干熄焦给水预热器的设计和仿真分析

周开创，李振东，孙东德，谢能刚

（1.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山 243002；2.安徽东能换热装备有限公司，安徽马鞍山 243002）

1 研究背景

干熄焦技术能够妥善地降低熄焦过程中产生的扩散物污染，有效地控制周边空气含尘量[1]，干熄焦系统中的二次换热装备一般使用给水预热器。在干熄焦过程中，需要将高温惰性循环气体冷却到一定温度，传统管壳式换热器的换热效率比较低、生产制造工艺复杂、易生垢[2-3]，为克服以上缺点，需要设计一种工艺简单、使用时间长、换热效率高的新型换热器。基于国内外换热器的使用现状和管壳式换热器的结构优点[4]，安徽东能换热装备有限公司设计了一种干熄焦给水预热器，并采用数值模拟方法对该干熄焦给水预热器进行分析。

2 结构设计

本文依托安徽东能换热装备有限公司设计生产的干熄焦给水预热器进行研究分析。如图1 所示，干熄焦给水预热器是一种固定管板式结构换热器。内部换热管为蛇形换热管，如图2 所示，干熄焦给水预热器箱体长度为4 300 mm，高度为3 010 mm，壳体内含有90 根蛇形换热管组成的管束以及4 个支撑板。

图1 干熄焦给水预热器结构

图2 单根蛇形换热管

3 数值模拟方法

3.1 有限元模型网格划分

干熄焦给水预热器的管程、壳程流体区域网格和换热管、支撑板固体区域网格划分在A N S Y S Workbench 的Mesh 模块中完成，得到的节点数目为2 872 741，单元数目为4 659 992，网格划分结果如图3 所示。

图3 干熄焦给水预热器网格划分

3.2 运行参数

在干熄焦过程中，需要将高温惰性循环气体冷却到一定温度。正常运行时，壳程介质为高温惰性循环气体，入口温度为170 ℃，流量q0=114 800 m3/h。管程介质为低温除盐水，入口温度为50 ℃，流量q1=43.2 t/h。在换热过程当中管程介质和壳程介质的物性参数不变。

3.3 初始条件和边界条件

根据不同边界条件的特点，本文采用质量进口和压力出口进行计算。在干熄焦给水预热器壳程和管程进口处设置质量进口边界条件，输入热介质和冷介质流入时质量流量和各自对应的温度。通过Fluent 软件进行解算的过程，通常选取迭代的残差值作为衡量计算方法是否收敛的一个标准，计算收敛的判别标准是计算残差精度都小于10-5，残差曲线趋于平直[5]。

4 预热器数值模拟分析结果

通过对干熄焦给水预热器壳程、管程流场的数值模拟，分别得到了壳程、管程流体的速度场、温度场、压力场和应力场的分布情况。

4.1 速度场模拟结果分析

壳程中的管束结构决定着流体域的速度场特点，相对管程流体来说，壳程流体有着较为复杂的速度场特性，在分析干熄焦给水预热器速度场时，重点分析壳程流体的速度场，壳程管束间的速度分布尤为重要。

如图4 所示，壳程速度在换热管迎风面和背风面降低，在换热管壁面双侧附近的速度有明显增大，速度最大值达到5.79 m/s，这是因为流体横掠换热管时出现绕流脱体现象。当壳程流体绕弯曲的表面流动，边界层会伴随产生压力差，并从某位置开始脱离弯曲的表面，并在物体表面附近出现回流的现象，这种现象称为脱体现象[6]。密集的管束强化了湍流作用，相较于传统管壳式换热器，本预热器的壳程基本无流动死区，充分利用了管束的换热面积，起到了增强换热的作用。如图5 所示，管程冷却水速度呈同心圆分布，内层流速偏大且中心流速最大，速度达到0.56 m/s。外层靠近壁面的地方流速几乎为零，符合圆管边界层理论。

图4 壳程速度场

图5 管程流体速度分布

4.2 压力场模拟结果分析

为方便地观察壳程压力分布，取蛇形换热管径向截面进行分析。正常工况条件下干熄焦给水预热器壳程流场压力云图如图6 所示，从图中可以看出，在壳程入口处压力最大达到3 288 Pa，壳程流体在流经密集管束时会损失一定的压力，压力损失约为1 088 Pa，从图中可以得出，随着距离壳程入口越来越远，流体压降不断增大。

图6 壳程压力分布

管程流动引起的压降是衡量运行经济效果的一个重要指标，干熄焦给水预热器管程的流动阻力由两部分构成，即管程流体与换热管壁面间的摩擦阻力；流体在流动过程中，由于方向改变或速度突然改变所产生的局部阻力[7]。所以流动过程中压力的损失与流体自身的物理性质、流动状态及换热管的外形等要素相关。如图7 所示，管程压力随着流体的流动逐渐下降，压力损失约为0.07 MPa。

图7 管程压力分布

4.3 温度场模拟结果分析

干熄焦给水预热器壳程温度变化云图如图8所示，可看出流体温度的变化情况。由于壳程介质为高温循环气体，在壳程入口处温度最高为443 K，高温惰性循环气体流过壳体内的换热管束，与换热管束内的冷流体发生热量交换，壳程出口处温度降至最低为395 K，同时壳程介质在流经换热管束时，密集的换热管束存在一定的扰流作用，导致壳程流体对换热管的横向冲刷，增加了壳程的热流体与管程的冷流体进行换热的时间，使得冷热流体间的换热过程能够充分地进行，也使得壳程热流体的温度明显下降以达到换热目的。从图中可以清晰看出壳程流体温度的变化趋势，每经过一排换热管束，温度就会明显降低，而壳程流体温度的变化对预热器的热应力将产生影响。

图8 壳程流场温度分布

干熄焦给水预热器管程温度变化云图如图9所示，管程流体为冷却水，所以在管程入口处温度最低为323 K，经过与壳程热流体的充分换热，管程内的冷流体被加热，出口温度达到368 K。

图9 管程流场温度分布

4.4 应力场模拟分析

考虑2 种载荷，即流场压力载荷和温度载荷。

流场压力载荷：通过对流场特性的仿真模拟，可以获得预热器管程、壳程的压力场，通过耦合面将压力传递到预热器上。

温度载荷：与流场压力载荷的传递方法相似，经由温度载荷的数据作用后，得到了干熄焦给水预热器固体域的温度场分布，从而进一步获得由温度引起的热应力模拟结果。

如图10 所示，在同时作用2 种载荷的等效应力场中换热管束的最大应力发生在换热管束与支撑板连接处，应力值达到220 MPa。整体上不至于超过屈服应力，预热器能够安全运行。

图10 同时施加2 种载荷时预热器应力图

5 结论

对干熄焦给水预热器进行了流场的模拟以及力学分析，得到了相关的速度场特性、压力场特性、温度场特性以及应力场特性：①由于壳程换热管束的存在，壳程流体在流动的过程中出现压力损失，且压力梯度较为明显；②在温度场的结果中，最高温度出现在壳程入口处壳体及其连接的支撑板上，管程流体的温度从管程入口到管程出口逐渐升高，在支撑板与管束结合处，温度变化较大；③同时施加2 种载荷时，应力值达到220 MPa，整体上不至于超过屈服应力，预热器能够安全运行。