同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院 周偉國 劉 倩 周 游

二次換熱器的數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院 周偉國 劉 倩 周 游

在《冷凝式燃氣熱水器二次換熱器數(shù)值模擬研究》的基礎(chǔ)上，利用Fluent對改進后的6管式換熱器進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果再提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。優(yōu)化方案從改進氣流組織入手，力求在換熱器體積基本相同的情況下，提高換熱器的效率。

數(shù)值模擬 換熱器 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 導(dǎo)流板

0 引言

換熱器是一種常見的熱能傳遞設(shè)備，也是一個出色的熱交換載體，成為市場上諸多工業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵部件。被廣泛的應(yīng)用于加工、動力、運輸、制冷和熱量回收等領(lǐng)域。其重要性不僅體現(xiàn)在它應(yīng)用領(lǐng)域廣，而且所占資金比重往往很高。因此，提高換熱器性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，對降低成本、節(jié)約能源都具有重大意義。

冷凝式燃氣熱水器是一種高效節(jié)能的熱水器具，主要由燃燒系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和制動控制系統(tǒng)組成。冷凝式燃氣熱水器與普通燃氣熱水器最大的差別就是在一次換熱器后加了冷凝式換熱器，即二次換熱器。在所有種類冷凝器中，管殼式冷凝器是應(yīng)用最廣泛的一種冷凝設(shè)備。盡管它在結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱強度和單位金屬耗量方面不盡如人意，但由于其制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應(yīng)性強，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓，因而在化工、石油、能源等行業(yè)的應(yīng)用仍處于主導(dǎo)地位。在換熱器向高溫、高壓、大型化發(fā)展的今天，隨著新型高效換熱管的不斷出現(xiàn)，管殼式冷凝器的應(yīng)用范圍將越來越廣。因此如何有效的提高換熱器的換熱效率成為了各界共同追求的目標(biāo)。

本文在《冷凝式燃氣熱水器二次換熱器數(shù)值模擬研究》實驗驗證的基礎(chǔ)上，對新型的6管式換熱器進行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，目標(biāo)是在體積基本不變的情況下，較好的提高換熱器的換熱效率。

1 物理問題和數(shù)學(xué)描述

1.1 物理問題

本文所研究的燃氣熱水器二次換熱器的波紋管換熱管束如圖1所示，由6組M型不銹鋼波紋管錯列布置，換熱管束內(nèi)為被預(yù)熱的水。二次換熱器的整體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 二次換熱器不銹鋼波紋管換熱管束

圖2 二次換熱器結(jié)構(gòu)模型

1.2 數(shù)學(xué)描述

1.2.1 已知物性參數(shù)

全負(fù)荷下試驗氣CH4消耗量為2.965 m3/h(最大負(fù)荷)；

水流量：11.4L/min 即0.000 19 m3/s；

煙氣進口溫度：438.8 K；

水進口溫度：293.4 K。

相關(guān)物性參數(shù)如表1：

表1 物性參數(shù)表

1.2.2 計算的物性參數(shù)

①假設(shè)完全燃燒的情況下：

排煙中O2占9.9%，

計算得a=1.6

過?？諝庀禂?shù)為：

根據(jù)式(1)計算得總的煙氣量為53.77 m3/h。

②煙氣進口雷諾數(shù)：

式中：Re——雷諾數(shù)；

ρ——流體的密度，kg/m3；

ν——流體的速度，m/s；

d——管徑，m；

μ——流體的動力粘度，m2/s。

代入數(shù)據(jù)計算得：

為低雷諾湍流。

③根據(jù)煙氣、水的流量及進口面積計算：

煙氣入口速度v=3.72 m/s

水的入口速度v=0.22 m/s

1.2.3 假設(shè)

(1)幾何模型的簡化，忽略換熱器外殼的厚度。

(2)絕熱邊界條件的假設(shè)，是煙氣出口溫度過高的原因之一。

(3)忽略了煙氣輻射換熱的因素。

(4)假設(shè)完全燃燒，煙氣中不存在CO。

(5)假設(shè)水蒸氣冷凝溫度恒定，為373.15 K。

綜上所述，換熱器外殼設(shè)為厚度為零的絕熱邊界，換熱管束為傳熱系數(shù)恒定的壁厚為0.3 mm的邊界條件，水管、煙氣均為速度入口壓力出口，冷凝溫度為373.15 K。

1.3 計算方法

本文采用的計算方法是基于有限體積法對控制方程進行離散和求解，采用偏微分方程離散求解的方法。速度壓力耦合求解采用SIMPLE算法。動量方程、能量方程、k-?方程采用二階迎風(fēng)格式進行離散。

2 實驗驗證

2.1 實驗過程

實驗對象為某廠家的一款家用燃氣熱水器，實驗裝置如圖3所示。

圖3 實驗裝置

二次換熱器型號為 16E22AR，其產(chǎn)水能力17.86 L/min，熱功率29.6 kW。實驗的目的是測定出 28組采集點的溫度值，以實測數(shù)據(jù)來驗證模擬結(jié)果，其中煙氣進出口和水進口的溫度值為取各測試點的平均值，并將其與模擬結(jié)果進行比較。具體的實驗條件為：進水溫度為 20.3 ℃，進水流量為11.4 L/min，調(diào)節(jié)實驗的燃氣消耗量與模擬中的邊界條件一致，取燃氣消耗量為2.965 m3/h。詳細的實驗過程見周偉國等《冷凝式燃氣熱水器二次換熱器數(shù)值模擬研究》。

2.2 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

在相同位置上對比模擬與實驗結(jié)果，如表2所示。比較煙氣入口、煙氣出口、水進口以及水出口等位置的實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，各點數(shù)據(jù)相對誤差的絕對值都小于10%，模擬結(jié)果的煙氣出口溫度較實驗數(shù)據(jù)大1.99%，水出口溫度小0.37%。數(shù)值模擬出現(xiàn)誤差在于絕熱邊界的假設(shè)與忽略輻射換熱這兩個因素，導(dǎo)致煙氣出口溫度的模擬結(jié)果相比實驗高，出水口溫度比實驗低。此外，各點溫度偏差不大，可以說明數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，進而通過對數(shù)值模擬結(jié)果的溫度場和速度場分析，提出二次換熱器的優(yōu)化意見。

表2 實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 原結(jié)構(gòu)模擬

3.1.1 數(shù)值模擬

對原結(jié)構(gòu)的換熱器換熱溫度和壓力數(shù)值模擬結(jié)果如圖4、圖5。

圖4 對流換熱溫度云

圖5 對流換熱壓力云

從Fluent中導(dǎo)出的煙氣及水的進出口溫度如表3所示。

表3 煙氣與水的進出口溫度

3.1.2 模擬結(jié)果分析

模擬的截面溫度分布見圖6。

圖6 截面溫度分布

由截面溫度分布圖可知，高溫?zé)煔鉀]有充分沖刷管束就從上方煙氣出口排出，以至于底部潛熱管換熱效果不佳。

3.1.3 結(jié)論及優(yōu)化建議

由結(jié)果分析可知，此結(jié)構(gòu)煙氣并沒有發(fā)生冷凝，可能有兩方面的原因，建議①更改煙氣進出口方向或加裝煙氣導(dǎo)流板，改變煙氣流向，使煙氣能夠充分沖刷換熱管束，更多的回收煙氣中的余熱。②考慮增加換熱管束，使煙氣沖刷管束后溫度降低至 100℃以下。本文主要從建議①入手進行探究，不改變換熱管束的數(shù)量，即在不改變體積的基礎(chǔ)上提高換熱效率。

3.2 優(yōu)化1(改變煙氣出口位置)

改變煙氣出口的方向，從而改變煙氣的流向。左側(cè)為煙氣出口，右側(cè)為煙氣入口，見圖7。

圖7 優(yōu)化1結(jié)構(gòu)

3.2.1 數(shù)值模擬

應(yīng)用前述實驗驗證過的數(shù)值模擬方法進行模擬，模擬結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 優(yōu)化1對流換熱云1

圖9 優(yōu)化1對流換熱云2

從Fluent中導(dǎo)出的煙氣及水的進出口溫度見表4所示。

表4 煙氣與水的進出口溫度

3.2.2 模擬結(jié)果分析

原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化1結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果對比見表5。

表5 原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化1結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果對比

優(yōu)化1的截面模擬結(jié)果見圖10。

圖10 優(yōu)化1的截面模擬結(jié)果分析

在改變煙氣出口方向的情況下，煙氣出口溫度略有下降，水出口溫度也略有上升。換熱效率有所提升，但由截面圖 10可知最上層換熱管束與頂部殼體距離過大，煙氣無阻礙流過，見圖10方框處，這部分煙氣熱量沒有充分利用。進出口邊角空間過大，導(dǎo)致煙氣滯留，見圖10圓圈處。

3.2.3 結(jié)論及優(yōu)化建議

由上述分析可知，建議在優(yōu)化1結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再做改進，針對煙氣滯留及無阻礙流過增加導(dǎo)流板，引導(dǎo)煙氣流向。

3.3 優(yōu)化2(增加導(dǎo)流板)

如圖11，增加3塊導(dǎo)流板。

圖11 優(yōu)化2結(jié)構(gòu)

3.3.1 數(shù)值模擬

優(yōu)化2的相關(guān)模擬見圖12～16。

圖12 優(yōu)化2換熱器壁面溫度

圖13 優(yōu)化2對流換熱溫度云

圖14 優(yōu)化2導(dǎo)流板表面溫度云

圖15 優(yōu)化2對流換熱流線

圖16 優(yōu)化2對流換熱溫度云

從Fluent中導(dǎo)出煙氣及水的進出口溫度見表6。

表6 數(shù)值模擬煙氣與水的進出口溫度

3.3.2 模擬結(jié)果分析

原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化1、優(yōu)化2模擬結(jié)果對比見表7。

表7 原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化1、優(yōu)化2模擬結(jié)果對比

3.3.3 結(jié)論及建議

由上述分析可知，加裝了導(dǎo)流板之后有效的減少了回流區(qū)域，煙氣能夠很好的沖刷6根潛熱管使之換熱良好，彼此溫差也不大。但并不能認(rèn)為6根潛熱管經(jīng)濟性最佳，因為煙氣出口溫度大于100℃，沒有利用煙氣中水蒸氣起冷凝可以釋放的潛熱。今后仍將繼續(xù)從其他角度入手優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高效率，更好的利用煙氣的余熱。

4 結(jié)語

本文采用偏微分方程離散求解的方法。速度壓力耦合求解采用SIMPLE算法。動量方程、能量方程、k-?方程采用二階迎風(fēng)格式進行離散。利用Fluent對冷凝式燃氣熱水器二次換熱器進行了數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果提出優(yōu)化方案，基本達到了在不改變體積的基礎(chǔ)上提高換熱效率的目標(biāo)。

Numerical Simulation and Structure Optimization on Secondary Heat Exchanger

Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering Zhou Weiguo Liu Qian Zhou You

Based on the《numerical simulation of the secondary heat exchanger of condensing gas water heater》,the numerical simulation of the improved 6-tube heat exchanger is carried out by Fluent, and the structural optimization scheme is proposed according to the simulation results. The optimization scheme starts from the improvement of the airflow organization to improve efficiency of the heat exchanger in the case of same heat exchanger volume.

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