新型板壳式省煤器传热性能的数值模拟.pdf

窑 测试与控制 窑修稿日期院 圆园23原05原18作者简介院鞠贵冬渊1989-冤袁男袁博士遥 研究方向院工业节能及强化传热遥0引言目前燃煤电厂的低压省煤器多采用翅片管式省煤器1袁管内通冷凝水袁管间走烟气遥 该种省煤器大多使用焊接翅片袁由于焊接量大袁导致省煤器翅片加工成本占总成本的 50%袁并且翅片焊接一旦出现质量问题袁必然导致翅片与管外表面的接触热阻增大袁 该处也是最容易被腐蚀的地方遥 另外袁翅片管式省煤器传热效果欠佳袁紧凑度低2袁因而换热能力差袁效率低袁需要消耗大量的管材袁占地面积大袁生产成本高袁而且由于烟气与换热管是垂直接触袁导致流阻增加袁容易积灰并且换热管磨损加大袁影响省煤器的寿命3遥板式换热器是一种高效尧紧凑的换热设备遥其换热系数比管翅式换热器高 3耀5 倍曰对数平均温差大袁末端温差小袁占地面积为管翅式换热器的 1/3曰相同换热面积下袁板式换热器重量只有管壳式重量的 1/5曰并且板式换热器加工方便袁易拆卸清洗4遥 虽然板式换热器有许多优点袁但是考虑到燃煤电厂尾部烟道工作环境差袁 烟气温度较高等恶劣环境袁传统板式换热器是不适合的遥新型板壳式省煤器袁采用了不同于传统换热器的设计思想袁融合了管壳式尧板翅式和板式等几种换热器的优点袁是一种结构紧凑尧换热面积增大袁换热效果好尧不容易积灰和结垢袁生产成本低的一种新型电站锅炉板式省煤器遥1新型板壳式省煤器的结构和及其特点与目前燃煤电厂采用的管壳式省煤器相比袁 新型板壳式省煤器的主要结构特点表现在它的传热元件是板片袁见图 1遥 板片一般由 12mm 的不锈钢板片压制成半椭圆波纹状袁板片与板片叠加袁形成一个板束袁板束内椭圆通道走冷凝水遥 板束与板束之间错位叠放袁板束之间的空间就形成烟气波纹通道遥 板壳式省煤器换热芯体见图 2遥新型板壳式省煤器的工作原理与现在广泛采用的翅片管式省煤器基本相同袁 即凝结水走板束中的椭圆形通道袁并且凝结水能在椭圆形通道中根据要求可以循环加热吸收烟气热量袁这样易于降低烟气温度袁提高烟气余热利用遥The Numerical Simulation of Heat Transfer Performance Forplate and Shell EconomizerJU Gui-Dong渊Shuangliang Eco-Energy Systems Co.袁Ltd.袁Wuxi Jiangsu 214000袁China冤Abstract院 According to the new type of plate and shell economizer袁 heat transfer of plate and shell economizer爷s mathematical model wereestablished.And which heat transfer and flow resistance performance was simulated by using Fluent software.Based on reasonable simplifiedmodel袁 Standard k-着 model and speed-pressure coupled SIMPLE algorithm were used.The fluid pressure袁 velocity袁 temperature nephogramand related calculating data of representative plate and shell economizer were acquired.The results show that its heat transfer coefficient is81.3W/m窑 益袁 is about 2 times of tube and fin economizer and its pressure drop is 180.9Pa袁 which is according with industrial designrequirements and providing a theoretical reference for experimental research and production.Keywords院 Plate and shell economizer曰 Conjugate heat transfer曰 Numerical simulation曰 Flow resistance performance新型板壳式省煤器传热性能的数值模拟鞠贵冬渊双良节能系统股份有限公司袁 江苏 无锡 214000冤文章编号院 员园园圆原远远苑猿 渊圆园23冤 园4原147原园4摘要院 建立了新型板壳式省煤器的传热数学模型袁 并利用 FLUENT 软件对模型进行了求解遥 在合理简化板式省煤器物理模型的基础上袁 采用标准 k-着 模型和速度-压力耦合的 SIMPLE 算法袁 获得了有代表性的板壳式省煤器流体压力尧 速度尧 温度云图和相关计算数据遥 计算结果表明袁 板壳式省煤器传热系数为 81.3W/m 窑 益袁压降为 180.9Pa袁 与管翅式省煤器相比具有较大的优势遥关键词院 板壳式省煤器曰 共轭传热曰 数值模拟曰 流阻特性中图分类号院 TP39文献标识码院 粤doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2023.04.041机电产品开发与创新阅藻增藻造燥责皂藻灶贼 驭 陨灶灶燥增葬贼蚤燥灶 燥枣 M葬糟澡蚤灶藻则赠 驭 E造藻糟贼则蚤糟葬造 P则燥凿怎糟贼泽灾燥造援36熏晕燥援4Jul援熏圆园23第 36 卷第 4 期圆园23 年 7 月147窑 测试与控制 窑图2板壳式省煤器Fig.2 Plate and shell economizer新型板壳式省煤器的优点是院 可通过调节板束与板束之间的烟气通道来降低烟气的压降遥 在保证烟气侧压降小于 300Pa 下袁增加板片长度以增加换热面积袁提高换热量遥 介质在换热芯体内所有换热表面都是一次表面袁换热效率大幅提高袁结构紧凑袁占地面积小遥 板壳式省煤器保持了板式换热器结构紧凑袁高效的特点袁又具有管壳式换热器耐高温的特点袁使其具有传热效率高袁不易结垢袁即使结垢也容易清理遥 同时新型板壳式换热器可以做成多个模块袁易于拆卸清洗遥2板壳式省煤器的数值模拟过程为了更好的了解新型板壳式省煤器的传热特性袁 以及流速尧板壳式省煤器形状参数对传热性能的影响袁必须对板壳式省煤器进行数值模拟袁为实验与生产提供理论依据遥近年来随着计算机性能不断的提升袁 计算流体动力学渊Computational Fluid Dynamics 袁简称 CFD冤作为一种新研究方法应运而生袁 并且在工程应用的很多方面取得长足的发展遥相比传统实验方法袁数值模拟方法具有很多突出优点5院如不依赖于真实的试验模型与实验场地研发周期较短尧费用较低廉尧限制较少曰CFD 数值方法已经成功分析了各类案例6-7袁且经与实验结果做比较后袁均可证实CFD 模拟的可靠性遥 因此 CFD 软件成为工程设计和研究的重要工具之一遥本文以 CFD 软件 FLUENT 作为数值求解工具袁 在对物理模型进行合理的简化处理的基础上袁对板壳式省煤器水侧与烟气侧的流阻特性与换热情况进行了模拟计算研究并得出了相关结论袁此数值模拟工作为实际板壳式省煤器的设计提供了基础数据和有指导意义的理论分析遥2.1 板壳式省煤器物理模型由于板片都是一层一层叠放的袁 所以相邻两层之间的换热都是一致的袁因此袁对模型进行简化处理遥 模拟 3组水通道袁2 组烟气通道即可很好的说明板壳式省煤器的流动性能与传热系能遥 模型截面示意图见图 3遥 板束之间走烟气袁烟气通道长 515mm袁板束间距 35mm袁凝结水走椭圆循环通道袁椭圆通道个数 16 个袁椭圆通道长半轴为 15mm袁短半轴为 4mm袁椭圆通道长度为 2m遥板壳式省煤器主要几何尺寸和相关物性参数分别见表 1 和表 2遥2.2 板壳式省煤器三维传热模型的建立和网格划分板壳式省煤器的建模采用了三维建模软件 Gambit袁由上述参数中的详细尺寸建立三维模型袁 包括壳程流体和管程流体两个部分袁建好模型后袁采用 hex/wedge 结构化网格袁整个模型中共有节点 Node 1478062 个袁单元 El鄄ement 1148922 个袁在 Gambit 模块下设定其边界类型和流体类型如下院烟气尧凝结水进口为速度入口袁出口为自由压力出口袁换热面为 wall 边界条件袁其余壁面均为 wall 边界条件袁板壳式省煤器模型网格图见图 4遥2.3 模拟计算过程对板壳式省煤器模型进行如下简化院渊1冤忽略由于温差引起的辐射换热遥渊2冤忽略省煤器边界与外部环境换热袁即 wall 边界条图1板壳式省煤器板片Fig.1 The plate of plate and shell economizer图3板片截面示意图Fig.3 The diagram of plate section表1板壳式省煤器主要几何尺寸Tab.1 The main geometry dimensions of plate and shelleconomizer传热面积S/m2凝结水通道长度L/m烟气通道长度L1/mm椭圆通道长轴a/mm椭圆通道短轴b/mm第一块板束左侧平面区长度 S1/mm第一块板束右侧平面区长度S2/mm4.0225151542510第二块板束左侧平面区长度S3/mm第二块板束右侧平面区长度S4/mm第三块板束左侧平面区长度S5/mm第三块板束右侧平面区长度S4/mm板片厚度d/mm102525102表2凝结水与烟气主要物性参数Tab.2 The main physical parameters of gas and condensationwater介质进口温度T1/益流速v1/渊m/s冤流量q1/渊kg/s冤密度 籽/渊kg/m3冤比热 cp/渊J/渊kg 窑 K冤冤动力粘度 浊/渊kg/渊m 窑 s冤冤热导率 姿/渊W/m 窑 益冤凝结水270.50.23599841820.0010.64烟气150101.7150.9100622.4e-0.50.035钢7800502.4850148窑 测试与控制 窑图5省煤器压力场云图Fig.5 The nephogramof pressure fieldof Economizer件设为无热流密度遥在简化的物理模型下建立其数学模型8袁可以用以下5 个方程表示院连续性方程院鄣籽鄣t+鄣鄣xi渊籽ui冤=Sm渊1冤动量方程院鄣鄣t渊籽ui冤+鄣鄣xi渊籽uiuj冤=-鄣p鄣xi+鄣子ij鄣xi+籽gi+Fi渊2冤能量守恒方程院鄣鄣t渊籽ui冤+div渊籽T冤=div渊kcpgradT冤+Sr渊3冤式中院p要静压曰子ij要应力张力曰gi和 Fi分别为 i 方向上的重力体积和外部体积力曰cp要比热容曰T要温度曰k要流体的传热系数曰Sr要流体内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分遥空气流动采用标准的 k-着 模型院鄣鄣t渊籽k冤+鄣鄣xi渊籽kui冤=鄣鄣xi渊滋+滋l滓k冤滓k鄣xj+Gk+Gb-籽着-YM+Sk渊源冤式中院Gk要由于平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生项曰Gb要由于浮力引起的湍动能 k 的产生项曰YM要可压湍流中脉动扩张的贡献曰滓k是与湍动能 k 对应的 Prandtl 数袁Sk是用户定义的源项遥壳程烟气进出口的是 2m伊0.035m 的长方形袁 烟气流速 10m/s袁则烟气当量直径 d1袁雷诺数 Re1为院d1=4AP=0.069渊缘冤Re1=ud籽浊=10伊0.069伊0.91.79e0.5=3469210000渊远冤故属于湍流袁采用湍流模型来模拟壳程流动遥管程凝结水进出口的是短轴为 4mm袁 长轴为 15mm的椭圆袁凝结水流速 0.5m/s袁则烟气当量直径 d2袁雷诺数Re2为院d员=4AP=0.007渊苑冤Re员=ud籽浊=0.5伊0.007伊9980.001=34932300渊愿冤故属于过度流袁故仍可以采用湍流模型来模拟管程流动遥因本文中的流体均不可压袁 所以求解中采用基于压力求解器渊Pressure Based Solver 冤曰三维空间渊3D冤 袁单精度曰定常流动渊Steady冤曰绝对速度渊Absolute Velocity For鄄mulation冤遥模型中因涉及传热计算袁故打开能量方程渊Energy E鄄quation 冤遥湍流粘性渊Viscous冤采用 k-Epsilon渊2 eqn冤 模型袁近壁面的处理 渊Near-Wall Treatment冤 采用标准壁面函数渊Standard Wall Functions冤 曰压力和速度解耦采用 SIMPLE算法渊Semi Implicit Method for Pressure Linked Equation冤曰动量尧 能量以及湍流参量的求解采用一阶迎风格式渊Sec鄄ond Order Upwind冤遥亚松弛因子渊Under-Relaxation Factors冤等均按默认设置遥 计算流体进口采用速度入口条件袁给定流体流速尧温度及相应的湍流条件曰 流速为前述计算接管进出口速度所得值袁湍流定义方法渊Turbulence Specification Method冤则选择湍流强度渊Turbulent Intensity 冤百分比和水力直径渊Hydraulic Diameter 冤袁参考相关文献定义遥 出口采用压力出口边界条件渊Pressure-outlet 冤遥板壳式省煤器的性能是由管程和壳程相互热接触的状态决定的遥 省煤器中的热传递包括椭圆通道与管内外流体的对流换热和板片的导热袁 同时换热管内外流体之间的热量交换是耦合在一起的遥 像这种同时考虑固体内部的导热与流体热对流的复合系统袁称为共轭传热系统遥Fluent 可以计算模拟共轭传热问题遥在设置换热面时候将材料定义为渊Copper冤袁厚度则为板片厚度渊1 毫米冤曰由此会得到一个壁面和这个面的野影子冶渊Shadow冤袁在这个界面上就能完成热量的热固耦合传递遥 质量及能量计算残差控制在 10-5数量级袁其他设为 10-3数量级遥3模拟计算结果及分析经 Fluent 软件数值模拟后迭代 1000 步后收敛袁 得出板壳式省煤器流体压力渊见图 5冤尧速度渊见图 6冤尧温度云图渊见图 7冤遥图4 Gambit中省煤器模型网格图Fig.4 The diagram of economizer model in Gambit149窑 测试与控制 窑图6省煤器速度场云图Fig.6 The nephogramof velocity field of Economizer图7省煤器温度场云图Fig.7 The nephogramof temperature field of Economizer结果分析如下院渊1冤流场压力特性袁由图 5 可知袁新型板壳式省煤器烟气侧袁水侧压降都不是很大袁烟气侧压降小于 200Pa袁水侧压降的梯度较烟气侧压降梯度更明显曰 沿着流动方向压力分布呈下降趋势遥渊2冤流场速度特性袁由图 6 可知袁烟气侧由于是波纹通道袁 烟气通道内流速大于烟气进口流速袁 流速变化较大袁烟气湍流度增强袁换热效果更好遥 水侧流速变化不大遥渊3冤流场温度分布袁由图 7 可知袁烟气温差与水侧温差相差不大袁 水在循环通道中被烟气加热袁 循环通道越多袁后面椭圆通道换热效果越差遥计算结果见表 3遥4板壳式省煤器与传统翅片管式省煤器的比较通过与某电厂 600MW 机组翅片管式低压省煤器对比袁在总换热量与烟气侧压降相同的情况下袁板壳式省煤器与翅片管式省煤器各设计参数比较见表 4遥由表 4 可看出袁在烟气压降与换热量相同的情况下袁设计的板壳式省煤器能深度冷却烟气袁换热系数高袁所需钢材仅为同等条件下翅片管式省煤器的 1/5袁体积约为其 1/4遥5结论本文建立了新型板壳式省煤器的传热数学模型袁并使用 FLUENT 软件对模型进行了求解袁得出了如下结论院渊1冤板壳式省煤器换热系数为 81.3W/m 窑 益袁是管翅式省煤器的 2 倍左右袁相同换热量下袁节约了钢材成本袁并且板壳式省煤器加工尧安装方便袁易于拆卸清洗遥渊2冤板壳式省煤器压降为 180.9Pa袁可满足绝大多数情况风机余量的要求遥渊3冤通过对板壳式省煤器进行数值模拟袁得出板壳式省煤器的压力尧速度尧温度数据袁这对优化板式省煤器的结构和实验模拟提供理论基础遥渊4冤通过对比板壳式与翅片管式省煤器袁在烟气压降与换热量相同的情况下袁 所需钢材仅为同等条件下翅片管式省煤器的 1/5袁体积约为其 1/4遥参考文献院1 吕玉坤袁卢权袁马强袁等.鳍片管省煤器结构优化的三维数值模拟J.华北电力大学报袁2008袁35渊4冤院38-44.2 刘聿拯袁袁益超袁曹建光袁等.螺旋鳍片管束在锅炉省煤器中的应用分析J.热力发电袁2003袁32渊10冤院44-46.3 陈立新袁颜瓂桢.螺旋翅片管省煤器抗磨性能的研究J.节能技术袁2007袁25渊145冤院458-460.4 田茂诚.板式换热器传热与流动分析D.山东大学袁2005.5 王福军.计算流体动力学分析 CFD 软件原理与应用M.北京院清华大学出版社袁2004.6PrithivirajM袁AndrewsMJ.Threedimensionalnumerical simulation ofshell-and-tube heat exchangers.PartI院Heat transfer.NumericalHeatTransfer袁PartA袁1998袁33渊8冤院817-828.7 邓斌袁陶文铨.管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究援西安交通大学学报袁2003.8 陶文铨.数值传热学M.西安院西安交通大学出版社袁1988.9Fluent Inc.FLUENT6.0Tutorial User爷s Guide Volumel 2 M援Lebanon院FluentInc袁2001.表3数值模拟计算结果Tab.3 The results of the numerical simulation calculation烟气水入口流速渊m/s冤100.5流量渊kg/s冤1.7150.235进口温度渊K冤423300出口温度渊K冤405331.3压降渊Pa冤180.924841.4总换热量渊W冤30830换热面积渊m2冤4.02总换热系数81.3表4两种省煤器对比结果Tab.4 Two kinds of economizer contrast results板壳式省煤器翅片管式省煤器烟气流量渊kg/s冤56.861进口烟气温度渊K冤413413出口烟气温度渊K冤370373烟气侧压降渊Pa冤480480总换热量渊kW冤27002700换热面积渊m2冤3531781总换热系数8042所需钢材渊t冤320省煤器长伊宽伊高渊m冤2伊1.3伊2.54.2伊3.2伊2150