袁守利，張勝?gòu)?qiáng)，汪雨航

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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生物質(zhì)熱風(fēng)爐換熱器傳熱數(shù)值模擬及優(yōu)化

袁守利，張勝?gòu)?qiáng)，汪雨航

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

摘要：在試驗(yàn)和測(cè)量的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Catia對(duì)某生物質(zhì)熱風(fēng)爐的換熱器進(jìn)行三維建模，運(yùn)用Workbench中的Mesh模塊對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，運(yùn)用Fluent對(duì)熱風(fēng)爐換熱器中空氣流場(chǎng)和煙氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到空氣和煙氣的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)等數(shù)據(jù)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析討論，提出改進(jìn)措施，通過試驗(yàn)證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：換熱器；傳熱；CFD；Fluent

生物質(zhì)熱風(fēng)爐作為一種節(jié)能、環(huán)保的加熱取暖裝置，已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用，可以在冬天用作取暖設(shè)備，也可以為糧食作物等烘干提供熱源，還可以為溫室大棚保溫等。生物質(zhì)熱風(fēng)爐主要包括鼓風(fēng)機(jī)、燃燒裝置、換熱器等，其中換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的裝置，生物質(zhì)熱風(fēng)爐的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及使用性很大程度上受到換熱器結(jié)構(gòu)的影響。

由于換熱器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，影響換熱效率的因素眾多，若僅僅依靠試驗(yàn)來優(yōu)化換熱器的結(jié)構(gòu)以最大限度地提高其換熱效率，那將是一個(gè)及其繁瑣且冗長(zhǎng)的過程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)知識(shí)的不斷完善，CFD軟件的計(jì)算速度、穩(wěn)定性、精確性已經(jīng)達(dá)到了可以信賴的程度。因此，對(duì)某生物質(zhì)熱風(fēng)爐進(jìn)行CFD分析，得出內(nèi)部氣流的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)，然后對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)、優(yōu)化以提高換熱效率，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性。

1仿真模型

1.1物理模型的建立

該熱風(fēng)爐的換熱器為間壁式換熱器，溫度不同的兩種流體在被非隔熱壁面分開的空間中流動(dòng)，通過壁面?zhèn)鳠岷土黧w在導(dǎo)熱壁表面對(duì)流，實(shí)現(xiàn)兩種流體之間的換熱。換熱器一般有管殼式和套管式兩類，這里模擬的是管殼式換熱器。

物理模型是進(jìn)行后續(xù)模擬的實(shí)體基礎(chǔ)，合理的物理模型能夠?yàn)楹罄m(xù)網(wǎng)格劃分及分析計(jì)算省去很多不必要的麻煩。在三維軟件Catia中建立的換熱器物理模型如圖1所示，換熱器主要參數(shù)如表1所示。

圖1　換熱器物理模型

表1　換熱器主要參數(shù)　mm

換熱器的下方即為燃燒室，秸稈等生物質(zhì)燃料在其下方燃燒，產(chǎn)生煙氣伴隨著大量熱量流進(jìn)換熱管(管程流體)，換熱器上方(即煙氣出口)裝有引風(fēng)機(jī)使生物質(zhì)燃料燒得更旺，產(chǎn)生更多的熱量。干凈的冷空氣從換熱器下面方形入口進(jìn)入(殼程流體)，通過壁面的導(dǎo)熱和冷空氣在換熱管壁表面的對(duì)流獲得熱量，從換熱器上方圓形出口流出變成所需要的熱空氣。

1.2計(jì)算模型的確定

流體流動(dòng)受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。如果流動(dòng)包含不同成分(組元)的混合或相互作用，系統(tǒng)還要遵守組分守恒定律。如果流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程[1]。

換熱器的傳熱數(shù)學(xué)模型用三維不可壓縮的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒與導(dǎo)熱方程及湍流方程。Fluent提供了多種湍流模型，但是，沒有一個(gè)模型對(duì)于所有問題是通用的。綜合考慮流體的可壓性、計(jì)算的精確性、計(jì)算機(jī)的CPU能力、時(shí)間的花費(fèi)等因素，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型預(yù)測(cè)了自由剪切流傳播速率，像尾流、混合流動(dòng)、平板饒流、援助饒流和放射狀噴射，因而可以應(yīng)用于墻壁束縛流動(dòng)和自由剪切流動(dòng)。

1.3模型處理及網(wǎng)格劃分

1.3.1模型處理

為了便于分析，換熱管的布置形式設(shè)計(jì)成對(duì)稱的。將三維的物理模型導(dǎo)入到Workbench的Geometry單元模塊里并創(chuàng)建對(duì)稱面。接下來抽取換熱器的流體域，抽取的空氣與煙氣流體域分別如圖2和圖3所示。

圖2　空氣流體域

圖3　煙氣流體域

圖4　網(wǎng)格設(shè)置

1.3.2網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分在整個(gè)數(shù)值模擬中是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，劃分出來的網(wǎng)格好壞直接影響到求解的準(zhǔn)確性，若網(wǎng)格很差甚至不能求解。在該模型中需要設(shè)置Mesh interface，兩個(gè)Interface節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能地保持一致，網(wǎng)格尺寸盡可能地接近，否則在生成Mesh interface時(shí)不能很好地進(jìn)行耦合，從而導(dǎo)致無法求解。經(jīng)過多次試驗(yàn)比較，最終確定網(wǎng)格尺寸設(shè)置如圖4所示，煙氣流體域和空氣流體域均設(shè)置有3層邊界層，第一層為1 mm，增長(zhǎng)因子為1.2。

2初始化及邊界條件的設(shè)置

由于熱風(fēng)爐中的溫度壓力都比較高，換熱管材質(zhì)采用20#鋼，為了節(jié)省成本，其他處采用Q235鋼，這兩種材料的物性參數(shù)如表2所示。煙氣與空氣在各溫度下的物性參數(shù)分別如表3和表4所示。

表2　材料物性參數(shù)

需要設(shè)定的邊界條件：①兩個(gè)速度進(jìn)口邊界條件，包括流體入口速度、壓力、溫度、湍流強(qiáng)度、水力直徑；②兩個(gè)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；③壁面邊界條件，主要有壁面溫度。

表3　煙氣物性參數(shù)

表4　空氣物性參數(shù)

3模擬結(jié)果及分析

3.1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，合理的換熱管結(jié)構(gòu)能在很大程度上提高換熱器的熱效率。數(shù)值模擬中，管程流體為熱流體即煙氣流，通過對(duì)換熱管內(nèi)流體進(jìn)行CFD模擬，得出換熱管流體的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)等，再對(duì)這些場(chǎng)進(jìn)行分析對(duì)比，對(duì)原始的換熱管進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出效率更高的換熱管。

3.1.1溫度場(chǎng)分析

圖5所示由左至右依次為換熱器底部、中部、頂部橫截面的溫度云圖，圖6中圓形區(qū)域?yàn)閾Q熱管中部橫截面溫度分布云圖，可以看出換熱管中心溫度高，壁面溫度低，且溫度梯度大。這主要是由于流體粘度的存在，靠近壁面流體流動(dòng)狀態(tài)為層流，而層流熱阻大，形成了熱邊界層，此處的傳熱效果有待進(jìn)一步提高。圖7所示為管程流體域軸向?qū)ΨQ面上的溫度分布云圖，管程中的煙氣溫度逐步降低，在一定程度上表明換熱比較明顯。

3.1.2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8、圖9所示分別為換熱管橫、縱截面流體速度矢量圖。由圖8可以看出，換熱管橫截面速度分布變化不是很明顯，速度梯度較??；而從圖9可以看出，管程中的流體在換熱管內(nèi)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。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。

3.2殼程流場(chǎng)分析

數(shù)值模擬中，殼程流體為冷流體即空氣流，殼程殼體結(jié)構(gòu)是換熱器研究的另一重點(diǎn)。若殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易導(dǎo)致傳熱效率降低、流動(dòng)損失增大等缺陷，因此設(shè)計(jì)合理的殼體結(jié)構(gòu)，改善換熱器的殼程流動(dòng)狀態(tài)能有效消除這些缺陷。

3.2.1溫度場(chǎng)分析

圖10和圖11所示分別為殼程縱截面和出口處的溫度云圖。由圖10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。但仔細(xì)觀察，在換熱器右下角和左上角都有塊區(qū)域溫度比周圍溫度高，這是因?yàn)榱黧w在這個(gè)區(qū)域處于相對(duì)停止的狀態(tài)，其中存在許多小渦流，小渦流中的流體速度很低，使得這塊區(qū)域很快被加熱，又由于處于停滯狀態(tài)，熱量無法傳遞出去，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11可以看出殼程出口處流體平均溫度為91.6℃，但溫度分布不均勻。

3.2.2速度場(chǎng)分析

圖12所示為殼程縱截面速度云圖，上述傳熱死區(qū)處的速度恰好與圖12所示相符合，在換熱器的左上角和右下角速度很低，流體幾乎處于停滯狀態(tài)，空氣流體從殼程入口進(jìn)入，經(jīng)過換熱管的擾流，斜向上沿殼程出口出去。故應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硐皞鳠崴绤^(qū)”的存在。

圖5　換熱器橫截面溫度云圖　　　　圖6　換熱管橫截面溫度云圖　　　　　圖7　管程縱截面溫度云圖

圖8　換熱管橫截面流體速度云圖

圖9　換熱管縱截面流體速度矢量圖

圖10　殼程縱截面溫度云圖

圖11　殼程出口溫度云圖

圖12　殼程縱截面速度云圖

4優(yōu)化措施及結(jié)果

4.1優(yōu)化措施

采取以下措施對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化：①適當(dāng)增加換熱管的數(shù)量,從原來的34根增加到39根;②換熱管形狀由圓管改成當(dāng)量直徑相當(dāng)?shù)谋夤?③殼程內(nèi)加兩塊隔板起擾流作用，以消減兩個(gè)角落處的“傳熱死區(qū)”。優(yōu)化后模型如圖13所示。

圖13　優(yōu)化后模型示意圖

4.2優(yōu)化后結(jié)果分析

優(yōu)化后換熱器的縱截面速度和溫度云圖分別如圖14和圖15所示。由圖14可以看出，殼程流體從殼程入口進(jìn)入， 由于橫截面的擴(kuò)張，速度突然降低，流體經(jīng)過換熱管的擾流作用，速度時(shí)高時(shí)低，形成比較劇烈的紊流。與圖12相比，由于殼程內(nèi)加裝了兩塊隔板，消除了殼程中的流體停滯區(qū)，促進(jìn)了換熱器的傳熱。

圖14　優(yōu)化后換熱器縱截面速度云圖

圖15　換熱器縱截面溫度云圖

由圖15可以發(fā)現(xiàn)，管程流體溫度從入口到出口的變化比圖7明顯得多，說明扁管的傳熱效果比圓管好，換熱管的優(yōu)化是合理的；由于殼程中兩塊隔板的作用，殼程流體溫度從入口到出口呈“Z”字型升高，與圖10相比，優(yōu)化后的模型中并無溫度過高或過低的區(qū)域，出口平均溫度達(dá)到111.6℃，且溫度分布均勻，說明換熱器殼程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也是合理的。

5模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

模擬用的模型與試驗(yàn)樣機(jī)尺寸相同，測(cè)量位置及方法參考燃煤熱風(fēng)爐標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6672-2011。數(shù)值模擬中用到的邊界條件如殼程管程入口流速、入口溫度等均來自此次試驗(yàn)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比項(xiàng)為殼程流體出口溫度，其數(shù)值的大小能體現(xiàn)換熱器熱效率的高低。表5所示為模型優(yōu)化前后殼程出口溫度試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比，兩者吻合得較好，誤差在10%之內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

表5　殼程出口溫度模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比

6結(jié)論

通過對(duì)熱風(fēng)爐換熱器的殼程流體與管程流體進(jìn)行CFD模擬仿真，分別對(duì)換熱器的管程流體和殼程流體的流場(chǎng)特征進(jìn)行了認(rèn)真的研究，找出其不合理之處，并提出優(yōu)化方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性以及優(yōu)化的合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]YOU Y H，CHEN Y Q，XIE M Q,et al.Numerical simulation and performance improvement for a small size shell and tube heat exchanger with trefoil hole baffles[J].Applied Thermal Engineering,2015(89):220-228.

[2]羅在祥.管殼式換熱器傳熱對(duì)比研究與數(shù)值模擬[D].武漢：華中科技大學(xué),2008.

[3]趙全云,孫桓五,張江勇,等.生物質(zhì)熱風(fēng)爐換熱器流場(chǎng)及熱交換模型研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011(4):53-55.

[4]謝洪虎,江楠.管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬[J].化學(xué)工程,2009,37(9):9-12.

[5]李文敏.基于CFD模擬的換熱器傳熱性能分析與優(yōu)化選型[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué),2013.

[6]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[J].壓力容器,2012,29(5):36-41.

[7]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004:36-100.

[8]齊洪祥,高磊,張瑩瑩.管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述[J].壓力容器,2012,29(7):73-78.

[9]陳明.套筒式熱風(fēng)爐流場(chǎng)及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2011.

YUAN Shouli:Assoc.Prof.; School of Automotive Engineering,WUT,Wuhan 430070,China.

[編輯：王志全]

文章編號(hào)：2095-3852(2016)01-0123-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-08-03.

作者簡(jiǎn)介：袁守利(1966-)，男，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授.

中圖分類號(hào)：TK172.4

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.027

Numerical Simulation and Optimization of Heat Transfer in Heat Exchanger of Biomass Hot Blast Stove

YUAN Shouli,ZHANG Shengqiang,WANG Yuhang

Abstract：On the basis of experiments and measurements,three dimensional model was established by the use of CATIA.Mesh module of Workbench was applied to divide grids and fluent was utilized to do numerical simulation of the air flow flied and smoke flow flied,which lead to the calculation of the temperature field and velocity field of air and smoke.In addition,the results were analyzed and corresponding improvements were raised.In the last of this paper,experiments were conducted to testify the validity of the numerical simulation.

Key words：heat exchanger; heat transfer; CFD; fluent