趙博識(shí) 劉林欣 陳 光 包向軍 蒒華飛

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，2.安徽工業(yè)大學(xué)，3.安徽誠銘熱能技術(shù)有限公司)

隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)程的逐步推進(jìn)，我國鋼鐵行業(yè)的能耗問題日顯尖銳，鋼鐵行業(yè)余熱余能資源回收利用技術(shù)已成為諸多學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1-2]。燒結(jié)工序在鋼鐵流程中能耗約占總能耗的10%，僅次于煉鐵工序[3-9]，具有巨大的節(jié)能潛力。燒結(jié)礦經(jīng)點(diǎn)火爐進(jìn)入保溫段時(shí)表面溫度仍高達(dá)800～900 ℃，是預(yù)熱助燃空氣的首選熱源，在為數(shù)不多的應(yīng)用中主要采用光管換熱器進(jìn)行余熱回收，預(yù)熱后溫度僅為80～120 ℃，可提升空間較大，但針對該方面的研究鮮有報(bào)道。

管式換熱器在燒結(jié)工序的應(yīng)用中一般以輔助設(shè)備安裝于燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火爐保溫段，換熱器懸吊于燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火爐保溫段上方，主要與冷卻的燒結(jié)礦料層進(jìn)行輻射換熱。要求換熱器在有限的空間內(nèi)發(fā)揮高效的換熱效率，對其進(jìn)行優(yōu)化是提高換熱效率的必然手段。

文章運(yùn)用強(qiáng)化換熱技術(shù)對管式空氣換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，基于Fluent平臺(tái)對優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種物理場的數(shù)值模擬和分析，對管式換熱器在冶金工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

1 物理建模及計(jì)算模型的選擇

1.1 物理模型的簡化與建立

文章以某鋼廠燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火爐保溫段的管式換熱器為研究對象，該換熱器由4個(gè)直管和3個(gè)180°彎管焊接而成，整體呈M形，如圖1所示，具體參數(shù)見表1所示。換熱器管道內(nèi)介質(zhì)流體為空氣，各項(xiàng)物性參數(shù)見表2。對原始管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對流體與固體邊界層進(jìn)行了膨脹層處理。

圖1 換熱器模型

表1 M型換熱器參數(shù) mm

表2 空氣物性參數(shù)

1.2 邊界條件

將網(wǎng)格劃分完成的模型導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行數(shù)值模擬，邊界條件：

(1)入口設(shè)置為速度入口，命名為inlet，且v=10 m/s；

(2)出口設(shè)置為壓力出口，命名為outlet；

(3)換熱器管道材料為steel，內(nèi)部流體與管道接觸面為耦合面，換熱器管道外壁面與外部空氣接觸面同樣設(shè)置為耦合面，考慮到換熱器管外壁的氧化，查詢其輻射換熱系數(shù)，設(shè)定為0.7；

(4)輻射熱源面命名為熱源—wall，壁面類型為wall，輻射換熱系數(shù)為0.86，溫度為1 073 K，四壁設(shè)定為 600 K定溫壁面，壁面類型為wall，輻射換熱系數(shù)為0.86；

(5)換熱器管道上方覆蓋保溫巖棉，其性能參數(shù)為：密度230 kg/m3，比熱900 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)0.023 W/(m·K)。

(6)換熱器管道內(nèi)部流體進(jìn)口溫度設(shè)為293 K，換熱過程為穩(wěn)態(tài)換熱過程。

1.3 計(jì)算模型的選擇

流體換熱模型為穩(wěn)態(tài)換熱，空氣與換熱器接觸換熱的表面為熱耦合面，在模擬時(shí)自動(dòng)進(jìn)行換熱計(jì)算[10]。在Fluent平臺(tái)提供的湍流模型中選擇基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率的經(jīng)驗(yàn)公式標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。為了解決速度—壓力耦合的困難，選擇壓力修正算法中的SIMPLE二階迎風(fēng)算法[11]，該算法遵守質(zhì)量守恒方程使計(jì)算出的速度對壓力進(jìn)行修正。輻射換熱模型選擇DO模型。

1.4 原始結(jié)構(gòu)模擬分析

基于以上條件，對原始管道進(jìn)行數(shù)值模擬，取換熱器水平中心截面分析其溫度場、速度場及壓力場，如圖2所示。

圖2 光管各物理場分布

由水平中心截面的溫度場可知，流體在出口段仍有較大區(qū)域的低溫流場，整體換熱效果較差，提升空間極大。模擬中空氣進(jìn)口溫度為20 ℃，預(yù)熱后溫度可提高91 ℃，阻力損失為300 Pa。該工況屬具體工程案例，實(shí)際生產(chǎn)中空氣預(yù)熱后溫度為80～120 ℃，模擬結(jié)果符合實(shí)際工況，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬的正確性。由速度場和壓力場可知，彎管后的一段區(qū)域內(nèi)發(fā)展形成了局部渦流，彎管外側(cè)壓力大、內(nèi)側(cè)壓力小。輻射熱源位于管道下方，主要為單側(cè)輻射換熱，管道內(nèi)下部流域溫度高，上部流域溫度較低，該工作環(huán)境具有極大的特殊性，應(yīng)充分利用下半部流域空間強(qiáng)化整體換熱效果。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

對于換熱器的強(qiáng)化換熱，一般采用翅片管、管內(nèi)插入物、異型管或表面處理等手段[12-14]，文章研究的換熱器外部結(jié)構(gòu)及總體尺寸因使用環(huán)境限制難以改變，因此對于該換熱器的優(yōu)化從內(nèi)部入手，主要設(shè)計(jì)了以下幾種結(jié)構(gòu)：翅片結(jié)構(gòu)、噴流結(jié)構(gòu)及旋流扇結(jié)構(gòu)。

2.1 翅片結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)長、短翅片進(jìn)行對比模擬分析，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。為充分利用下部流域且便于實(shí)際生產(chǎn)，翅片只添加于換熱器內(nèi)管壁的下半部區(qū)域，翅片垂直于管壁，間隔30°分布，管外壁水平位置也加設(shè)等長肋片，用以增大輻射角系數(shù)，提高換熱效果。

圖3 長、短翅片結(jié)構(gòu)

邊界條件和計(jì)算模型與光管相同的情況下，對于兩種翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬分析得出：與長翅片相比，短翅片結(jié)構(gòu)下的換熱器強(qiáng)化換熱效果更高，短翅片預(yù)熱溫度提高百分比為19.7%，長翅片為15.3%。短翅片的低溫區(qū)域較大程度地減小，且在翅片周邊小范圍的流體被加熱，整體強(qiáng)化換熱效果優(yōu)于長翅片結(jié)構(gòu)，說明短翅片結(jié)構(gòu)不僅有效增加了換熱面積，且能夠更有效地打斷邊界層的連續(xù)發(fā)展。短翅片結(jié)構(gòu)的換熱器阻力損失大于長翅片結(jié)構(gòu)，但整體分布規(guī)律相同，均會(huì)出現(xiàn)彎管內(nèi)側(cè)壓力低、彎管外側(cè)壓力較大的現(xiàn)象。光管、長翅片和短翅片結(jié)構(gòu)性能對比見表3。

表3 光管、長翅片和短翅片結(jié)構(gòu)性能對比

長翅片阻力損失為366 Pa，短翅片阻力損失為399 Pa。與原始管道相比兩種翅片結(jié)構(gòu)均能一定程度地提高預(yù)熱效果。

2.2 噴流短翅片結(jié)合結(jié)構(gòu)

噴流又稱沖擊射流，是一種保證結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱工參數(shù)基本不變，通過添加噴流結(jié)構(gòu)減薄或破壞邊界層，使得綜合傳熱系數(shù)成倍增加的強(qiáng)化換熱手段[15]。為了進(jìn)一步提高預(yù)熱溫度，在原始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增設(shè)噴流和短翅片結(jié)構(gòu)結(jié)合，如圖4所示。在管道進(jìn)口段增設(shè)噴流結(jié)構(gòu)，噴流孔總面積與進(jìn)口截面積之比約為1∶2，流體由進(jìn)口端進(jìn)入管道后，經(jīng)噴流孔高速噴射道下半圓表面，實(shí)現(xiàn)高效換熱，換熱器其他管段選擇短翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化換熱。

圖4 噴流結(jié)構(gòu)示意

保證邊界環(huán)境及計(jì)算模型相同，模擬噴流式換熱器各物理場。距料面高度500 mm設(shè)為噴流工況1，距料面高度400 mm設(shè)為噴流工況2。根據(jù)模擬得出，噴流結(jié)構(gòu)換熱效果明顯提高，且降低距燒結(jié)料面的高度可提高輻射角系數(shù)，高效強(qiáng)化輻射換熱，進(jìn)而提高換熱。噴流工況1預(yù)熱溫度可提高28.50%，噴流工況2預(yù)熱溫度可提高41.70%。光管、噴流和旋流扇結(jié)構(gòu)性能對比見表4。添加噴流結(jié)構(gòu)會(huì)增大阻力損失，噴流工況1阻力損失為1 366 Pa，噴流工況2阻力損失為1 378 Pa。

表4 光管、噴流和旋流扇結(jié)構(gòu)性能對比

2.3 旋流扇—短翅片結(jié)合結(jié)構(gòu)

管內(nèi)插入物是一種較為廣泛的強(qiáng)化換熱手段，擾流元件作為管內(nèi)插入物中的一種，種類較為繁多，如紐帶、螺旋片、渦發(fā)生器[16-18]等。文章設(shè)計(jì)了旋流扇結(jié)構(gòu)，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)能充分破壞流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)，并使流體在擾流元件之后的一段區(qū)域內(nèi)保持并繼續(xù)發(fā)展。

圖5 旋流扇結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)中前三段管道增設(shè)旋流扇，在最后管段增設(shè)短翅片結(jié)構(gòu)并對管道進(jìn)行下壓處理，在下壓的平板上焊接相同短翅片，仍保持距料面500 mm的高度進(jìn)行模擬，得出模擬跡線圖6。

圖6 跡線

根據(jù)圖6可以看出：添加旋流扇結(jié)構(gòu)下的管道內(nèi)流體在旋流扇之后的很長一段發(fā)展區(qū)域，保持著旋流的發(fā)展?fàn)顟B(tài)沿軸向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中同時(shí)進(jìn)行著充分地徑向混合。這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的流體不斷地與壁面進(jìn)行著碰撞和分離，最大程度地減小邊界層厚度，因此能夠充分地進(jìn)行換熱。經(jīng)過旋流扇葉結(jié)構(gòu)之后的流體仍保持和發(fā)展出旋流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，該流動(dòng)狀態(tài)使得流體在管內(nèi)的邊界層難以連續(xù)發(fā)展，大幅度減小邊界層厚度，因此換熱效果顯著增強(qiáng)。

分析表4可知，同等高度下旋流扇短翅片結(jié)合結(jié)構(gòu)與原始管相比預(yù)熱溫度可提高40.65%，旋流扇與管內(nèi)壁的密焊銜接使得阻力損失較大，阻力損失為1 049 Pa，但其阻力損失低于同等高度下的噴流短翅片結(jié)合結(jié)構(gòu)。經(jīng)對比可知預(yù)熱溫度較噴流短翅片結(jié)合結(jié)構(gòu)可提高12.15個(gè)百分點(diǎn)，因此旋流扇短翅片組合結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

(1)長、短翅片兩種結(jié)構(gòu)的模擬分析得出，短翅片的強(qiáng)化換熱效果優(yōu)于長翅片，短翅片不僅增大了換熱面積，還破壞了邊界層的連續(xù)發(fā)展。長翅片的預(yù)熱溫度提高了15.3%，阻力損失為366 Pa，短翅片的預(yù)熱溫度提高了19.7%，阻力損失為399 Pa。

(2)噴流結(jié)構(gòu)破壞和減薄了流體邊界層，使流體進(jìn)行了高效的強(qiáng)化換熱，距料面高度500 mm的換熱環(huán)境下，噴流短翅片組合結(jié)構(gòu)較光管預(yù)熱溫度可提高28.5%。距料面高度400 mm預(yù)熱溫度可提高41.7%。

(3)旋流扇短翅片結(jié)合結(jié)構(gòu)大幅度減小了邊界層的厚度，且充分混合了冷熱流體，預(yù)熱溫度可提高40.65%，旋流扇短翅片組合結(jié)構(gòu)阻力損失為1 049 Pa，比相同高度下的噴流短翅片組合結(jié)構(gòu)低，可見該結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案。