烟气余热回收管壳式换热器换热特性研究

2021-01-21施志钢栾翔琪景登岩李萍刘福强王培

建筑热能通风空调 2020年12期

施志钢栾翔琪景登岩李萍刘福强王培

青岛理工大学环境与市政工程学院

0 引言

国内众多学者针对烟气余热的冷凝回收进行了深入的研究。曹明凯[1]针对喷淋式烟气冷凝余热回收技术进行研究，设计并搭建了喷淋式烟气冷凝余热回收换热器实验台，通过实验、模拟对换热器进行了优化。李鹏敏[2]等对螺旋管烟气-水换热器进行了模拟分析。孙星星[3]对气-液式热管进行了深入研究，设计热管换热器并对其性能进行了理论分析。

本文提出热泵型烟气余热回收系统，该系统的关键是换热器，以上几位学者研究了用直接接触式换热器、螺旋管换热器以及热管换热器，所以本文针对管壳式烟气-水换热器进行研究，研究循环水的流速度、换热器结构对换热效果的影响。

1 数值模拟

1.1 物理模型的建立与网格划分

管壳式换热器换热管的尺寸为Φ25×2，共12 根，管长0.62 m，管间距32 mm，呈三角形排列，壳内径140 mm，折流板高度105 mm，厚度为6 mm，用Gambit 进行建模，对模型进行简化，Gambit 建好模型之后导入ICEM-CFD 中进行网格划分，采用非结构网格，并且对换热管处的的网格进行加密，换热器网格模型如图1 所示：

图1 管壳式换热器网格模型

1.2 边界条件设置

划分好网格后导入Fluent，采用三维定常N-S 方程，打开能量方程，湍流方程选用标准K-ε 模型，打开相变模型，采用Multiphase 中的mixture 模型进行计算，本文中烟气成分通过实验测试得到，测试得到水蒸气的体积分数为0.15、氮气的体积分数为0.72，二氧化碳的体积分数为0.075，氧气的体积分数为0.055，并可在Fluent 中进行设置，选用蒸发冷凝模型，设置冷凝温度[4-6]。

由于管壳式换热器结构较为复杂，在对结算结果影响不大的前提下，在计算时可不考虑折流板与换热管以及壳体的壁厚。入口边界均设置为速度入口，出口边界均设置为压力出口，高温烟气进口温度设置为373 K，烟气与管壁换热界面设置interface 边界，创建流固耦合面，换热器壳程壁面设置为绝热无滑移壁面，采用SIMPLE 算法对压力和速度进行耦合，能量方程和动量方程则采用二阶迎风差分格式，并将能量方程的亚松弛因子设置为0.8。当各方向的速度、k 值、ε等参数误差小于10-4，能量方程误差小于10-6时，认为计算收敛，初始化后开始模拟计算。

2 模拟结果与分析

本文主要针对折流板间距和水流速度对换热效果的影响进行研究，模拟折流板间距对换热的影响时，烟气温度均设置为373 K，水温均为283 K，烟气流速1 m/s，水流速度1 m/s。研究水流速度对换热结果的影响时，烟气速度设置为1 m/s，根据模拟结果，总结出各工况下的烟气出口温度、水出口温度如表1 所示：

表1 不同工况下的模拟结果

根据表1 数据可以分别绘制出折流板间距，水流速度与烟气出口温度，传热系数以及冷凝水质量的关系如图2 图5 所示：

图2 折流板数量与烟气出口温度的关系图

图3 折流板间距与水出口温度的关系图

图4 折流板间距与传热系数的关系图

图5 折流板间距与冷凝水质量的关系图

从以图2、图3 可以看出，折流板间距一定时，随着水流速度的增大，烟气的出口温度降低，水出口温度增大。水流速度一定时，烟气出口温度随着折流板间距的增大而升高，水出口温度随着折流板间距的增大而降低。这说明减小折流板间距更加有利于降低烟气的温度，同时，适当增大水流速度更加有利于换热。从图4、图5 可以看出，折流板间距一定时，传热系数随着水流速度增大而增大，冷凝水的质量也随着水流速度的增大而增大，并且还可以发现：折流板的间距由202 mm 减小至124 mm 时，传热系数的变化很大，而折流板间距由124 mm 减小至84 mm 时，传热系数虽然也随之增大，但是变化不如折流板间距由202 mm 减小至124 mm 的大，此可以看出，折流板数量增大至某一数值，对换热的影响将会减小。水流速度一定时，随着折流板间距的增大，传热系数也随之减小，并且冷凝水的质量也随之减少。

水流速度均为2 m/s 时，不同折流板间距下的速度分布云图如6 所示：

图6 速度分布云图

由图6 可以看出，折流板附近的速度变化最大，流体运动至折流板附近时速度均增大，折流板间距为202 mm 和124 mm 时，流体无法到达的区域较大，即传热死区，而折流板间距为84 mm 和50 mm 时，流体无法到达的区域很小，这大大提高了传热效率，因此折流板具有强化传热的作用，因此折流板间距对换热有着极大的影响。