基于热效率的直洞式火炕烟道构造形式优化设计

2020-04-08师国艳

科学技术与工程 2020年3期

张杰，师国艳

(内蒙古科技大学建筑学院，包头 014010)

随着中国经济的发展，农牧民的生活日益富裕，在居住环境方面，特别是对冬季室内热舒适度方面也有了更高的要求。在内蒙古自治区中西部农村牧区，居住建筑的主要能耗来自冬季供暖能耗，火炕是农牧民普遍使用的供暖设施之一。目前火炕的搭建仍然以民间经验为主，普遍存在室内温度低、供暖能耗大、炕面温度极不均匀、热效率低等问题。中国学者针对火炕的热效率和热工性能进行了多方面实验和研究。王丹等[1]通过数值模拟方法，将炕面板倾斜放置，且增加炕头部材料的厚度，可以有效降低炕头处温度，改善炕面温度不均匀；朱俊亮等[2-3]通过改变火炕炕洞内布置，在炕梢和火墙出口加设后挡烟板，有效降低了烟囱的排烟温度，提高了火炕对烟气热量的利用率；李刚等[4]通过在炕面加入相变材料——石蜡，改善炕面温度分布的均匀性，有效延长了供暖时间并提高了室内温度；张培红等[5]利用数值模拟方法，将吊炕的离地高度增加，可以有效提高炕面的散热量；许景茗等[6]针对火炕热效率低和炕面温度分布不均等问题，提出东北严寒地区村镇住宅火炕低能耗设计原则和设计方法，从而提高火炕的能源利用率；端木琳等[7]和郝亚芬等[8]以流体力学和传热学理论为基础，提出了评价火炕热工性能的5个指标；冯国会等[9]和李刚等[10]提出利用太阳能热水系统加热炕面板，改善炕面温度均匀性，提高火炕热舒适性。在前人研究中，有些是通过改变火炕炕洞布置方式、在出烟口加设挡烟板、在炕面加入相变材料等技术方法改善炕面温度的均匀性；有的是利用太阳能热水系统为火炕供热，提升火炕热工性能。

现利用ANSYS模拟技术(一种高性能流体动力学数值模拟软件)研究炕洞内烟道形式变化对烟气流场分布以及温度分布的影响，进而对直洞式火炕烟道形式进行优化设计，以提升其热效率和热舒适度。

1 现状火炕

通过对内蒙古自治区中西部部分农村牧区居住建筑现状进行调研，调研结果(图1、表1)表明，在内蒙古中西部地区，农牧民使用直洞式火炕较为普遍。根据房间功能布局及炉灶、烟囱位置的不同，直洞式火炕又分为两种类型(图2)：火炕的炉灶和烟囱在炕体的同一侧，记为类型I；火炕的炉灶和烟囱在炕体的对角线上，记为类型II。两种类型火炕其内部构造完全相同，都属直洞式火炕，如图3、图4所示。

2 现状火炕模拟分析

2.1 关于ANSYS软件

ANSYS是一款多用途有限元法计算机设计分析软件，主要包括三部分：①前处理模块，提供了一个强大的实体建模及网格划分工具；②分析计算模块，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；③后处理模块，可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件模拟参数设置包括：参数设定、分网划分、运算求解等。

主要利用ANSYS流体动力学功能分析处理后可直观显示火炕内高温烟气的压力、流率和温度分布的优势，研究直洞式火炕热效率和热舒适度。

2.2 火炕模型的建立及模拟条件设定

内蒙古中西部地区农牧民使用的直洞式火炕均采用砖砌筑。火炕模型的长×宽×高=3 600 mm×2 100 mm×650 mm。80 mm厚炕面板上有60 mm厚炕面抹面泥和10 mm厚饰面层。炕内烟道由砖砌筑，且均匀分布。火炕底部有300 mm厚炉渣混凝土做蓄热垫层。进烟口宽为200 mm、高为150 mm；出烟口的宽为200 mm、高为160 mm，各种材料物理性能如表2所示。模拟分析过程中，将进烟口与出烟口的烟气压强差设为10 Pa左右[11-12]。将室内空气平均温度设为15 ℃；炕体初始温度为15 ℃；烟气入口温度设定为350 ℃；烟气入口流速为3 m/s。为研究直洞火炕不同烟道构造形式对烟气温度分布、流场分布、进出烟口温差的影响规律，假定炉灶燃烧条件、炉灶和烟囱位置、室内外空气压强、空气温度等影响因素不变。

图1 部分调研照片

表1 调研情况汇总

注：HDD18为采暖度日数；内蒙古地区建筑热工分区：以采暖度日数为依据，6 000≤HDD18为严寒A区(1A)，5 000≤HDD18<6 000为严寒B区(1B)，HDD18<5 000为严寒C区(1C)。

图2 直洞式火炕典型户型平面图

图3 类型I火炕示意图

图4 类型II火炕示意图

表2 现状火炕构造材料参数

2.3 网格划分及收敛判断依据

炕体内部的烟道构件基本规则不存在异形，所以ANSYS划分网格时选用平行六面体网格。由于烟气在烟道内流动时会受烟道形式布局影响，从而改变其流动方向。因此在烟气入口、出口及烟道壁面等烟气流速快、流量大的区域对网格进行加密，而在在其他区域划分较粗的网格，不仅能加快计算速度，而且能提升计算精度。

收敛依据是模型流场稳定后，残差曲线应均能达到收敛精度；通过属性(如压力、流量、速度等)来判断是否收敛，如果仿真已经收敛，所模拟属性曲线应为一条波动幅值较小或者是周期性波动的曲线。

2.4 现状火炕模拟结果分析

类型I火炕、类型II火炕的模拟结果如图5、图6所示。由图5(a)、图6(a)可知，炕洞内进烟口处高温烟气聚集，炕中、炕梢处温度过低，排烟温度高，整个炕洞内高温烟气分布范围较小，导致炕面温度极不均匀。类型I火炕出烟口温度约为279 ℃，温度在277～350 ℃的高温烟气面积分布范围约占炕面板面积的20%，温度在204～240 ℃的低温烟气面积分布范围约占炕面板面积的60%。类型II火炕出烟口温度为277 ℃，温度在277～350 ℃的高温烟气面积分布范围约占炕面板面积的40%，温度在204～240 ℃的低温烟气面积分布范围约占炕面板面积的50%。从整体上看，类型I、类型II火炕高温烟气面积分布范围占炕面板面积小；而低温烟气面积分布范围占炕面板面积大，炕面板吸热量少，火炕热效率低。

由图5(b)、图6(b)可知，类型I火炕烟气流速在0.40 m/s以上的分布面积约占炕面板面积的20%；类型II火炕烟气流速在0.40 m/s以上的流场区域面积约占炕面板面积的25%。两种火炕内部烟气流动不均匀且特别混乱，有烟气回流现象，增大了烟气流动阻力，导致烟气流动不顺畅，容易产生旋涡，从而导致换热不充分，火炕热效率低。

图5 类型I火炕模拟图

图6 类型II火炕模拟图

3 直洞式火炕的优化设计

3.1 前引后导优化思路

前引后导：即炕体内喉眼附近不设置支柱，尽量减少阻碍，将高温烟气引向炕的中、后部。流场分布与接触截面阻力有关，所以改变其烟道截面形式，使进入炕内的烟气能够均匀扩散，这样才能使炕面得热均匀，使高温烟气与炕面板充分换热，降低排烟温度，提高火炕热效率。

优化设计中，改进火炕在炕体尺寸、材料、砌筑方法等方面与现状火炕模型相同，只通过改变烟道构造形式来达到提高火炕热效率和热舒适度的目的。

通过对大量改进火炕模拟的对比分析，优选出图7中的两种火炕模型。类型I火炕优化为图7(a)的I(A)型；类型II火炕优化为图7(b)的II(A)型。图7(a)中的I(A)型火炕在进烟口处设置斜向的引烟墙，引导烟气流向炕体中部，使烟气流过更大的区域并充分与炕面板换热，减少出烟口的气流收缩效应，保证烟气扩散至整个炕体内部，使炕面温度更均匀。斜向布置的烟道与烟气接触的位置是楔形，大大减少接触面，同时减小了接触阻力，使烟气可以更顺畅的由入口处流向炕体后部。图7(b)中的II(A)型火炕整个炕洞走烟形式由原来的平行布置改为斜向上布置，整体趋势顺应进出烟口的方向，尽量减小对烟气的阻挡，使烟气的流场分布于更大区域。

图7 改进火炕烟道形式

3.2 I(A)型、II(A)型火炕模拟结果分析

利用ANSYS模拟技术对I(A)型、II(A)型两种火炕进行模拟，结果如图8、图9所示。由图8(a)、图9(a)烟气静态温度等值线可知，高温烟气被大量引向炕中、炕梢，大大改善了流场不均匀的状况。烟气充分扩散，扩大了烟气流场范围，高温烟气与更大炕面板进行充分换热，烟气热量得以充分利用。I(A)型火炕出烟口温度约265 ℃；II(A)型火炕出烟口温度约为248 ℃，相比类型I、类型II火炕，出烟口温度降低15～20 ℃，大幅提升了火炕的热效率。

图8 I(A)型火炕模拟图

图9 II(A)型火炕模拟图

从图8(a)烟气静态温度等值线看出，I(A)型火炕中温度在277～350 ℃的高温烟气面积分布范围约占炕面板面积的70%，相比类型I火炕扩大了50%左右；温度在204～240 ℃的低温烟气面积分布范围约占炕面板面积的15%，相比类型I火炕减少了45%左右。由图9(a)可知，II(A)型火炕中温度在277～350 ℃的高温烟气面积分布范围约占炕面板面积的75%，相比类型II火炕扩大了35%左右；温度在204～240 ℃的低温烟气面积分布范围约占炕面板面积的15%，相比类型II火炕减少了35%左右。说明改进火炕对比现状火炕，炕面板吸热量增加，火炕热效率明显提升。

从图8(b)中看出，烟气流速在0.40 m/s以上的流场区域面积约占炕面板面积的45%，炕体的烟气流场的均匀性明显改善。由图9(b)可知，烟气流速在0.40 m/s以上的面积约占炕面面积的50%，明显改善了烟气流场过于集中的现象，使烟气与炕面板更充分的换热，提高了火炕对高温烟气热利用率。

为进一步研究火炕炕面温度的变化和分布状况，在炕面平均布置9个测点，如图10所示。其瞬时温度和平均温度分布对比，如图11、图12所示。由图11、图12可知， I(A)型火炕、II(A)型火炕在引烟墙、导烟墙的作用下，烟气流场范围扩大，流场均匀性明显改善，高温烟气与炕面板充分换热，出烟口温度降低，热量利用率提升，炕面平均温度提高， I(A)型火炕比类型I火炕平均温度约提升26 ℃、II(A)型火炕比类型II火炕平均温度约提升21 ℃。火炕热效率明显改善，而且改进火炕炕头区温度整体下降，炕梢区温度整体上升，改善了“炕头热、炕梢冷”的弊端。火炕的热工性能对比分析如表3所示。