工艺与装备 ３７ 基于ＣＦＸ对管式换热器在烟气余热回收中的改进 汪建新 王昱博 （内蒙古科技大学机械工程学院，包头０１４０１０） 摘 要：通过对换热器结构特点的分析，提出在换热管外壁添加圆形翅片以此来提高管式空气换热器的余 热回收。利用ＣＦＸ软件模拟分析新型换热器的传热特性，通过分析翅片厚度、翅片间距、翅片高度得出，翅片厚 度为０．８ｒａｍ、翅片间距为３ｒｎｍ、翅片高度为１２．５ｍｍ，换热器的换热性能最佳。 关键词：管式空气换热器 余热回收ＣＦＸ数值模拟有限元分析 随着２１世纪的到来，人类社会已经发展到一个新阶 该模拟对象来自于某工厂用于工业炉窑烟气回收的 段，工业迅速的发展导致对能源的需求量在不断增加。与 管式空气换热器，图１为管式空气换热器的实体图，烟气 此同时，我国正面临着能源需求紧张和环境污染严重的 横向流过换热管外，管内流体为空气，烟气的热量通过换 问题，因此开发新型能源和节省能源消耗已经是我国经 热管管壁传递给管内的空气，以此达到余热回收的目的。 济发展的重点方向［１－２］。尤其是在二十世纪７０年代后出现 图２展示了换热器管束的排列方式，可以看出换热器前 的能源危机，我国开始寻找新能源和节省型能源，换热器 半部分管束排列呈现错位排列而后半部分呈现顺排，这 是开发利用和节省能源的有效设备，在换热和工业余热 种排列方式能有效的提高空气换热器的换热性能。换热 回收中，它被广泛地应用于许多工程领域中，因此换热器 器的主要结构参数如表１所示。 的研发受到我国及研究机构的高度重视 ］。 表１空气换热器的主要结构参数 管式空气换热器作为高温烟气余热回收的重要设备， 其换热性能的好坏直接影响了过程工业热经济性的高 低。近年来，国内外对各种空气换热器进行了大量的研 究。同时ＣＦＤ广泛应用于分析换热管内流场、换热管外流 场的传热特性研究。 本文利用数值模拟软件ＡＮＳＹＳ ＣＦＸ，以空气换热器 １．２几何模型和基本设定 的实际工作参数作为依据，模拟分析流场区域的温度变 本文采用ＣＦＸ进行数值分析，考虑到空气换热器内 化和压力变化，通过模拟的结果与实际情况对比，以此来 部结构的复杂性和对称性，对空气换热器的物理模型进 确定流场模型的合理性。应用强化传热理论对空气换热 行简化。根据截取３排换热管和周围的烟气作为研究对 器结构参数提出改进方案，通过ＣＦＸ分析出新的空气换 象，由于管束结构的对称计算区域如图３所示。 热器传热特性，确定空气换热器在运行时最佳的工作参 在模拟过程中作如下基本假设： 数，以此来得到合理的换热器结构，为空气换热器在高温 （１）流体为不可压缩性流体、流体物性参数为常数、 烟气余热回收时提供理论指导。 忽略重力； （２）管束材料的物性参数为常数； （３）流体为湍流； （４）传热过程中忽略辐射，流体在壁面无滑移。 Ｏ ｏｏ Ｏｏｏ Ｏ ｏ Ｏ Ｏ ｏｏ ｏｏｏ Ｏ ＯｏＯ ｏｏｏ ｏｏｏ Ｏ ｏｏ ｏ ｏ０ ｏ ０ ０ ０ Ｏｏ ００Ｏ ０ｏ Ｏ ０ Ｏｏ ０ ０ ０ Ｏｏ ０ Ｏ０ ０ ０ ０ ０ ０ Ｏ ０ ０ Ｏ ０ ０ｏｏｏｏｏ ０ ｏ ｏ ｏｏｏｏｏｏｏ ｏｏｏ ｏｏｏ ｏｏｏ ｏ ｏｏ ｏ ｏｏ ｏ ｏ ｏ ０ ｏｏ ０ｏｏ ｏｏ ｏ Ｏ ｏ ｏ ０ ｏ ０ ｏ０ ０ ｏｏ ０ ｏ ｏ ０ Ｏ ｏ Ｏ Ｏ ｏ ｏ ｏｏｏ０ｏｏ ０ ｏ ０ ｏｏｏ ０ｏ０ｏ ｏｏｏ ｏｏｏ ｏｏｏ ｏ ｏｏ ｏ ｏｏ ｏ ｏ Ｏ Ｏ ｏｏ Ｏｏｏ Ｏｏ０ Ｏ Ｏ ｏ Ｏ ｏ Ｏ ｏｏ ０ ｏｏ ０ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ０ ０ ｏ ｏ Ｏｏｏｏ０ｏ Ｏ Ｏｏ ０ｏ０ｏｏｏｏ ｏｏ０ｏｏｏｏｏｏｏ０ ０ｏ０ｏ０ ｏｏ ｏ ｏｏ ｏｏｏ ｏｏ０ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ ０ ｏ ｏ ｏｏ０ ｏｏｏ ｏ０ｏｏｏｏｏｏ０ ０ ｏｏｏ ０ｏ ０ ｏｏ０ｏｏｏ ０ ｏｏ ０ ｏ ｏ ０ ｏｏ ０ｏｏ ０ｏ ０ ｏ ｏｏ Ｏ ｏ ｏ ｏｏ Ｏ ｏｏ Ｏ ０ｏ Ｏ Ｏ ｏ Ｏ Ｏ ｏ ０ ｏｏｏ Ｏｏｏ Ｏ Ｄｏ ｏｏｏ ０ｏｏ Ｏ ｏｏｏ Ｄｏｏ ｏｏｏ Ｏ ｏｏ Ｏ ｏｏ ｏ ０ Ｏ ０ ｏｏ ｏｏｏ Ｏｏ Ｏ Ｏ ｏｏ ｏｏ Ｏ ｏｏ Ｏ ｏｏ Ｏ ｏｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ｏ ｏ ｏｏｏ ｏｏｏ Ｏ ｏｏ ｏｏｏ ｏｏｏ ｏ ｏｏｏ ｏｏ ｏ ｏｏｏ ｏ ｏｏ ｏ ｏｏ Ｏ ０ｏ Ｏ ｏｏ Ｏｏｏ Ｏｏ ｏ Ｏ Ｏ ｏ ０ ｏ ０ ｏｏ ０ Ｏ ｏ ０ ｏ ｏ ０ ０ Ｏ ｏ Ｏ ｏ ｏ ０ ０ｏ ００ｏ ｏｏ ｏ ０ ０ｏ ｏｏ０ ０ ０ｏ０ ｏｏｏ ｏｏｏ ｏ ｏｏ ｏ ００ ｏ 图１管式空气换热器 ｏ ｏ Ｏ Ｏ ｏ Ｏｏｏ ｏｏｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ｏ Ｏ ｏｏ Ｏ ＯＯ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ｏｏ ｏｏｏ Ｏｏ ｏ Ｏ ｏＯ Ｏ ｏｏ ｏ Ｏｏｏ Ｏｏｏ ｏｏｏ Ｏ ０ｏ ０ ｏｏ ０ １模拟分析求解 ｏ０ Ｏ ０ ｏ Ｏ０ｏ ０ｏ０ ｏ０ｏ ｏｏ ｏｏ ｏ ０ ０ ｏ ０ ｏ０ ｏ ０ ｏ ０ ｏ ｏ ０ １，１模拟对象 图２换热器管束排列图 工艺与装备 ３９ 不变。建立流场区域模型如图７所示。以上述的参数为边 界和初始条件在不同的翅片厚度下计算烟气的温度分布 和压力分布。结果分析如下： ｒ ］ Ｌ 莩 ＿＿＿ （ａ）翅片管的截面布置图 （ｂ）局部模拟区域图 图７流场区域模型图 图８所示为翅片厚度与表面换热系数的关系曲线图。 由图可知，随着翅片的厚度增加，烟气的表面换热系数在 提高但上升的幅度很小，翅片厚度超过１．２ｍｍ厚时对表 面换热系数影响不大。同时，从设备的整体造价方面考 虑，翅片厚度的增加会提高制造的成本。因此，选用厚度 为０．８ｒａｍ的翅片最佳。 图８翅片厚度与表面换热系数的关系曲线 （２）翅片间距的确定 改变翅片的间距，它的变化范围从３ｒａｍ到９ｒａｍ，步长 为２ｍｍ，其他参数保持不变，得到翅片在不同间距下对换 热器传热特性的影响。 图９表面换热系数随翅片间距增大的关系图 如图９所示为表面换热系数随翅片间距的变化图，由 图可知，随着翅片间距的增加，表面换热系数在减小。这 是因为翅片间距能影响单位长度的换热面积，故减小翅 片间距能相应的提高表面换热系数，使换热效果增强。 （３）翅片高度的确定 改变翅片的高度，它的变化范围从５ｍｍ到１２．５ｒａｍ，步 长为２．５ｍｍ，其他参数保持不变，得到翅片在不同高度下 对换热器传热特性的影响。 圈１０翅片高度和表面换热系数的关系曲线图 图１１翅片高度和压力损失ＡＰ的关系曲线图 图ｌ０到图１１中翅片高度有５ｍｍ增加到１２．５ｒａｍ时， 烟气的表面换热系数和它的压降都在增大；说明换热器 的换热性能＿一直在增强，当翅片高度增加到１２．５ｒａｍ时， 空气换热器的换热性能达到最大。 ３．３改进的评价结果 通过上述的模拟分析可知，只改变单一参数而其他参数 不变的情况下，烟气进口速度Ｖ＝２．１６ｍ／ｓ、翅片厚度ｔ ０．８ｒａｍ、 翅片间距ｓ＝３ｍｍ、翅片高度ｈｆ＝１２．５ｒａｍ，换热器的换热性能 均达到最佳效果。 表３换热器各参数 烟气进口速度（ｍ／ｓ） ２．１６ 管径ｄ（ｍｍ） ４２ 翅片直径ｄ，（ｍｍ） ６７ 翅片高度ｈ （ｍｍ） １２．５ 翅片厚度ｔ （ｍｍ） ０．８ 翅片间距ｓ（ｍｍ） ３ 横向管间距Ｓ （１ｎｒｆ１） ８８ 纵向管间距Ｓ （ｍｍ） ７８ 管排数ｎ ３３ （下转第７０页） ７０ 现代制造技术与装备 ２０１４第５期总第２２２期 （３）学生通过老师的组织和教学，每个学生都必须拆 行课程设计考核，可提高学生的学习积极性。 参考文献 装一次，并考查拆装顺序。在自己动手操作的实践过程中 悟出机械装置的构造，工作原理；在现场测量各零件并绘 制零件草图和装配图，分析零、部件的作用、性能要求、工 艺性能、基准等。 （１］迟玉伦、李郝林、林建中．汽车变速器拆装测绘实验教学的时 ２．５教学条件的改善 间和探索…．中国科技信息，２０１１年第１３期 【２】陈儒军、洪小丽、刘矿陵．高职《机电设备机械结构拆装、检 除增加装置设备外，学院同时加大经费投入，多渠道 的开辟学生的实践途径。例如：争取与校外实训基地有一 些实质性的深度合作，充分利用校内外实践基地，让学生 测与维修》课程开发与教学实践【Ｊ】．科技信息，２０１２年第５期 【３］董晓冰．浅谈行动导向教学法在《机械拆装与测绘》课程中的 应用 ．中国新技术新产品，２０１２年第１期 ［４］周利江，孙丕波．机械拆装仿真教学平台研究Ⅲ．电子设计 活学活用，边学边用，为学生加强能力培养提供有利条件 工程，２０１１年第２０卷第５期 和良好氛围。 ３实践效果 Ｂｒｉｅｆｌｙ Ｄｉｓｃｕｓｓ ｔｈｅ Ｄｅｆｏｒｍ ｏｆ Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｄｕｒ—— （１）强化实践教学，突出实践能力的培养。构建“应用 ｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＣｏＵｅｇｅ 型”人才培养目标的实践教学体系，实践能力培养贯穿教 ＷＡＮＧ Ｆａｎｇ （Ｈｕａｘｉａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３０２２３） 学全过程。在保证本科教育水平的同时，适当精减理论讲 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ（（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅ— 授内容，增加实践操作环节的比例。 ｑｕｉｐｍｅｎｔ ｄｉｓｍａｎｔｌｉｎｇ ｏｆ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ ｄｒａｗｉｎｇ）＞ａｓ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｓｕｂ－ （２）统一规范了实践教学过程中的相关教学文件，实 ｊｅｃｔ，ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｈｏｕｇｈｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ 现教学管理标准化。构建完善、开放的教学资源，让学生 ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｃｏｌｌｅｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｏｆ ｆｏｓｔｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ—－ｏＨｅｎｔｅｄ ｔａｌ—— ｅｎｔｓ，ｍａｋｅｓ ａｄｖｅｎｔｕｒｏｕｓ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ 更加直观、具体地了解到自己的工作任务、性质、内容、方 ｔｅａｃｈｉｎｇ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ｐｒｏｍｏｔｅｓ 法和步骤，引导学生通过实践和自学获取知识，培养工程 ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ． 设计能力。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｃｏｌｌｅｇｅ、ｔｒ ａＩＩｓｆｂｍａｔｉ０ｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ． （３）采用科学、合理的考核体系和考核方法对学生进 ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ （上接第３９页） 回收的应用提供理论依据。 因此以表３所示的参数为边界和初始条件模拟分析 此时换热器的传热特性。其结果分析表４。 参考文献 表４换热器改进前后的对比 ［１】周建新，宋秉棠，陈韶范等．板式空气换热器的推广应用…． ｌ ｛ 改进前 ５改进后 Ｉ 石油化工设备，２００７，３６（１）：６８—７Ｏ． Ｉ 雷诺数Ｒｅ ｊ ２４９６ ｊ２８１２ ｌ ［２】Ｐｅｔｒ Ｓｔｅｈｌｉｋ．Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｕｂｊｅｃｔ ｉｎ ｗａｓｔｅ－ｔｏ－ｅｎｅｒ— ｇＹ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，（２７）：１６５８—１６７０． ｆ换热系数ｗ／（ｍ ・ｋ） 『 ５７．７ Ｉ２０８．５ Ｊ ［３］于志英．间壁式空气换热器的研究进展…．浙江化 ， 【 压力损失Ｐａ Ｉ ５０ ｛３０ ｌ ２００７，３８（７）：２０—２２． 由表４可知改进后的换热器在工作时烟气流动明显 ［４】Ｆａｋｈｅｒｉ，Ａｈｍａｄ．Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｓｅ— ｒｉｅｓ【Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，２００８，１３０（８）：１１５—１１８． 增强，并且换热效果要远远好于改进前的换热器，同时烟 【５］史美中，王中铮．热交换器原理与设计（第二版）【Ｍ］．南京：东 气的流动阻力也增大很多。 南大学出版社，２００３．８． ４结论 以实际工作参数为依据，对空气换热器管外烟气的换 Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｕｂｕｌａｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｎ ｆｌｕｅ ｇａｓ ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＦＸ 热特性进行了数值模拟。模拟得出的结果与实际情况相 ＷＡＮＧ Ｊｉａｎｘｉｎ．ＷＡＮＧＹｕｂ０ 比基本吻合，但还存在一定的误差。这是由于在模拟过程 （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ 中对流体进行参数设定时产生的。 Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０） 应用强化传热理论和方法对管式换热器提出改进方 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒ— ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｄｄｉｎｇ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｆｉｎ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｃｕｔｅｒ 案，即在光管的外壁添加圆形翅片来增加换热管的传热 ｗａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｐｉｐｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ 面积以此来换热器的换热效果。通过对翅片厚度、翅片间 ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ ｂｙ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ 距、翅片高度、烟气进口速度的数值模拟结果可以发现，４ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＣＦＸ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｏｂ— 个参数对换热器的换热性能都有一定的影响。其中翅片 ｔａｉｎｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｆｉｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ。ｆｊｎ ｈｅｉｇｈｔ，ｆｉｎ ｐｉｔｃｈ，ｆｉｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ０．８ｒａｍ，ｆｉｎ ｐｉｔｃｈ ｉｓ ３ｍｍ，ｆｉｎ ｈｅｉｇｈｔ ｉｓ １２．５ｍｍ，ｔｈｅ ｈｅａｔ 厚度、翅片高度、烟气进口速度的增加使得换热器的换热 ｔｒｎａｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｓｔ． 性能增大，翅片间距的增加使得换热器的换热性能减弱。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅ ｔｙｐｅ ａｉｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ；ｎｕｍｅｒｉ— 本文的研究结果为管式空气换热器在高温烟气余热 ｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ：ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
