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入口速度分布对热管换热器性能影响的数值模拟与优化

毛建丰  
【摘要】:本文以湖南省科技厅“中低温烟气余热利用关键技术研究"项目为依托,以某公司径向热管换热器为研究对象,采用数值模拟的方法,研究了入口烟气速度分布对烟气流动特性及径向热管换热器性能的影响规律,并对生产现场运行的换热器入口烟气速度分布提出优化方案。主要内容及结论如下: (1)采用基于多孔介质模型的分布阻力方法及修正的k-ε湍流双方程模型对换热器入口烟道流场进行了模拟。结果显示:烟气流向急剧变化及涡旋与二次流的存在是引起烟道压降较大、换热器壳程压力场稳定性差的主要原因;换热器壳程静压沿烟气流向呈线性分布;烟气入口速度越大,壳程压降增加的幅度也越大。数值模拟结果与经验计算值的最大误差为8.67%。 (2)采用等效导热系数法对换热器流场和温度场特性进行了研究。结果表明:管束迎风侧比背风侧烟气速度大、温度高,换热能力强;沿壳程流向,烟气速度、压力有分段特性;管束壳侧平均换热系数为42.60 w·m-2·K-1,且沿烟气流向近似线性下降分布;换热器压降为763.5Pa,换热量为1711.56KW。数值模拟结果与测试结果误差在10.0%以内。 (3)研究了烟气速度分布型式、入射角对换热器流场、温度场、换热量、压降、α/ΔP值等的影响规律,结果表明:不均匀流恶化了换热器壳程流场、温度场分布,使换热器整体性能下降,且烟气不均匀度越大,换热器整体性能恶化越严重。换热器管排数越多,不均匀流对换热器性能影响的程度越弱。在较小的不均匀度范围内,烟气多股扰流和适当的烟气入射角能提高换热器整体性能,但入射角大于一定值后会造成换热器整体性能的急剧恶化;入口处烟气局部速度过小会造成换热器管壁局部温度过低,对其抗低温露点腐蚀能力产生不利影响。 (4)对换热器入口烟道流场进行了模拟优化,结果表明:合适的导流板位置结构能提高入口烟道及换热器流场、压力场均匀性,减小烟气压力损失,提高换热器整体性能。并给出了优化条件下换热器压降、换热量、α/ΔP值变化幅度分别为-5.91%、4.04%、10.58%。


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