非均布热管换热器设计及流动模拟

钱 淼 燕 超 肖建章

(1.浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018；2.金华职业技术学院机电工程学院，浙江 金华 321007)

0 引言

我国是印染大国，印染布产能和销售量均居全球首位。但作为印染大国，我们在印染装备及技术中仍存在许多不足，如能耗高、排污大、能产比低、产品质量不稳定等。为促进传统工业转型升级，实现工业可持续发展，国务院将纺织印染行业的节能减排计划与目标明确纳入其中，开展印染相关技术的研究与开发，降低能耗，提高行业竞争力。

热定型机是必不可少的印染装备。通过热定型，可有效改善织物前处理后出现的幅宽不匀，纬纱歪斜等现象，提高织物的机械性能及产品舒适性。然而，目前热定型机在生产中存在高温气体(约170℃)排放，量大温度高，不仅造成了环境污染，还带来了严重的能量浪费。因此，非常有必要进行热定型机的余热回收技术的开发与利用。

换热器可有效实现热定型废气的余热回收，国内外学者以及相关印染公司已经在废气余热回收装置方面开展了不少研究与开发工作。其主要分为管式、板式和热管3种结构。管式换热器在工业上的应用有悠久的历史。内流2种工质，通过管壁进行热量交换[1，2]。2013年，Bari等[3]设计了一个用于汽车尾气回收的管式换热器，通过实验研究表明该管式换热器的热回收效率可达16%。2014年，Mokkapati等[4]设计了一个管式换热器。该换热器管内废气与管外水通过内管外壁换热，内管外壁有螺旋波纹状结构，强化传热。通过实验表明，该结构热效率比传统高67%。板式换热[2]也受到了人们的广泛关注[5，6]。2011年，Kandilli等[7]设计了一个用于纺织行业染色废气热回收的板式换热器，并探索了其最优操作条件。2015年，Roberto等[8]提出了一个用于废气热回收的板式换热器，并对其开展了理论与实验研究。热管换热器在热回收方面有广泛的用途[9]。2013年，Ahmadzadehtalatapeh等[10]将热管换热器应用于空调系统，回收排放废气中多余的热量，提高了设备的使用效率。2015年，Wang等[11]提出了一种新的热管换热器，用于废气热回收，并通过实验研究分析了结构参数对热管热效率的影响规律，结果表明，该设备在热能回收方面具有不错的表现。2017年，Tian等[12]提出了一种新型换热器结构，用于印染热定型热能的回收。为了进一步提高热管换热器的换热性能，本文提出了一种热管管径分布不同的非均布热管换热器结构，并通过数值模拟研究了其内部流场流动情况。

1 非均布热管换热器结构设计

本文设计的非均布热管换热器(图1)。分为下热废气流道和上冷新风流道。高温热定型废气流入下通道，通过热管阵列将热能传递给常温新风。换热器壳体内安装有热管阵列，热管直径随着流体流动方向不断减少，呈非均布分布。

图1 换热器结构示意图

2 热管换热器内部流动特性模拟

2.1 数值建模

本文模拟了非均布热管阵列换热器的内部流场。二维计算区域如图2所示，从上至下每排热管的半径分别为25mm，24mm，23mm，22mm，21mm，20mm，19mm，18mm，17mm和16mm。纵向和横向热管之间的间距均为40mm。

图2 二维计算区域示意图

运用ICEM软件建立二维非均布换热器模型，采用三角形非结构网格，如图3所示。运用CFD数值计算软件Fluent进行二维稳态数值模拟计算，采用标准k-ε湍流模型，二阶迎风格式和SIMPLE算法。在模拟过程中，每个变量的残差设定在0.0001。

图3 三角形非结构网格示意图

2.2 结果及结论

图4为当换热器入口速度v=3 m/s时，热管换热器内部流场的速度分布云图。由图4可看出，流场内部最小速度与最大速度差异较大，且基本呈轴对称分布。速度分布较不均匀，最大值高达11.9m/s，最高位于距入口前两排管的位置，前几排与后几排相差较大。

图4 速度分布云图

湍流强度也为一重要指标。图5为内部湍流强度分布图。由图5可看出，湍流在距出口端较近的几排热管处得以充分发展，在管径较大热管附近出现最高值，达212%，整个换热器内部平均湍流强度为68.9%。

图5 湍流强度分布云图

3 结语

本文在分析了热管换热器结构设计现状的基础上，设计了一种非均布热管换热器结构新思路，并采用计算流体力学软件ANSYS FLUENT对其内部流场进行了数值模拟，得到了相应的速度场和湍流强度分布情况，为进一步设计与优化热管换热器结构提供了理论指导。