一種新型順排錯(cuò)流換熱器的流動與傳熱過程分析.pdf

1、水泥行業(yè)的能耗和污染問題十分突出。在水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量余熱，若能充分利用，既可以滿足企業(yè)用電需求，又能降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益，還可以減輕熱污染和環(huán)境污染，是世界水泥工業(yè)發(fā)展的趨勢。我國作為世界最大的水泥生產(chǎn)和消費(fèi)國，充分利用水泥工業(yè)余熱勢在必行。在水泥余熱回收系統(tǒng)中，余熱鍋爐受熱面是熱能轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，高溫?zé)煔庖酝饴庸苁鴵Q熱的形式，加熱管內(nèi)的水形成蒸汽進(jìn)行發(fā)電。管束排列方式主要有兩種，即順排和叉排排列。順排管束排列整齊均勻，具有較小的

2、流動阻力，且易于清洗和吹灰，但其傳熱系數(shù)較小，換熱效率低;叉排管束交叉布置，煙氣通過管束間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道流動，湍流強(qiáng)度高，具有更高的傳熱系數(shù)，但流動阻力和飛灰沉積量較大。
　　針對水泥余熱利用中存在的問題，本課題組研發(fā)并制造了一臺新型順排錯(cuò)流換熱器，應(yīng)用于某水泥廠的工業(yè)余熱集成利用系統(tǒng)，并構(gòu)建了余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)平臺，依托于水泥工業(yè)生產(chǎn)而又相對獨(dú)立。本文以順排錯(cuò)流換熱器為研究對象，采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，以及多目標(biāo)優(yōu)化的

3、方法，分析了換熱器流動及傳熱特性。
　　構(gòu)建了換熱器傳熱和流動、熵產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)性的理論模型，選取SSTκ-ω模型用于換熱器數(shù)值計(jì)算。利用商業(yè)軟件ANSYS Fluent15.0，采用數(shù)值模擬的方法對換熱器流動與傳熱特性進(jìn)行研究，對順排錯(cuò)流換熱器與傳統(tǒng)順排和叉排換熱器進(jìn)行比較分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，順排錯(cuò)流換熱器的傳熱性能明顯優(yōu)于順排和叉排換熱器。在相同入口速度條件下，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比順排高37.5～78.8％，比叉排高32.7～66.7

4、％，但壓降和流動阻力也高于二者。對不同管間距的順排錯(cuò)流換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析管間距對換熱器參數(shù)及流動傳熱特性的影響;當(dāng)達(dá)到ST/do=2.0和SL/do=2.5以后，管間距的增大對傳熱和阻力影響很小。根據(jù)模擬結(jié)果擬合得到了傳熱與阻力性能關(guān)聯(lián)式，并通過對換熱器的綜合性能進(jìn)行評價(jià)，得出管間距組合為ST/do=2.0、SL/do=2.0以及ST/do=2.0、SL/do=2.5的換熱器綜合性能最優(yōu)。
　　設(shè)計(jì)并搭建了換熱器實(shí)驗(yàn)平臺，

5、依托水泥工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行了換熱器傳熱與阻力性能的大型工業(yè)實(shí)驗(yàn)研究，完成了不同熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)流量、給水流量等工況的水泥余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)，分析不同工況特點(diǎn)對溫度、壓力、流量等參數(shù)的影響。與順排換熱器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，在相同質(zhì)量流量下，順排錯(cuò)流換熱器的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高47.9～65.6％，但每排管束的壓降也比順排高1.6～2.5倍，換熱器的有效度也優(yōu)于順排管束，具有高傳熱系數(shù)和高壓降的特征。相同Res下順排錯(cuò)流換熱器的Nus比順排高3.2～9.9％，fs比

6、順排高7.8～36.1％。順排錯(cuò)流換熱器具有更高的PEC*值，表明其殼側(cè)綜合性能更好。特殊結(jié)構(gòu)使順排錯(cuò)流換熱器具有了非常高的管間特征流速，雖然大幅提高了傳熱性能，但卻是以犧牲阻力性能為代價(jià)的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了順排錯(cuò)流換熱器殼側(cè)Nus和fs隨Res變化的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法的可靠性與準(zhǔn)確性。
　　綜合考慮換熱器各項(xiàng)性能指標(biāo)，基于換熱器實(shí)驗(yàn)工況條件，以包括換熱管外徑、蛇形管管屏數(shù)、管程數(shù)、管

7、長、橫向管距、縱向管距以及進(jìn)口風(fēng)溫在內(nèi)的共7個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，分別采用傳熱量最大和壓降最小為目標(biāo)函數(shù)以及采用Ns,△T最小和Ns,△P最小為目標(biāo)函數(shù)，使用Matlab遺傳算法對工具箱換熱器進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。在相同傳熱量前提下，以傳熱量和壓降為目標(biāo)優(yōu)化后的換熱器傳熱面積、總壓降和總成本比原始設(shè)計(jì)分別降低25.1％、85.7％和32.8％。提出使用假設(shè)理想點(diǎn)的方法定位Pareto前沿上與假設(shè)理想點(diǎn)距離最近的點(diǎn)作為最優(yōu)點(diǎn)，并與Q/NP取最大