基于锅炉房烟气余热发电换热器的设计_孟林.pdf

69INSTALLATION2023.5Technology Exchange 技 术 交 流孟林 徐大宏 汪杰 周旭东 张昕宇 郝兆元 冯紫朋（中建八局第一建设有限公司 济南 250100）摘 要：为了提高公共建筑锅炉房烟气换热效率及其绿色节能水平，本文利用有机朗肯循环（ORC）余热发电原理，结合排烟管特点、W型流道结构烟气换热器，建立气-液两相流换热数学模型。利用Fluent软件有限元数值模拟，分析流体在不同工况下的物态变化和换热效率。结果表明：均流装置使工质稳流性能增强，W型工质流道结构湍流性增强，换热效果更明显。烟气流速较大和工质流速较小时传热效果更好。关键词：锅炉房排烟管 有机朗肯循环 余热发电 换热器 换热效率中图分类号：Tk11+5文献标识码：B文章编号：1002-3607（2023）05-0069-05基于锅炉房烟气余热发电换热器的设计在锅炉房内，燃气燃烧后产生的烟气温度可达200以上，高温烟气直接通过排烟管排到大气中，将造成热量浪费，而且产生废热污染大气，不利于公共建筑绿色节能。为了开发和利用高温烟气的热量，结合有机朗肯循环（ORC）余热发电原理，利用系统中的烟气换热器对锅炉房排烟管内的高温烟气热量进行回收并发电，是锅炉房高温余热回收利用、节能减排、绿色施工的重要研究方向之一1-3。国内外研究学者针对公共建筑锅炉房烟气换热器的结构性能和换热效率，进行了数年的设计与研究。杨辉祝4等基于遗传算法拟合kriging的空间分析法，建立目标函数，优化锯齿型板翅式换热器翅片的设计参数，模拟分析结果显示，翅片高度、间距、厚度、节距分别为9.5mm、2.2mm、0.1mm、3mm时，换热器换热效率最高。khoshvaght-Aliabadi M5等结合3D-CFD，建立3D模型，并模拟分析了流体流道的流动特点和换热效率，对比3D-CFD模拟数值与试验结果显示，采用3D-CFD数值模拟的方法能准确预测流道的热力学效应。WangY Q6等分别对平直式翅片换热器和锯齿式翅片换热器进行数学建模，并利用流体软件Fluent对两种换热器进行数值模拟，对比模拟结果与试验分析，能一致反映设计参数变化对换热效率的影响情况。烟气换热器的结构设计主要集中在方形结构形式，而对于锅炉房排烟管圆柱形换热器结构设计方面的研究较少，以及烟气换热器内工质的流道结构是否均流，进而影响其传热效果方面研究较少。因此本文设计了一种基于锅炉房排烟管特点的新型流道结构型式，进而改变流体的流动方式，并对该新型换热器内流体流动进行数值模拟，分析换热器内流体流动的湍流效应，流体均流情况以及换热器内热量交换和传热效果。1 ORC余热发电系统原理ORC余热发电系统由烟气换热器、工质预热器、涡轮透平发电机、冷凝器、工质泵和储液罐等组成（见图1）。工质泵将储液罐中的低温低沸点液态有机工质输送到工质预热器预热后，通过烟气换热器与高温烟气进行换热，转化为高温高压的气态工质；气态工质进入涡轮透平发电机后推动涡轮主轴旋转，进而带动发电机转子转动产生电能，实现由热能向电能的转换；膨胀后的不饱和气图1 ORC系统示意图蒸发器冷凝器储液罐工质泵流量计阀门压力表温度表旁通阀门涡旋发电机预热器ANZHUANG2023年第5期70技 术 交 流 Technology Exchange态工质从涡轮透平发电机排出后进入工质预热器与低温工质一次换热冷凝，转化为气-液两相工质状态后，进入冷凝器与外界低温流体进行二次换热冷凝，完全转化为液态工质，进入到储液罐中压缩并存储，完成一次循环。2 烟气换热器流道结构设计与建模2.1 换热器类型选择管壳式换热器的换热效率低和板式换热器承压能力低，烟气换热器选用板翅式换热器的错流结构形式，更适用于多种流体在内部换热，而且具有换热面积大、换热效率高、可二次换热等优点。在设计板翅式烟气换热器时，要保证在烟气和工质进出口均流的基础上，减小烟气流动阻力，增加工质预热过程。还要使烟气在与工质充分换热的前提下，能顺利通过换热器，防止烟气回流对锅炉造成伤害。采用平直翅片作为板翅式烟气换热器内部换热芯体的翅片形式，换热芯体的单元模型见图2。向，烟气流道为直流向，确保能顺利排出，防止回流。用隔板将工质流道分割为W型流向，延长了工质在换热器内的流动时间和换热时间，使其充分蒸发，并设有均流装置，确保工质均匀流进每个翅片流道，提高了换热器的换热效率。2.2 换热器三维建模为了便于之后的CFD仿真计算，利用Proe软件分别对新型板翅式烟气换热器的外壳、换热芯体等主要组成模块进行3D建模，并组合装配。考虑到过滤房排烟管的尺寸结构，设定板翅式烟气换热器换热芯体内翅片尺寸参数和结构参数（见表1、表2），建模出新型板翅式烟气换热器3D模型爆炸图（见图4）。图2 换热芯体单元模型图3 新型板翅式烟气换热器本文结合锅炉房烟囱的特点、安装规范，并参考板壳式换热器内部流体的对流方式，搭配板翅式换热器换热芯体的错流方式，创新设计出一种新型板翅式烟气换热器，其外观及换热芯体错流结构见图3。热空进口热空出口液态工质进口气态工质出口 换热隔板 工质流道 外壳法兰连接片 均流装置均流装置换热腔4换热腔3换热腔2换热腔1工质预热腔气气表1 换热芯体内翅片尺寸参数 单位：mm参数烟气工质流道高105流道宽55翅片厚0.50.5隔板厚度1表2 新型板翅式烟气换热器结构参数名称热流体层数/层冷流体层数/层换热器长/mm换热器宽/mm换热器高/mm直径/mm参数值109750154.5154.5220图4 板翅式烟气换热器3D模型爆炸图3 新型板翅式烟气换热器数学建模为了分析新型板翅式烟气换热器换热效率的变化，根据提出的W型工质流道结构和均流装置的增设情况，以及流体进口处的流速设置情况，对该换热器进行流速、压力、湍动能以及湍流耗散率等数学建模，特设定翅片材质为铝材，工质为不腐蚀铝材的R134a，设定为不可压缩流体，蒸发潜能215kJ/kg，液态黏度在25时为0.202MPas，压比为4.7。流体在板翅式烟气换热器流道内流动时，满足连续性方程式、动量方程式，即流速、压力、密度和温度等新型板翅式烟气换热器的换热芯体设有4个换热腔，并自带工质预热腔。箭头表示烟气和工质各自的流动方71INSTALLATION2023.5Technology Exchange 技 术 交 流流体物理量的关系式7。连续性方程式：（1）式中：，流速在二维平面内x，y方向上的分量；x，y与流速相对应的坐标轴方向；流体密度。动量方程式：()Sxuxuxxpuuujiijtjjiji+|+=（2）式中：流速；p流体的压力；S动量方程的广义源项；i，j 流体不同流动方向。新型板翅式烟气换热器的W型流道结构内，流道结构的变化增大了工质的湍流性和湍流动能耗散率。W型工质流道结构下，湍动能k-模型计算式为：()()()|+=+jtkjkkjjxkxSCxkutk（3）式中：k湍流动能；湍流动能耗散率；k流体普朗特数；Ck速度波动引起的湍动能项；Sk流体湍动能源项。W型工质流道结构下，流体的湍流耗散率计算为：（4）()()()|+=+jtjkjjxxSkCCkCxut221 2Ckt=式中：t湍动黏度比；流体动力黏度系数；流体普朗特数；C1，C2，C湍流模型经验常数；S流体湍流耗散率源项。换热器内湍流雷诺数计算为：（5）式中：v 流体流动速度；De 流道面积；流体密度。新型板翅式烟气换热器内部，保持不同换热腔进出的流体流量不变，使每个换热腔的流道数目不同。流体在不同换热腔面积下流量分布满足式（6）。jNjjiMiiAvAv=11 （6）式中：A换热腔的面积；i，j不同截面处流道；M，N对应截面流道的最大数目。在新型流道结构的板翅式烟气换热器中，流体流动时在流道内受到的压力计算见式（7）、（8）。()fsiivFFFQp+=（7）2,1,sssFFF+=（8）式中：Q 换热腔内流体流量；Fi 第i条流道出口压力；Ff流道对流体的摩擦力；Fs不同换热腔结构变化对流体的流动阻力。efDlvfF2=（9）222,1,vnFFsSS=（10）式中：f 流道对流体的摩擦力系数；ns各换热腔截面翅片数；l 翅片长度。4 数值模拟分析4.1 流体流场及有限元模型本文使用Ansys Workbench 19.0对烟气换热器的换热芯体进行材质设定，利用Mash有限元功能模块对烟气流道、W型流道和隔板三个流体域进行网格划分，划分为四面体网格类型，并通过Defaults、Sizing、Quality、Advanced等功能模块分别进行网格精确优化，共划分为3,995,777个网格单元。4.2 流体模拟边界条件设置本文采用Ansys Fluent对烟气、工质的多相流流动情况进行数值模拟。根据新型板翅式烟气换热器W型流道结构内的工质流动、物态变化及换热等情况，设定数值模拟分析因素。烟气、工质设为不可压缩和连续性流体，数值模拟满足连续性方程、动量方程以及伯努利方程。烟气、工质入口处的流动状态为稳定层流，流量连续且均匀；工质转变换热腔时的流动状态为湍流；设定流体的黏性耗散为0，流道对流体的摩擦阻力为0；设定换热器与外界没有能量交换；设定换热芯体同层翅片截面不同流道的温度的差异为0。采用SIMPLEC压力速度耦合模拟算法，设置边界条件为速度入口（流速、温度），压力出口；采用伯努利方程模型、湍动能k-模型模型；设置近壁面为标准壁面函数（Standard Wall Function），变量残差为103、103、108，计算次数为1000。ANZHUANG2023年第5期72技 术 交 流 Technology Exchange4.3 仿真结果分析数值模拟迭代计算结束后，连续方程、动量方程、能量方程和残差曲线全部收敛成功。为分析烟气换热器内工质温度变化，选取位置y=80处，Levels设置为55时的温度云图（见图5），工质温度从云图低温左侧入口到高温右侧出口，温度变化趋势明显，由低到高成梯度式升温，与烟气换热连续、稳定、充分。4.4 流速对换热器性能的影响为研究流体流速对换热器性能的影响，利用Fluent数值模拟时，设置烟气边界条件流速r=0.51.5m/s，温度为473.15k（200）；设置工质R134a边界条件流速g=0.11m/s，温度为293.15k（20）。结合控制变量法，分别对烟气与工质出口温度，随两者边界条件变化进行模拟分析。工质出口温度随烟气和工质边界条件变化而变化情况见图7。图中显示，工质入口流速的增大时，工质出口温度逐渐减低，说明工质流速越大，工质吸热不充分，就会排出，导致换热效率变低；烟气流速增大时，工质出口温度升高，说明烟气流速增大，热量流入越多，工质吸热充分，换热效率变高。图5 温度变化云图图7 工质出口温度变化图（b）图6 流体流动适量图（a）为分析烟气、工质各流道流体的流速和流向变化，选取位置y=80处，设置Scale为35，Skip为35时的流动适量图（见图6a、图6b），烟气流道为层流直流道，工质流道为W型流动方式，换热时间增加，设置的均流装置使工质稳流性能增强。工质流向下一个换热腔时，湍流性能增强，换热效果更明显。烟气出口温度随工质和烟气边界条件变化而变化情况见图8。图中显示，烟气流速增大时，烟气出口温度升高，说明烟气流速越大时，热量流失越多，导致热能浪费；工质流速增大时，烟气出口温度降低，说明工质流速越大时，冷源流入越多，带走的烟气热量越多，传热越充分。图8 烟气出口温度变化图工质流速/（ms-1）烟气流速/（ms-1）工质出口温度/k烟气出口温度/k3903954004054104154204254304354400.50.60.70.80.911.11.21.31.41.5烟气出口温度(K)烟气流速(M/S)g=0.1m/sg=0.2m/sg=0.3m/sg=0.4m/sg=0.5m/sg=0.6m/sg=0.7m/sg=0.8m/sg=0.9m/sg=1m/s73INSTALLATION2023.5Technology Exchange 技 术 交 流4.5 流道尺寸对换热器性能的影响为研究平直翅片流道不同结构尺寸对烟气换热器性能的影响，利用Fluent数值模拟时，分别对工质和烟气流道，设定各不同结构尺寸（见表3）。图10 翅片尺寸对烟气出口温度的影响图9 翅片尺寸对工质出口温度的影响表3 平直翅片尺寸烟气流道翅片尺寸/mm工质流道翅片尺寸/mm长/l间距/d厚度/长/l间距/d厚度/1050.5550.5840.35440.35630.2330.2结合控制变量法，分别对工质和烟气出口温度随平直翅片流道不同结构尺寸变化进行模拟分析（见图9、10）。图中显示，烟气和工质流道的翅片结构尺寸增大时，烟气和工质出口温度均降低。主要是因为烟气和工质流道为横向导热，导致翅片中部与左（右）隔板间有温度差异，使得翅片越高，温差越大，翅片中部温度越低，出口温度降低；翅片间距增大时，左（右）换热隔板面积占总换热面积的比例增大，使得整个烟气换热器换热系数降低，出口温度降低。5 结语基于锅炉房排烟管的特点，设计了一种W型工质流道结构的板翅式烟气换热器，根据板翅式烟气换热器流体的流速、压力、密度和温度等物理量的关系式，对W型工质流道结构进行数学建模。利用Ansys Fluent对烟气、工质的多相流流动情况进行数值模拟，得到以下结论：（1）采用W型工质流道结构，加长了烟气和工质换热时间；设置工质预热腔，工质气化效果更完全；设置均流装置使工质稳流性能增强；换热腔的转变增大了工质流动的湍流性，提高了板翅式烟气换热器换热效率，设计方案具有可行性。（2）烟气和工质流速变化是影响板翅式烟气换热器性能的重要因素，当高温烟气流速较大，液态工质R134a流速较小时，换热效果更好，换热效率最高可达92.1%。（3）平直翅片结构尺寸变化对板翅式烟气换热器的性能影响较大。翅片高度和宽度增大时，流体出口温度降低，换热性能降低，合理选择流道的翅片尺寸是平衡烟气换热器换热系数的关键。参考文献：1穆连波，王随林，朱峰.烟气锅炉燃气冷凝余热深度回收系统应用与节能分析J.暖通空调，2020，50（12）：65-69.2赵飞.锅炉烟气余热回收系统的应用与探讨J区域供热.2019（3）：127-131.3李峰，付林.天然气锅炉房烟气余热深度回收工程案例J.煤气与热力，2015，35.（11）：1-6.4杨辉著，文键，童欣.板翅式换热器锯齿型翅片参数的遗传算法优化研究J.西安交通大学学报，2015，49（12）：90-96.5khoshvaght-AliabadiM，ZangoueiS，HormoziF.Performanceofaplate-finheatexchangerwithvortex-generatorchannels：3D-CFDsimulationandexperimentalvalidationJ.InternationalJournalofThermalSciences，2015（88）：180-192.6WANGYucheng，ZhaoWensheng，WangPengfei，etal.ThermalPerformanceofEllipticalFin-and-TubeHeatExchangerswithVortexGeneratorunderVariousInclinationAnglesJ.JournalofThermalSci-ence.2021，30（1）：257-270.7刘景成，张树友，周智勇.板翅式换热器流道结构改进与流体流动性能分析J.机械工程学报，2014.（18）：167-176.工质流速/（ms-1）烟气流速/（ms-1）工质出口温度/k烟气出口温度/k2702802903003103203303403500.10.20.30.40.50.60.70.80.91工质出口温度(K)工质流速(M/S)5-5-0.54-4-0.353-3-0.23903954004054104154204254304354400.50.60.70.80.911.11.21.31.41.5烟气出口温度(K)烟气流速(M/S)5-10-0.54-8-0.353-6-0.2