生物質熱風爐換熱器傳熱數值模擬及優化

 
　　生物質熱風爐作為一種節能、環保的加熱取暖裝置，已經得到越來越多的應用，可以在冬天用作取暖設備，也可以為糧食作物等烘干提供熱源，還可以為溫室大棚保溫等。生物質熱風爐主要包括鼓風機、燃燒裝置、換熱器等，其中換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的裝置，生物質熱風爐的經濟性、可靠性及使用性很大程度上受到換熱器結構的影響。
　　由于換熱器結構的復雜性，影響換熱效率的因素眾多，若僅僅依靠試驗來優化換熱器的結構以最大限度地提高其換熱效率，那將是一個及其繁瑣且冗長的過程。隨著計算機技術的發展和計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)知識的不斷完善，CFD軟件的計算速度、穩定性、精確性已經達到了可以信賴的程度。因此，對某生物質熱風爐進行CFD分析，得出內部氣流的溫度場、速度場，然后對其進行評價、優化以提高換熱效率，最后通過試驗驗證結構的合理性。
 
01
 
仿真模型
 
　　1.1物理模型的建立
　　該熱風爐的換熱器為間壁式換熱器，溫度不同的兩種流體在被非隔熱壁面分開的空間中流動，通過壁面傳熱和流體在導熱壁表面對流，實現兩種流體之間的換熱。換熱器一般有管殼式和套管式兩類，這里模擬的是管殼式換熱器。
　　物理模型是進行后續模擬的實體基礎，合理的物理模型能夠為后續網格劃分及分析計算省去很多不必要的麻煩。在三維軟件Catia中建立的換熱器物理模型如1所示，換熱器主要參數如表1所示。
　　換熱器的下方即為燃燒室，秸稈等生物質燃料在其下方燃燒，產生煙氣伴隨著大量熱量流進換熱管(管程流體)，換熱器上方(即煙氣出口)裝有引風機使生物質燃料燒得更旺，產生更多的熱量。干凈的冷空氣從換熱器下面方形入口進入(殼程流體)，通過壁面的導熱和冷空氣在換熱管壁表面的對流獲得熱量，從換熱器上方圓形出口流出變成所需要的熱空氣。
　　1.2計算模型的確定
　　流體流動受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。如果流動包含不同成分(組元)的混合或相互作用，系統還要遵守組分守恒定律。如果流動處于湍流狀態，系統還要遵守附加的湍流輸運方程[1]。
　　換熱器的傳熱數學模型用三維不可壓縮的質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒與導熱方程及湍流方程。Fluent提供了多種湍流模型，但是，沒有一個模型對于所有問題是通用的。綜合考慮流體的可壓性、計算的精確性、計算機的CPU能力、時間的花費等因素，選用標準k－ω模型，標準k－ω模型預測了自由剪切流傳播速率，像尾流、混合流動、平板饒流、援助饒流和放射狀噴射，因而可以應用于墻壁束縛流動和自由剪切流動。
　　1.3模型處理及網格劃分
　　1.3.1模型處理
　　為了便于分析，換熱管的布置形式設計成對稱的。將三維的物理模型導入到Workbench的Geometry單元模塊里并創建對稱面。接下來抽取換熱器的流體域，抽取的空氣與煙氣流體域分別如2和3所示。
　　1.3.2網格劃分
　　網格劃分在整個數值模擬中是極其重要的一個環節，劃分出來的網格好壞直接影響到求解的準確性，若網格很差甚至不能求解。在該模型中需要設置Mesh interface，兩個Interface節點應盡可能地保持一致，網格尺寸盡可能地接近，否則在生成Mesh interface時不能很好地進行耦合，從而導致無法求解。經過多次試驗比較，最終確定網格尺寸設置如4所示，煙氣流體域和空氣流體域均設置有3層邊界層，第一層為1mm，增長因子為1.2。
 
02
 
初始化及邊界條件的設置
 
　　由于熱風爐中的溫度壓力都比較高，換熱管材質采用20#鋼，為了節省成本，其他處采用Q235鋼，這兩種材料的物性參數如表2所示。煙氣與空氣在各溫度下的物性參數分別如表3和表4所示。
　　需要設定的邊界條件：①兩個速度進口邊界條件，包括流體入口速度、壓力、溫度、湍流強度、水力直徑；②兩個壓力出口邊界條件，包括出口處相對壓力、湍流強度、水力直徑；③壁面邊界條件，主要有壁面溫度。
 
03
 
模擬結果及分析
 
　　3.1管程流場分析
　　換熱管的研究是換熱器結構研究的重點之一，合理的換熱管結構能在很大程度上提高換熱器的熱效率。數值模擬中，管程流體為熱流體即煙氣流，通過對換熱管內流體進行CFD模擬，得出換熱管流體的溫度場、速度場等，再對這些場進行分析對比，對原始的換熱管進行優化，設計出效率更高的換熱管。
　　3.1.1溫度場分析
　　5所示由左至右依次為換熱器底部、中部、頂部橫截面的溫度云，6中圓形區域為換熱管中部橫截面溫度分布云，可以看出換熱管中心溫度高，壁面溫度低，且溫度梯度大。這主要是由于流體粘度的存在，靠近壁面流體流動狀態為層流，而層流熱阻大，形成了熱邊界層，此處的傳熱效果有待進一步提高。7所示為管程流體域軸向對稱面上的溫度分布云，管程中的煙氣溫度逐步降低，在一定程度上表明換熱比較明顯。
　　3.1.2速度場分析
　　為進一步了解換熱管內的煙氣流動狀態對換熱器傳熱的影響，對煙氣流動的速度場進行分析。8、9所示分別為換熱管橫、縱截面流體速度矢量。由8可以看出，換熱管橫截面速度分布變化不是很明顯，速度梯度較??；而從9可以看出，管程中的流體在換熱管內流速先是稍有增大，然后到換熱管中部及后部流速基本穩定下來。綜上可知：煙氣流體在換熱管內的速度變化幅度不大，湍流強度較小，傳熱阻力較大。
　　3.2殼程流場分析
　　數值模擬中，殼程流體為冷流體即空氣流，殼程殼體結構是換熱器研究的另一重點。若殼體結構設計不合理，容易導致傳熱效率降低、流動損失增大等缺陷，因此設計合理的殼體結構，改善換熱器的殼程流動狀態能有效消除這些缺陷。
　　3.2.1溫度場分析
　　10和11所示分別為殼程縱截面和出口處的溫度云。由10可知，殼程中空氣溫度總體上沿流體的流動方向逐漸升高，且離換熱管壁越近，溫度越高。但仔細觀察，在換熱器右下角和左上角都有塊區域溫度比周圍溫度高，這是因為流體在這個區域處于相對停止的狀態，其中存在許多小渦流，小渦流中的流體速度很低，使得這塊區域很快被加熱，又由于處于停滯狀態，熱量無法傳遞出去，因此這塊區域溫度相對較高，即形成了“傳熱死區”。由11可以看出殼程出口處流體平均溫度為91.6℃，但溫度分布不均勻。
　　3.2.2速度場分析
　　12所示為殼程縱截面速度云，上述傳熱死區處的速度恰好與12所示相符合，在換熱器的左上角和右下角速度很低，流體幾乎處于停滯狀態，空氣流體從殼程入口進入，經過換熱管的擾流，斜向上沿殼程出口出去。故應采取適當的措施來消除“傳熱死區”的存在。
 
04
 
優化措施及結果
 
　　4.1優化措施
　　采取以下措施對模型進行優化：①適當增加換熱管的數量，從原來的34根增加到39根；②換熱管形狀由圓管改成當量直徑相當的扁管；③殼程內加兩塊隔板起擾流作用，以消減兩個角落處的“傳熱死區”。優化后模型如13所示。
　　4.2優化后結果分析
　　優化后換熱器的縱截面速度和溫度云分別如14和15所示。由14可以看出，殼程流體從殼程入口進入，由于橫截面的擴張，速度突然降低，流體經過換熱管的擾流作用，速度時高時低，形成比較劇烈的紊流。與12相比，由于殼程內加裝了兩塊隔板，消除了殼程中的流體停滯區，促進了換熱器的傳熱。
　　由15可以發現，管程流體溫度從入口到出口的變化比7明顯得多，說明扁管的傳熱效果比圓管好，換熱管的優化是合理的；由于殼程中兩塊隔板的作用，殼程流體溫度從入口到出口呈“Z”字型升高，與10相比，優化后的模型中并無溫度過高或過低的區域，出口平均溫度達到111.6℃，且溫度分布均勻，說明換熱器殼程結構的優化也是合理的。
 
05
 
模擬結果與試驗結果對比
 
　　模擬用的模型與試驗樣機尺寸相同，測量位置及方法參考燃煤熱風爐標準JB/T6672－2011。數值模擬中用到的邊界條件如殼程管程入口流速、入口溫度等均來自此次試驗，模擬結果與試驗結果的對比項為殼程流體出口溫度，其數值的大小能體現換熱器熱效率的高低。表5所示為模型優化前后殼程出口溫度試驗值與模擬值對比，兩者吻合得較好，誤差在10%之內，驗證了數值模擬的準確性。
 
06
 
結論
 
　　通過對熱風爐換熱器的殼程流體與管程流體進行CFD模擬仿真，分別對換熱器的管程流體和殼程流體的流場特征進行了認真的研究，找出其不合理之處，并提出優化方案，通過試驗驗證了數值模擬的準確性以及優化的合理性。