天然气锅炉余热深度回收换热器换热特性研究

秦柏　张强　张波　吴超

摘要：针对在天然气锅炉中，由于排烟温度较高，排烟热损失相对较大，过热状态的水蒸气随排烟到大气中造成水蒸气潜热的巨大浪費的问题，根据工程热力学和计算传热学相关理论，在天然气锅炉系统尾部加装翅片管换热器用来回收排烟过程中烟气的显热和水蒸气凝结时释放的潜热，用此来进行余热的深度回收。进一步通过数值模拟的方法，来研究烟气侧入口速度对翅片管换热器换热特性的影响，得出了入口速度在一定范围内，速度越大换热效果越好。从而合理选择烟气侧入口速度，为深度回收烟气热量提供理论依据。

关键词：

余热回收；烟气入口速度；换热特性；数值模拟

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.004

中图分类号： TK11

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）05-0021-04

Abstract：In order to study the temperature distribution of the turbogenerator stator ，a aircooling Aiming at the problem that there is a huge loss of latent heat in water vapor caused by the high exhaust gas temperature in the natural gas boiler， relatively large exhaust heat loss and water vapor in a superheated state going into the atmosphere， based on relevant theories of engineering thermodynamics and heat transfer calculation， a finned tube exchanger is added to the natural gas boiler system to deeply recycle the sensible heat of flue gas in the gas extraction process and the latent heat released during the steam condensation process in order to recover the waste heat Based on this， the paper carries out a study on the influence of inlet velocity on the heat transfer performance of finned tube heat exchanger and through numerical simulation draws the conclusion that within a certain scope of inlet velocity， the heat transfer efficiency is better along with higher speed so as to select reasonable flue gas inlet velocity to achieve the goal of reducing the exhaust gas temperature， recovering deeply the flue gas heat

Keywords：waste heat recovery；the flue gas inlet velocity ；heat transferperformance；numerical simulation

0引言

人类文明社会的快速进步和创新型能源的不断涌现，能源的消耗量及消耗形式也发生了与时俱进的变化。传统锅炉，由于排烟温度较高，将会有大量水蒸气得不到回收，造成水蒸气潜热的巨大浪费[1]。

针对天然气锅炉排烟温度较高，回收过热状态下水蒸气的潜热难的问题，本文采用翅片管换热器回收烟气余热，文[2-4]中用实验的方法研究了螺旋翅片管束的排列方式对管束换热特性和流阻特性的影响，根据实验结果拟合得到传热系数和阻力系数的关系式，为翅片管换热器的设计提供理论支持和改进依据。翅片管换热器拥有良好的传热性能，采用翅片管换热器回收烟气余热，可以降低排烟温度，同时还可以回收温降过程中的显热和水蒸气冷凝时释放的相变潜热，提升锅炉的热效率[5]。在翅片管换热器中，烟气侧入口速度对换热起着很大的作用[6]。是降低排气温度的最主要的因素，因此，本文主要研究翅片管换热器中烟气侧入口速度对换热的影响。

1物理模型和数学模型

11物理模型

由本文换热器管采用Φ24×2高频焊翅片管，横向管排数为8排，纵向管排数10排，管数共80根，翅片管换热器的主要结构参数如表1所示。物理模型如图1所示。

12数学模型

烟气侧的流体视为不可压缩流体，流体的流动处于湍流状态。流动要受到质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律三大定律的制约，湍流控制方程采用κ-ε两方程模型[7]。烟气侧的雷诺数为441643，大于临界雷诺数2300[8]，因此烟气侧的流动状态为湍流流动。

（ρΦ）t+div（ρUφ）=div（ΓgradΦ）+Sφ

式中：φ为通用变量，可以代表u、v、w、T等求解变量；Γ为广义扩散系数；Sφ为广义源项。

2基本假设和边界条件

21基本假设

1）忽略重力和浮力对流体的影响。

2）考虑到有相变的发生，故本文使用UDF程序来模拟烟气余热回收过程中的相变传质问题。

22边界条件

1）仿真模拟操作中所应用的材料有：1烟气，包含三原子气体、氮气、氧气和水蒸气的混合物；2液态水；3翅片管。

2）入口边界条件：烟气侧入口设置为速度入口边界条件，根据以下所设条件得，入口速度分别为2、15、1、07m/s，水侧入口也设置为速度入口边界条件，水侧速度为085m/s。

3）出口边界条件：烟气侧出口采用压力出口边界条件，相比于设置为自由出流，压力出口选 择会使收敛曲线更平滑稳定，且收敛速度更快。水侧出口采用压力出口边界条件。对于翅片管的材质选用金属铜即可。墙壁设置为固定墙壁，无滑移形式。水与换热器内壁及烟气与换热器外壁之间选用耦合的边界条件。壁厚值为2mm。

4）本文的烟气侧与水侧的流体流动均不归属为高速可压流动，方程组求解过程中选用基于压力速度耦合的SIMPLE算法[8]，近壁面区域采用强化壁面函数法，然后进行网格独立性验证，获得网格独立的解。

3模拟结果及分析

31改变进口烟气速度方案制定

保持翅片高度，翅片厚度，翅片间距不变，改变烟气入口速度，将烟气入口速度设置为2m/s、15m/s、1m/s、07m/s时的凝结换热规律的影响。具体参数设置如表2所示。

32烟气侧不同进口速度对温度场的影响

烟气侧不同入口速度下温度分布：温度对于烟气的余热回收的影响是最直观的。当翅片高度为11mm，翅片厚度为15mm，翅片间距为7mm时，改变烟气入口速度。选取Z=150mm处（两肋片中间）烟气入口流速为2m/s、15m/s、1m/s、07m/s时的温度分布云图，其温度分布图像分别如图2（a）～（d）所示。

通过图2（a）可知，当流体的流速为2m/s时，其温度的变化范围是在362～150℃之间，图2（b）可知，当流体的流速为15m/s时，其温度的变化范围是在 284～150℃之间，图2（c）可知，当流体的流速为1m/s时，其温度的变化范围是在248～150℃之间，图2（d）可知，当流体的流速为07m/s时，其温度的变化范围是在234～150℃之间。当烟气流入换热器时，烟气温度维持不变且分布均匀，随着烟气依次流经各排翅片管，烟气的温度依次下降，当烟气流过最后一排翅片管时，烟气温度不再与翅片管换热。当烟气流经第一排翅片管后，由于烟气的分流，使得煙气在翅片管上下两侧形成两个新的温度区，并且温度降低，这是因为管外烟气与管内的介质水发生了换热，致使烟温降低。翅片管迎风侧的温度明显高于翅片管背风侧的温度，这是因为在迎风侧烟气流速相对于背风侧的流速大，扰流效果好，换热性强。在烟气流速的增加过程中，换热热阻降低，背风侧温度升高，这就意味着烟气侧的换热性能得到了改善，同时，当管内介质水的流量没有发生变化时，将导致烟气侧的排烟温度升高。

33烟气侧不同进口速度对平均换热系数的影响

当翅片厚度为15mm，翅片高度为11mm时，翅片间距为7mm时，改变烟气侧进口速度，使烟气侧进口速度分别为2m/s、15m/s、1m/s、07m/s，图3为烟气侧不同进口速度对平均换热系数的影响。

由图3可知，随着烟道气入口速度的增加，烟道气侧的平均传热系数增加，这就意味着，增大烟气侧入口的流动速度有利于与管内冷源水之间的换热过程。

34烟气侧不同进口速度对平均换热量的影响

当翅片厚度为15mm，翅片高度为11mm时，翅片间距为7mm时，改变烟气侧进口速度，使烟气侧进口速度分别为2m/s、15m/s、1m/s、07m/s。图4为烟气侧不同进口速度对换热量的影响。

通过图4可知，随着烟气侧入口速度的增加，烟气侧的平均换热量也在增加，烟气进口速度与烟气侧的换热量成正比。这是因为，烟气流速的增大使换热器的平均换热系数增大，当换热面积和换热温差一定时，平均换热系数越大，其换热量就越大。这就意味着，在余热回收系统中，可以回收更多的显热和潜热，进一步提高翅片管锅炉系统的热效率，经济性提高，降低投资回收期。

4结论

在一定范围内，当改变烟气侧入口速度时，随着入口烟气速度的增大，平均换热系数增大，流动阻力增大，换热性能增强。 随着烟气进口流速的增加，Re增大，平均换热系数逐渐增大。流速增加使得管外侧翅片对流动的扰动增强，破坏了流体边界层，使换热得到加强。当烟气流速为07m/s 时，平均换热系数为355W/（m2·K）；当烟气流速为1m/s 时，烟气的平均换热系数为445W/（m2·K），当烟气流速为15m/s 时，平均换热系数为560W/（m2·K）当烟气流速为2m/s 时，平均换热系数为647W/（m2·K），可见烟气流速对其平均换热系数的影响是很大的。同理，对平均换热量的影响也很大。采用计算机辅助数值模拟的方法对天然气锅炉烟气回收用翅片管换热器换热性能及影响因素进行系统的分析，并对影响翅片管换热的因素进行优化，为提高余热回收效率提供一定的理论依据。节约了燃料，在资源相对短缺的的当今社会，显得尤为重要。

参 考 文 献：

[1]秦柏，吴超，隋广明燃气锅炉烟气余热深度回收[J].哈尔滨理工大学学报，2014，19（05）：72-75

[2]李雨时，张培智，马义伟，等矩形翅片滴形管和圆管圆翅片的传热性能的试验研究[J]. 鞍山钢铁报，1988，11（4）：36-42

[3]李志敏，刘长振，张凯，等强化传热螺旋翅片管管束的试验研究[J].节能，2004（1）：5-8

[4]冯金兰，张杰圆形翅片管束的换热与阻力特性试验研究 [J]. 东北电力技术，2008（8）：14-17

[5]王巧丽，余热回收翅片管换热器传热与流体力学特性研究[D].广州：华南理工大学，2013：46-67

[6]张鑫锅炉烟气余热利用系统分析与优化研究[D].北京：华北电力大学，2015：31-50

[7]陶文铨 数值传热学[M]. 西安： 西安交通大学出版社， 2001： 54-157

[8]毕喜柱燃气锅炉排烟余热回收[J].油气田地面工程，2006（ 6） ： 20-22

（编辑：关毅）