烟气余热回收翅片管换热器的换热性能分析

杨毅成，马卫国，卢雷，陈婷 (长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

目前，在我国的工业锅炉中绝大部分是中小型锅炉，这种工业锅炉的排烟温度较高，排烟热损失大[1]。为了减少排烟热损失，降低排烟温度，一般是在锅炉尾部增加余热回收系统。余热回收系统的核心部件为换热器。翅片管换热器为换热设备中较常见的一种，广泛应用在一侧或两侧需要强化换热的情况[2]。相比于无翅片管，翅片管换热器不仅能增加换热面积，还能促进烟气的湍流流动，增加传热效率，而且在相同热负荷换热时翅片管式换热器所用管数要少[2]。

近年来，对于翅片管换热器的研究主要集中于优化设计、提高换热器的传热效率，更多关注于增大传热面积或者增大传热系数，即强化传热作用。对于提高翅片管换热器传热效率的方法，许多研究者做过深入的分析。李长生等[3]通过实验的方法对平片高翅片管和波纹高翅片管进行研究，拟合出了努塞尔数和雷诺数、阻力系数和雷诺数的准则关系式，得出了在相同流速下的计算值与实验值的平均偏差。刘建勇等[4]通过数值模拟分析了不同翅片间距的新型纵流一体式翅片管管外流道的速度场、温度场和压力场，得到传热系数与压降的变化规律。A.Lemouedda、M.Breuer等[5]基于CFD分析法、遗传算法和响应面分析法对整体式翅片管换热器三角翼导流板的角度进行优化。R.Karabacak、G.Yakar等[6]用实验的方法研究了在强制对流条件下开孔的圆形翅片和未开孔的圆形翅片的传热和压力损失。

上述对翅片管换热器的研究主要集中在结构形式的改变对换热性能的影响上，如增加导流板、在翅片上开孔等。但是，基于实验或数值模拟方法研究换热器翅片间距、翅片厚度等结构参数和气流量等工艺参数对换热性能的影响及其结构设计的较少。下面，笔者基于Fluent软件对烟气余热回收装置的翅片管换热器内部流场进行分析，并将仿真结果与文献[1]实验结果进行对比分析，验证了仿真计算的可行性。在此基础上，研究了翅片厚度、翅片间距以及烟气入口速度对换热器的换热性能的影响，旨在为优化翅片管换热器提供理论参考。

1 计算变量的定义

在下述数值模拟仿真过程中，为了对数据进行统一对比分析，需对计算变量进行简单介绍[7]：

1)雷诺数Re。雷诺数Re是表征流体流动状态的一个无量纲参量，反映的是流体的稳定状态，其计算式如下：

(1)

式中，ρ为烟气密度，kg/m3；U为烟气速度,m/s；D为管外径,mm；v为动力黏度,Pa·s。

2)烟气侧对流换热系数h。烟气侧对流换热系数h是表征换热器换热强度的物理量，其计算式如下：

(2)

式中，h为烟气侧对流换热系数,W/(m2·K)；Q为流过换热面的总换热量,W；A总换热面积,m2；ΔT为烟气与翅片表面温差,K。

3)努塞尔数Nu。努塞尔数Nu是表征换热器对流换热强弱的一个无量纲物理量，其计算式如下：

(3)

式中，L为特征长度,m；λ为烟气导热系数,W/(m·K)。

4)摩擦系数f。摩擦系数f是表征流体流动阻力和能量损失的物理量，计算中取摩擦系数来表征换热器的压力损失，其计算式如下：

(4)

式中，Δp为进出口总压降,Pa。

2 Fluent仿真

2.1 物理模型

翅片管换热器结构如图1所示，翅片管采用错排布置，横排为8排，纵列为4列。换热器换热原理如下：热烟气由换热器上部进入，流经翅片管间隙时，热烟气与翅片及管壁发生热交换，将热量传递给翅片和管壁；冷却水由换热器底部直管入口进入，在管内流动时与翅片及管壁进行热交换；热交换过程中，流过换热器的烟气的温度不断降低，冷却后的烟气由换热器底部排出，冷却水的温度不断升高，由换热器顶部直管出口排出，实现余热回收。翅片管横向间距L1=78mm，纵向间距L2=79mm，翅片间距L3=6mm，翅片厚度d=1mm，翅片管直管外径D1=38mm，翅片外径D2=63mm。由于翅片管的排列具有周期性和对称性，因此取3横排翅片管和1个翅片管间距中的气流通道为研究对象，见图2中虚线框所示。

图1 翅片管换热器结构示意图 图2 计算区域示意图

2.2 边界条件

图3 边界条件示意图

图4 网格局部放大图

对简化的翅片管换热器进行数值模拟时做出以下假设[2,8]：烟气在换热器流道内壁面处无滑移；烟气物性参数为常数；烟气流动为三维稳态流动；烟气入口截面处烟气的速度、温度均匀分布；忽略翅片和管外壁的接触热阻，翅片根部温度和管外壁面温度相同；忽略管壁导热，取管外壁面温度为管内流体温度；翅片的导热系数为常数，且忽略自然对流和辐射对换热的影响。

烟气入口设置为速度入口边界条件[1]，入口速度为0.645m/s，烟气入口温度设置为189.6℃；由于文献[1]实验环境为大气常压状态，烟气出口设置为自由压力出口；管外壁面温度设置为冷却水进口温度的平均值(18.2℃)；设置翅片表面为无滑移边界；设置流道上下表面及两侧面为对称边界，热流量为0。计算区域边界条件如图3所示。

2.3 数值计算方法

数值计算区域的建模过程中，为了防止回流等现象对计算结果造成影响，对翅片管换热器的进出口部分进行适当的延长，入口部分延长1.2倍翅片外径，出口部分延长3.6倍翅片外径。在Meshing中对模型进行网格划分，翅片部分采用结构化网格，网格为六面体，流道部分采用非结构化网格，网格为四面体，对翅片及翅片附近流道网格进行加密处理，如图4所示。

计算模型采用标准k-ε模型；压力-速度耦合采用SIMPLE算法，由于二阶迎风差分格式比一阶迎风差分格式所产生的离散误差小，所以动量方程、能量方程以及湍流方程的离散化均采用二阶迎风差分格式；迭代收敛准则采用Fluent选用的标定残差来控制方程的收敛精度，连续性方程和动量方程的相对残差小于10-3，能量方程的相对残差小于10-6。模拟设置中的烟气与翅片管物性参数如表1所示，翅片管换热器具体参数如表2所示。

表1 物性参数表

表2 翅片管换热器具体参数表

翅片厚度、翅片间距、烟气入口速度等参数是影响换热器性能的主要因素，研究不同参数对换热性能的影响，得出换热器的合理结构和烟气流动参数。具体分析步骤如下：①改变翅片厚度，其变化范围为0.6～1.4mm，步长为0.2mm，共5组，其余参数保持不变；②改变翅片间距，其变化范围为4～8mm，步长为1mm，共5组，其余参数保持不变；③改变烟气入口速度，其变化范围为0.245～1.045m/s，步长为0.2m/s，共5组，其余参数保持不变。

2.4 计算结果

按照所选的模型与参数，采用Fluent软件进行模拟计算，图5为烟气入口速度为0.645m/s、翅片间距6mm、翅片厚度1mm情况下计算得到的流道中心截面的压力、速度、温度云图。为了验证模拟仿真的正确性与可行性，将计算结果与文献[1]实验值进行对比，如图6所示。

图5 流道中心截面的压力、速度、温度云图

如图5(a)所示，由于翅片厚度较小(1mm)，在流动方向上对烟气流动的影响较小，此时烟气流动的压力损失主要是翅片壁面对流体的粘性阻力损失，所以在流动方向上压力变化较为有限。如图5(b)所示，烟气在入口处的速度分布较为均匀，由于烟气入口速度较小(0.645m/s)，翅片管为错排布置，烟气在流动过程中由于相邻横排翅片的扰动而流向翅片的背风处，在翅片背风处，烟气的流动速度增大。流道中心截面的温度云图如图5(c)所示，可以看出，烟气在入口处的温度较高且分布均匀，随着烟气的流动，其温度迅速降低，烟气在出口处温度分布较为均匀。

如图6所示，计算的出口温度与文献[1]实验的出口温度相对误差为9%，模拟值与实验值符合良好，说明模拟仿真有较好的可行性。

图7为烟气流动方向的等距截面间的温差与换热量变化图。由图7可知，在烟气流动过程中，换热量与温度梯度成正比关系，在换热器的前半段，烟气换热量大，温差大，在换热器的后半段，烟气换热量小，温差小。

图6 计算温度与文献[1]实验值对比图 图7 温差与换热量随流动距离变化图

3 换热性能影响分析

3.1 翅片厚度对换热的影响

为了分析翅片管换热器翅片厚度对换热性能的影响，在其他结构参数和工艺参数不变的情况下，分别设置不同的翅片厚度，计算影响换热性能的主要指标的变化规律及换热器内温度的分布。

图8为不同翅片厚度时计算数据的对比图。由图8(a)可知，烟气在流动过程中，其温度降低幅度由大到小变化，在换热器的后半段，烟气温度逐渐趋于稳定；由图8(b)可知，随着翅片厚度的增加，努塞尔数与雷诺数均呈增大趋势，Nu的增大表征着翅片管换热器的对流换热量增大，即换热器的换热能力随翅片厚度的增加而得到增强。由图8(c)可知，随着翅片厚度的增加，摩擦系数呈减小趋势，摩擦系数的减小表征着翅片管换热器压力损失降低。综合考虑换热能力及压力损失，增加翅片厚度能够一定程度的改善换热器的性能。

图8 不同翅片厚度的数据对比图

3.2 翅片间距对换热的影响

为了分析翅片管换热器翅片间距对换热性能的影响，在其他结构参数和工艺参数不变的情况下，分别设置不同的翅片间距，计算影响换热性能的主要指标的变化规律及换热器内温度的分布，结果如图9所示。

从图9可知，努塞尔数和雷诺数随着翅片间距的增加而减小，摩擦系数随着翅片间距的增加而增大，减小翅片间距能够提高换热器的换热能力并降低换热器的压力损失。

3.3 烟气入口速度对换热的影响

为了分析烟气流动速度对换热性能的影响，在其他结构参数不变的情况下，分别设置不同的烟气流动速度，计算影响换热性能的主要指标的变化规律及换热器内温度的分布， 结果如图10所示。

从图10可知，努塞尔数和雷诺数随着烟气入口速度的增大而增大，摩擦系数随着烟气入口速度的增大而减小，增大烟气的入口速度在一定程度上可以提高换热器的换热能力，同时降低换热器的压力损失。烟气入口速度0.845m/s的模型对流换热能力最强，换热效果好。

图9 不同翅片间距的数据对比图

图10 不同烟气入口速度的数据对比图

4 结论

1)模拟结果与文献[1]实验值的相对误差为9%，误差产生的原因主要是由于模拟过程中忽略了辐射传热的作用及自然对流的影响，并且对物理模型与边界条件的设定进行了一定的简化。模拟仿真结果与实验值符合良好，具有一定的可行性。

2)烟气在流经换热器的过程中，温差逐渐变小，在换热器前半段，烟气与翅片的温差大，换热量大，烟气温度急剧降低；在换热器后半段，温差变小，温度逐渐趋于稳定。

3)增大翅片厚度和减小翅片间距都能改善换热器的换热性能，并降低换热器内烟气流动的压力损失；增加烟气入口速度可以改善烟气的流动状态，强化换热作用，提高换热器的换热能力，同时也可以降低换热器的压力损失。采用Fluent软件流场模拟方法可以优化换热器的结构参数和工艺参数。

[1]李聪辉.集束相变换热器管内沸腾传热性能实验研究[D].重庆：重庆大学,2015.

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[3]李长生,马虎根,陈文奎,等.高翅片管传热及阻力特性实验研究[J].上海理工大学学报,2007,29(5):507～510.

[4]刘建勇,李静.翅片间距对新型翅片管换热性能影响的数值模拟[J].冶金能源,2009,28(6):23～26.

[5]Lemouedda A,Breuer M,Franz E. Optimization of the angle of attack of delta-winglet vortex generators in a plate-fin-and-tube heat exchanger[J].International Journalof Heat and Mass Transfer, 2010(53):5386～5399.

[6]Karabacak R,Yakar G. Forced convection heat transfer and pressure drop for a horizontal cylinder with vertically attached imperforate and perforated circular fins[J]. Energy Conversion and Management, 2011(52):2785～2793.

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[8] 秦萌,武振华.穿椭圆孔波纹翅片管换热器数值模拟[J].洁净与空调技术,2015(1):27～31.