其微分方程表達(dá)式 為 式中 為流體密度 為流體導(dǎo)熱系數(shù) 為流體的 比焓 為流體溫度 為耗散函數(shù) 為流體的內(nèi) 熱源 為流體流速 湍流數(shù)學(xué)模型 標(biāo)準(zhǔn)模型在計(jì)算彎曲壁面時(shí)會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象 而 模型 可以改進(jìn)這一缺陷 但 適 用的流動(dòng)類型比較廣泛 包括旋均勻剪切流等 因 此選用 模型 其表達(dá)式為 其中 在上述方程中 為湍流動(dòng)能 為耗散率 為 張量 為時(shí)間 為湍流黏性渦團(tuán)系數(shù) 分別 為湍流動(dòng)能項(xiàng) 耗散項(xiàng) 為運(yùn)動(dòng)黏度 為平均速 度梯度引起的湍動(dòng)能 為浮力影響引起的湍動(dòng) 能 為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影 響 是常數(shù) 分別是湍動(dòng)能及其耗 散率的湍流普朗特?cái)?shù) 在 中 作為默認(rèn)常 數(shù) 初 始 化 及 邊 界 條 件 的 設(shè) 置 由于立式套筒生物質(zhì)熱風(fēng)爐中的溫度壓力都 是較高的 因此換熱管材質(zhì)選用銅 而為了節(jié)省成 本 其他殼程處采用 鋼 這 種金屬材料的 物性參數(shù)如表 所示 表 金 屬 材 料 物 性 參 數(shù) 材料 密度 熱傳導(dǎo)系數(shù) 碳鋼 銅 煙氣物性參數(shù) 煙氣在 時(shí) 密度為 定壓比熱容為 導(dǎo)熱系數(shù)為 動(dòng)力黏度為 空氣物性參數(shù) 空氣在 時(shí) 密度為 定壓比熱容為 導(dǎo)熱系數(shù)為 動(dòng)力黏度為 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期 邊界條件的設(shè)定 種換熱器煙氣進(jìn)口 空氣進(jìn) 口均采用速度進(jìn)口邊界 包括煙氣 空氣入口速度 壓力 溫度 湍流強(qiáng)度 水力直徑等 種換熱器煙氣 出口 空氣出口均設(shè)置壓力出口邊界條件 包括出 口處相對(duì)壓力 湍流強(qiáng)度 水力直徑等 壁面邊界條 件主要包括壁面溫度 模 擬 結(jié) 果 及 分 析 為了比較 種換熱器的換熱性能 引入絕對(duì)換 熱面積系數(shù) 定義公式為 其中 為換 熱管總長(zhǎng)度 為換熱總截面積 據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn) 可知 絕對(duì)換熱面積 越小越有利于傳熱 因此結(jié) 合數(shù)值計(jì)算結(jié)果和相關(guān)理論分析 比較 種換熱器 的性能 管程流場(chǎng)分析 換熱管的研究是換熱器結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)之一 對(duì)直形管換熱器與蛇形換熱器的各個(gè)場(chǎng)進(jìn)行分析 對(duì)比 對(duì)原始已有的 種換熱管進(jìn)行優(yōu)化 設(shè)計(jì)出效 率更高的換熱管 溫度場(chǎng)分析 圖 至圖 分別為從直形 繞管換熱器煙氣進(jìn)口某一橫截面到出口某一橫截 面的換熱管溫度分布圖 直形繞管 個(gè)橫截面溫度 分布趨勢(shì)大致相同 但大小有差異 這主要是由于 直形繞管來(lái)回繞了 次的結(jié)果 圖中可以看出換熱 管中心處溫度高 壁面周?chē)鷾囟鹊?而且溫度梯度 較大 這主要是由于氣體流黏度的存在 靠近壁面 周?chē)鷼怏w流流動(dòng)狀態(tài)為層流 且層流熱阻大 形成 了熱邊界層 此處的傳熱效果不是特別理想 同樣 邊界條件下的蛇形繞管整體換熱管溫度分布趨勢(shì) 與直形管基本一致 圖 圖 所示為直形管程流體域軸向?qū)ΨQ 面上的 個(gè)溫度分布云圖 圖 為蛇形管程流體 域中間縱截面溫度分布圖 圖中所示煙氣的溫度逐 步降低 并且呈現(xiàn)出梯度降低趨勢(shì) 直形熱管高溫 煙氣進(jìn)出口溫差為 蛇形熱管高溫?zé)煔?進(jìn)出口溫差為 這在一定程度上表明換熱 比較明顯 速度場(chǎng)分析 為進(jìn)一步了解換熱管內(nèi)的煙 氣流動(dòng)狀態(tài)對(duì)換熱器傳熱的影響 對(duì)煙氣流動(dòng)的速 度場(chǎng)進(jìn)行分析 圖 至圖 所示分別為直形換熱 管 個(gè)縱截面和蛇形換熱管縱截面流體速度云圖 從圖 可以看出 管程中的流體在換熱管入口處流 速先是稍有增大 然后到換熱管中部及后部流速基 本穩(wěn)定下來(lái) 由圖 可以看出 換熱管縱截面 的 速度分布變化不是很明顯 速度梯度較小 速度較 為穩(wěn)定 從圖 可以看出 蛇形繞管換熱器管程中 速度比較均勻 基本保持在 左右 在蛇形繞 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期 灣處靠近外壁面由于煙氣的沖擊作用速度較大 基 本達(dá)到 而靠近內(nèi)壁面基本相反 綜上可 知煙氣流體在換熱管內(nèi)的速度變化幅度不大 湍流 強(qiáng)度較小 傳熱阻力較大 殼程流場(chǎng)分析 溫度場(chǎng)分析 圖 和圖 所示分別為直 形換熱器殼程縱截面和出口處的溫度云圖 圖 為 蛇形換熱器殼程縱截面溫度云圖 由圖 至圖 可知 殼程中空氣溫度總體上沿流體的流動(dòng)方向逐 漸升高 且離換熱管壁越近 溫度越高 但通過(guò)對(duì) 圖 仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn) 在換熱器蛇形繞管中間某一塊 區(qū)域溫度比周?chē)鷾囟雀?這是因?yàn)榭諝饬髟谶@個(gè)區(qū) 域處于相對(duì)停止的狀態(tài) 與圖 速度圖對(duì)比可以發(fā) 現(xiàn) 中間某一區(qū)域空氣流速度很低 可能是由于存 在小渦流造成的 由于小渦流中的空氣流速度很 低 因此這塊區(qū)域很快被加熱 又由于處于停滯狀 態(tài) 熱量無(wú)法傳遞出去 因此這塊區(qū)域溫度相對(duì)較 高 即形成了傳熱死區(qū) 由圖 可以看出直行繞管 殼程出口處空氣流平均出口溫度為 由于空 氣進(jìn)口溫度為 故進(jìn)出口溫差為 即將殼程空氣流加熱了 但其溫度呈現(xiàn)出 梯度變化趨勢(shì) 由圖 可以看出 蛇形繞管換熱器 空氣流出口溫度為 由于進(jìn)口溫度為 故進(jìn)出口溫差為 即將殼程空 氣流加熱了 溫度呈現(xiàn)較為均勻 速度場(chǎng)分析 圖 所示為蛇形繞管換熱器 殼程縱截面速度云圖 傳熱死區(qū)不是特別明顯 速 度云圖恰好與溫度云圖相符合 在換熱器的左上角 和右下角空氣流速度較高 而整個(gè)殼體中流體速度 特別慢 幾乎處于停滯狀態(tài) 這也有利于空氣充分 加熱 空氣流體從殼程入口進(jìn)入 經(jīng)過(guò)換熱管的擾 流 斜向上沿殼程出口出去 故蛇形繞管有利于適 當(dāng)消除傳熱死區(qū)的存在 對(duì)殼程空氣流的加熱較 明顯 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期 結(jié) 論 直形繞管 蛇形繞管換熱器管程溫度分布基本 一致 即換熱管中心溫度高 壁面溫度低 且溫度梯 度較大 但蛇形繞管管程的溫度降得更明顯 這在 一定程度上表明其換熱性能較好 直行繞管殼程氣體溫度降為 即將殼 程空氣加熱了 蛇形繞管殼程氣體溫度降 為 即將殼程空氣加熱了 蛇形繞管換熱器對(duì)空氣的加熱特性較好 主要 原因與絕對(duì)換熱面積系數(shù)有關(guān) 即管長(zhǎng)與殼程域中 間縱截面 換熱管所占面積 的比值 對(duì)于直形換熱 管 對(duì)于蛇形換熱管 因此 越小越有利于傳熱 這與數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果相 符合 參 考 文 獻(xiàn) 王志鵬 雷勇剛 杜保存 等 垂直布置百葉折流板管殼式換熱器 性能研究 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào) 許麗華 管殼式換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)特性數(shù)值模擬分析 機(jī) 電信息 閆君芝 崔金健 黨 睿 管殼式換熱器傳熱性能數(shù)值模擬 化工科技 趙 壯 李文昌 王小芳 蛇管式換熱器傳熱性能的數(shù)值模擬 化工機(jī)械 付 磊 曾燚林 唐克倫 等 管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱 數(shù)值模擬 壓力容器 羅 亮 翅片管換熱器傳熱特性的數(shù)值模擬研究 長(zhǎng)沙 中 南大學(xué) 付 磊 唐克倫 文華斌 等 管殼式換熱器流體流動(dòng)與耦合傳熱 的數(shù)值模擬 化工進(jìn)展 高緒棟 管殼式換熱器的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì) 濟(jì)南 山東 大學(xué) 王明軍 管殼式換熱器的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì) 長(zhǎng)沙 中南 大學(xué) 陶文錠 數(shù)值傳熱學(xué) 西安 西安交通大學(xué)出版社 張洋樂(lè) 板殼式換熱器板管內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究 石油 化工設(shè)備技術(shù) 張洋樂(lè) 板殼式換熱器板管內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究 石油 化工設(shè)備技術(shù) 董天飛 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析 長(zhǎng)春 吉林 大學(xué) 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 年第 卷第 期