朱永隆, 王 海*

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.先進(jìn)數(shù)控和伺服驅(qū)動安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241000；3.特種顯示與成像技術(shù)安徽省技術(shù)創(chuàng)新中心，安徽 蕪湖 241000)

長期以來我國北方地區(qū)冬季供熱以燃煤為主,供熱季消耗大量的化石能源,化石能源的消耗也伴隨著環(huán)境污染問題,迫切需要水電等清潔能源替代或緩解[1]。小型生物質(zhì)鍋爐可以改變傳統(tǒng)供熱方式單一的現(xiàn)狀。而生物質(zhì)成型燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣中,受到內(nèi)部換熱結(jié)構(gòu)的影響,熱氣煙霧夾帶著火星,造成煙氣處排放溫度較高。因換熱系統(tǒng)是提高小型生物質(zhì)鍋爐效率的關(guān)鍵部件,所以對它進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計[2]。

換熱器作為一種重要的換熱設(shè)備[3],它利用將熱量從一種介質(zhì)傳遞給另一種介質(zhì),螺旋管換熱器因其結(jié)構(gòu)簡單,加工成本低廉,換熱效率好,廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活。螺旋管換熱器相對于傳統(tǒng)管殼式換熱器具有流阻小、傳熱死區(qū)較少、不易結(jié)垢等優(yōu)勢[4]。螺旋管式換熱器由于其特殊的幾何結(jié)構(gòu),使得在水冷換熱過程中冷流體在管內(nèi)受到離心力作用產(chǎn)生二次環(huán)流而強(qiáng)化換熱,因此在小型取暖裝置換熱方面得到廣泛應(yīng)用[5]。

在余熱回收利用研究方面,戚美等[6]設(shè)計了一種嵌套在殼體外部的螺旋管換熱器,分別對螺旋管的不同直徑以及不同的入口流速進(jìn)行分析,通過數(shù)值模擬分析得出,管徑100 mm的換熱管的管內(nèi)氣體溫升比管徑80 mm的換熱管平均降低了約2 ℃。黃云云等[7]對于不同截面形狀螺旋管流動與傳熱進(jìn)行研究,通過數(shù)值模擬分析得出,不同截面形狀的螺旋管內(nèi)均產(chǎn)生二次流,二次流影響場協(xié)同性能,進(jìn)而影響其傳熱性能。圓形截面螺旋管綜合傳熱性能最佳,橢圓形和矩形截面的螺旋管綜合傳熱性能次之。岳清雯等[8]對于水平螺旋管式換熱器的流熱耦合傳熱特性研究,發(fā)現(xiàn)水平螺旋管流體受曲率的影響產(chǎn)生離心力,形成有別于直管流動換熱的二次流,會增強(qiáng)換熱器的傳熱效率。徐啟等[9]對于異形截面螺旋纏繞管換熱進(jìn)行研究,結(jié)果表明,與圓管相比,水滴形與三葉形螺旋纏繞管管內(nèi)溫差較小,流體擾動較強(qiáng)利于換熱,三葉管使壁面流體的對流換熱得到顯著強(qiáng)化,三葉管出口溫度高于水滴形和圓形纏繞管,具有較高的傳熱性能,但壓降高于其它兩種管形。

上述對螺旋管換熱器的研究主要集中在于改變螺旋管的截面形狀、管徑大小以及進(jìn)出口的邊界條件[10-11]。但是,基于實驗或數(shù)值模擬方法研究其螺旋管等工藝參數(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對換熱性能的影響較少[12]。本研究中的螺旋管換熱器以其空腔內(nèi)封閉的螺旋管束壁面作為傳熱面來進(jìn)行熱量的傳遞,從而降低其排氣管口的溫度,使其熱氣盡可能長時間的在取暖裝置內(nèi)停留,以達(dá)到余熱回收的效果。通過對換熱器本體和螺旋換熱管進(jìn)行有限元分析,利用FLUENT中所提供的參數(shù)建模環(huán)境,對其換熱管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,從而達(dá)到最優(yōu)余熱回收效果,提高其取暖裝置內(nèi)的熱利用效率。

1 小型生物質(zhì)取暖鍋爐換熱系統(tǒng)

小型生物質(zhì)鍋爐取暖系統(tǒng)由送料裝置、爐膛(固相燃燒室)、氣相燃燒室以及換熱管道等組成，具體如圖1所示。固相燃燒室由等離子體助燃設(shè)備對由送料裝置碾碎的生物質(zhì)粉末進(jìn)行點燃熱解,氣相燃燒室通過進(jìn)氣管口上安裝的氣流調(diào)節(jié)閥對其氣流流速進(jìn)行調(diào)節(jié),熱氣流經(jīng)過螺旋管換熱器換熱后流經(jīng)暖氣片。本研究針對氣相燃燒室內(nèi)的熱氣流換熱進(jìn)行分析。

圖1 小型生物質(zhì)取暖鍋爐換熱系統(tǒng)

1.1 工作原理

將生物質(zhì)燃料投放于送料裝置中,通過送料裝置內(nèi)部的輥子將其碾壓成粉末后落入爐膛內(nèi),此時利用等離子體助燃設(shè)備將生物質(zhì)粉末熱解后進(jìn)行燃燒,生物質(zhì)灰渣經(jīng)過過濾網(wǎng)落入收集裝置。燃燒后的熱氣流沿著爐膛內(nèi)壁向上運動,經(jīng)過氣流調(diào)節(jié)閥對于熱氣流的流速進(jìn)行控制。熱氣流沿著切向進(jìn)氣口進(jìn)入取暖裝置的空腔內(nèi),熱氣流在進(jìn)入空腔前沿著圓管內(nèi)的直線運動經(jīng)空腔內(nèi)撞擊空腔內(nèi)壁改為旋轉(zhuǎn)運動,并以螺旋的路徑沿著空腔內(nèi)壁向下運動,經(jīng)冷流體流過螺旋管逆流換熱后,熱氣流在以螺旋路徑上升后從排氣管口排出,換熱后的水流輸送至室內(nèi)的暖氣片。設(shè)計螺旋管換熱器的目的在于,延長熱氣流在氣相燃燒室內(nèi)的停留時間,降低排氣損失,以達(dá)到余熱回收的效果。

1.2 結(jié)構(gòu)模型

小型生物質(zhì)取暖鍋爐的氣相燃燒室結(jié)構(gòu)模型如圖2所示,其中頂部開設(shè)排氣管,側(cè)壁開設(shè)進(jìn)氣管,在錐形側(cè)壁內(nèi)裝上螺旋結(jié)構(gòu)的換熱管,為提高換熱效率,采用水冷逆流換熱方式,換熱管下端設(shè)置進(jìn)水口,上端為出水口。為研究螺旋換熱管內(nèi)部流動情況,表1列出本文所研究的兩種螺旋換熱管的尺寸參數(shù),圖2為安裝有兩種換熱管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 氣相燃燒室結(jié)構(gòu)模型

小型生物質(zhì)取暖鍋爐的主要幾何尺寸:圓柱筒體直徑D2為200 mm,排氣管口直徑D1為25 mm,排氣管長200 mm,排氣管插入深度為160 mm,進(jìn)氣管口直徑D3為30 mm,進(jìn)氣管長度為200 mm,錐形筒體底部直徑D4為86 mm,圓柱筒體高度H1為240 mm,錐形筒體高度H2為450 mm,錐形筒體的錐度為14.44°。

圖3 兩種不同結(jié)構(gòu)的螺旋管結(jié)構(gòu)圖

表1 螺旋換熱管參數(shù)

2 換熱系統(tǒng)數(shù)值建模

對于氣相燃燒室產(chǎn)生的熱氣流,利用內(nèi)部的換熱管進(jìn)行水冷換熱輸送至暖氣片,本研究對氣相燃燒室進(jìn)行數(shù)值建模仿真分析,研究其排氣管口的熱氣流溫度變化以及換熱管進(jìn)出口溫差的變化,使其排氣管口的溫度降低,熱氣流盡可能長時間在氣相燃燒室內(nèi)部停留,達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果。

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

氣相燃燒室的內(nèi)部流場是具有強(qiáng)漩流的湍流場,故采用Realizable k-ε模型,因為該模型在湍流耗散率運輸方程比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型多添加一個有效低雷諾數(shù)流動黏度解析公式,使其在低流速區(qū)域有較好的準(zhǔn)確性,近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。為了保證計算的精度,收斂條件為動量方程的殘差小于1.0×10-6。整個流動傳熱過程都遵循一定的規(guī)律,可以利用流體力學(xué)、質(zhì)量守恒、動量守恒的基本控制方程來描述。

計算區(qū)域內(nèi)流體流動與換熱的控制方程如下:

(1) 連續(xù)性方程:

(1)

其中ux,uy,uz為液體流動的速度分量,單位m/s。

(2) 動量方程:

(2)

其中,ui為流體在i方向的速度分量,單位m/s;xi為所選坐標(biāo),單位m;v為運動黏度,單位m2/s。

(3) 能量方程:

(3)

其中,a為擴(kuò)散率。

2.2 幾何模型的邊界定義

考慮其收斂準(zhǔn)確性,對于熱空氣域、水域邊界均采用為速度進(jìn)口,壓力出口。定義熱氣流的入口速度為5 m/s,入口溫度為568.15 K,壁面設(shè)置為無滑移邊界條件,熱傳導(dǎo)方式采用熱耦合。螺旋換熱管均采用水冷逆流換熱,水冷入口速度為0.05 m/s,入口溫度為268.15 K。換熱管壁面采用對流換熱,換熱系數(shù)為23 W/(m2·k),材料選用導(dǎo)熱性能較好的銅材質(zhì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣相燃燒室出口溫度

圖4為兩種螺旋管換熱器排氣管口溫度場云圖。通過對比兩種螺旋管換熱器氣相燃燒室排氣管口截面溫度后發(fā)現(xiàn),其中沿錐度擴(kuò)張的螺旋管換熱器排氣管口溫度較低,溫度集中于420 K。由于沿錐度擴(kuò)張的螺旋管換熱器是階梯式結(jié)構(gòu),熱氣流運動路徑與其換熱管壁面充分的接觸,綜合換熱效果較好,降低氣相燃燒室排氣損失,一定程度上提高了的余熱收集的效果。

圖4 兩種螺旋管換熱器排氣管口的溫度場云圖

3.2 X-Y平面的溫度場分布

圖5給出了所模擬的空腔內(nèi)部X-Y截面處的溫度云圖,可以看出普通螺旋管換熱器在靠近進(jìn)氣口的近壁端有著明顯的溫度梯度,整體溫度分布較為均勻,而安裝有沿錐度擴(kuò)張的螺旋管換熱器,空腔內(nèi)部溫度梯度明顯,出現(xiàn)了局部高溫,排氣管道的溫度較普通螺旋管換熱器要低,熱氣流體在X-Y截面內(nèi)溫度擾動大,且空腔內(nèi)熱流體出現(xiàn)了明顯的分層,增強(qiáng)了內(nèi)部換熱管與熱氣流的對流換熱?？傮w來說,沿錐度擴(kuò)張的螺旋管換熱器余熱回收的效果要優(yōu)于普通等螺距螺旋管換熱器。

圖5 X-Y截面溫度場云圖

3.3 Z-X平面的溫度場分布

圖6為氣相燃燒室Z-X截面處溫度場云圖,通過對比安裝兩種螺旋管換熱器后進(jìn)氣管口截面溫度分布情況后發(fā)現(xiàn),安裝沿錐度擴(kuò)張的螺旋管換熱器后截面溫度梯度分布有明顯分層,而安裝普通螺旋管換熱器后截面溫度梯度分布較為均勻。同時也驗證熱氣流進(jìn)入氣相燃燒室的運動路徑。

圖6 Z-X截面溫度場云圖

3.4 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)前面所仿真得出沿錐度擴(kuò)張的螺旋管換熱器換熱效果較好,對其熱氣進(jìn)口參數(shù)中的進(jìn)口速度進(jìn)行優(yōu)化,熱氣流速參數(shù)如表2所示。

表2 熱氣流速參數(shù)

3.5 不同熱氣流速下氣相燃燒室出口溫度分析

不同流速下氣象燃燒室出口截面溫度分布情況如圖7所示,可以定性的分析出流速在5 m/s排氣管口的溫度低,最高溫度集中于420 K,且流速在5 m/s時刻溫度分層明顯,有利于對流換熱。

流動均勻性是流體傳熱領(lǐng)域中重要的衡量指標(biāo),為便于直接采用模擬結(jié)果進(jìn)行均勻性分析,避免因采集局部點溫度對其評價的影響。同時為了定量分析截面上不同流速下溫度分布本文采用基于面積加權(quán)平均溫度Tm來作為傳熱均勻性的評價指標(biāo)。

面積加權(quán)平均溫度:

(4)

其中,Aj和A分別表示第j個單元面的面積和總表面面積,Ti表示第j個單元面上的溫度,n為總單元面數(shù)。利用FLUENT軟件自帶的表面積分工具,對氣相燃燒室排氣管口截面進(jìn)行表面積分計算,具體出口截面面積加權(quán)平均溫度如下表3所示。

表3 不同熱氣流速下出口截面面積加權(quán)平均溫度

從圖8可見,熱氣流速在3～4 m/s時面積加權(quán)平均溫度在增加,熱氣流速在4～5 m/s時面積加權(quán)平均溫度出現(xiàn)了明顯降低,熱氣流速從5～10 m/s,面積加權(quán)平均溫度有所回升,熱氣流速在5 m/s時的排氣損失最低,實現(xiàn)強(qiáng)化換熱。而其他熱氣流速下,排氣損失嚴(yán)重。原因在于熱氣流速過大時熱氣流還未與換熱管進(jìn)行熱量傳遞就從排氣管口逃逸。

圖8 熱氣流速與出口截面面積加權(quán)平均溫度的關(guān)系

3.6 換熱量分析

換熱量分析是衡量換熱性能的優(yōu)劣的重要參數(shù)[13],而溫度均勻性是流體傳熱領(lǐng)域中重要的衡量指標(biāo)。為定量分析換熱管出口截面在不同流速下的溫度分布,同樣采用基于面積加權(quán)溫度Tm來作為傳熱均勻性的評價指標(biāo)。圖9為不同流速下?lián)Q熱管出口截面溫度云圖?？梢远ㄐ缘胤治龀鰺釟饬魉? m/s時,出水管口溫度均勻,實現(xiàn)了強(qiáng)化換熱。其他工況下管口截面溫度有明顯的分層。

圖9 不同熱氣流速下?lián)Q熱管出口截面溫度場云圖

生物質(zhì)燃料以玉米秸稈以及木屑為主,經(jīng)過等離子體點燃熱解后會產(chǎn)生熱量,根據(jù)傳熱方程式如下:

Q=CmΔT

(5)

式中，m代表流體的質(zhì)量,單位kg;C代表比熱容,單位kg/°C;ΔT代表溫度差,單位°C。

m=ρ·V

(6)

其中ρ為水的密度,單位kg/m3;V為體積,單位m3。

流體在流動過程中其流量公式:

QL=3 600·S·v

(7)

其中QL為1 h流經(jīng)換熱管的流量,S為換熱管的橫截面積,單位m2;v為流速,單位m/s。

采用仿真分析預(yù)測其模型結(jié)果[14],得到的換熱管出口截面面積加權(quán)平均溫度作為其出口溫度的衡量指標(biāo),通過上述公式計算,得到不同熱氣流速下的溫差以及換熱量具體如表4所示。

表4 不同流速下?lián)Q熱管溫度參數(shù)

換熱管進(jìn)出口溫差是影響換熱量的重要因素。由圖10可知,當(dāng)熱氣流速為5 m/s時,換熱管進(jìn)出口溫差是最高的,此時的換熱量也是最大的。對比排氣管口溫度相比較于其他流速工況下排氣損失最小。通過計算分析可知安裝有沿錐度擴(kuò)張的螺旋管換熱器經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化在熱氣流以5 m/s的速度進(jìn)入氣相燃燒室產(chǎn)生的換熱量最高可以達(dá)到25 392.97 kJ。

圖10 不同熱氣流速下?lián)Q熱管溫差對比

由表5兩種螺旋換熱管進(jìn)出口溫度對比,可知沿錐度擴(kuò)張的螺旋管換熱器溫差較高即換熱量也是最高的,比普通螺旋管換熱器提高近53.29%。

表5 不同結(jié)構(gòu)溫差對比

4 結(jié)論

利用FLUENT軟件對小型生物質(zhì)鍋爐氣相燃燒室進(jìn)行仿真分析,得到如下結(jié)論:

通過研究不同結(jié)構(gòu)的螺旋管流道內(nèi)流體流動和傳熱特性,得出在相同螺旋圈數(shù)以及相同工況條件下沿錐度擴(kuò)張結(jié)構(gòu)的螺旋管換熱器由于其階梯式結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)強(qiáng)化換熱,綜合傳熱性能較好,換熱量比普通螺旋管換熱器提高53.29%。熱氣流的進(jìn)口速度對于螺旋管換熱器對于換熱效果也有一定的影響,隨著熱氣流入口速度的增加,增強(qiáng)了取暖裝置氣流的湍流程度,提高了傳熱速率。在以5 m/s熱氣流速下,其換熱量達(dá)到最大。