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圓形翅片結構及排管方式對換熱器換熱性能研究

       隨著煙氣余熱回收技術的不斷發展,要求煙氣余熱回收系統不僅要有較高的運作效率,其占用空間和重量也都不能過大,以便容易適應復雜工作環境。其中煙氣換熱器作為系統中較大的設備之一,重要性不言而喻。在現階段,為提高煙氣余熱回收效率,主要關注換熱器熱交換效率的高低以及換熱器進出口壓力損失的大小。通常為了增強殼側的對流換熱強度,在設計時通常采用殼內加裝折流板、改變換熱管的排布方式、將換熱管的管內和管外表面軋制成不同種的形狀來增強殼側的湍流強度;以及使用換熱器翅片管增大換熱面積來提高總體熱交換效率。而本章將采用數值模擬的方法對第二章設計的蛇形管換熱器直管段的圓形翅片管束進行結構優化,得到圓形翅片管在不同換熱管排布方式下傳熱性能較好的結構尺寸,進而為強化導熱油式換熱器的傳熱性能,設計結構緊湊、換熱性能良好的導熱油換熱器奠定基礎。
       1. 圓形翅片管結構參數
       本章通過使用數值模擬方法對導熱油式煙氣余熱回收換熱器中使用的圓形翅片換熱管計算分析。主要通過比較換熱器的圓形翅片在不同翅片高度、不同翅片間距、換熱管束不同縱向和橫向間距下以及換熱管束叉排和順排排列時的熱傳導效率、煙氣壓降損失,從而得到導熱油式換熱器更高效率下的結構參數。圖 4-1(a)為圓形翅片管結構簡圖 ,圖 4-1(b)、(c)為圓形翅片管束叉排和順排的排布方式。
(a)圓形翅片管結構示意
(b)順排排列
(c)叉排排列
圖 4-1 圓形翅片管結構及管束排列方式示意圖
 
       圖 4-2 為經過簡化的計算區,每排基管上有兩個肋片,本文主要討論圓形翅片不同高度、不同節距、換熱管排布不同間距下的傳熱性能,所以對翅片厚度先進行確定,基管材料和翅片材料都取 20# 材料,同時為保證煙氣的流動充分發展,在煙氣流動方向上延長出口。
圖 4-2 有限元計算模型
 
       2. 順排和叉排流動換熱對比分析
       在實際煙氣換熱器應用中換熱管有多種排列方式,其中主要是叉排和順排。由于換熱管束不可能單管排布,學者一般希望通過改變煙氣側高溫煙氣流動的劇烈程度來增強熱交換的效率。本節將通過實驗結果分析順排和叉排排列下的Nu數、進出口壓降?p的變化情況以及對傳熱性能進行比較。結構參數具體設置如下。
       基管外徑 D(mm): 38
       翅片高度 H(mm): 14
       翅片厚度 h(mm): 2
       翅片節距 P(mm): 6
       換熱管縱向間距 L1(mm): 80
       換熱管橫向間距 L2(mm): 80
       根據模擬計算結果使用 j-f 因子分析評價導熱油煙氣換熱器的性能。當翅片間距 P=6mm,縱向間距 L1=160mm,橫向間距 L2=80mm 時,得到其 Nu、?p、 j-f 因子與 Re 的關系。
圖 4-3 叉排排列和順排排列與傳熱特性的關系曲線
圖 4-4 叉排排列和順排排列與流動阻力的關系曲線
圖 4-5 叉排排列和順排排列與綜合傳熱因子 j-f 的關系曲線
 
       圖 4-3 為叉排排列和順排排列下的傳熱特性的關系曲線。在換熱管束排列方式不變的條件下,隨著Re數在 3000-7000 內連續增大時,Nu數曲線呈連續增大趨勢。在Re數值一定時,叉排排列的 Nu 數比順排排列的 Nu 數大,相對叉排排列比順排排列的換熱效果好。這是由于叉排排布時煙氣在換熱管束形成的曲折路徑中交叉流動,比順排時在流道中做類似直流流動時的擾動更強烈,所以叉排排布換熱效率相對較強。圖 4-4 為叉排排列和順排排列同煙氣進出口壓降的關系,在換熱管束排列方式一定的情況下,當數在 3 000-7000 的范圍內不斷增大時, 曲線呈上升增長趨勢;在 Re 數不變的情況下,順排排列的壓降比叉排排列的壓降小,叉排排列中煙氣流動越劇烈相對應的壓降就越大引起的阻力損失就相對較大。圖 4-5 為叉排排列和順排排列的綜合傳熱因子 j-f 的關系曲線,以順排排列的的傳熱性能作為參照。由圖 4-5 可以看出,隨著 Re 的變化換熱器叉排排列 j-f 因子的值均大于 1,表現為換熱器使用叉排排列比順排排列提高換熱效率比其造成的流動阻力的壓降增幅大,并且考慮天然氣燃燒煙氣灰份少,不會對因為叉排時擾動強烈,飛灰對換熱器造成很大磨損,所導熱油式煙氣換熱器采用換熱管束叉排排列比順排排列效果好。
2020/08/17 08:17:52 201 次

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