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金属换热器热效率分析FLUENT模拟在工程中应用点击：1910 日期：[ 2014-04-26 21:08:29 ] |
| 金属换热器热效率分析及FLUENT模拟在实际工程中的应用 侯英武，宋小伟，赵晓雯 （唐山京兆科技开发有限公司，河北唐山063000） 摘要：在实际工程中，通过比较分析及FLUENT模拟计算，找出了烟气流动过程中存在的问题。针对模拟分析结果，采取相应措施对加热炉排烟系统进行改进，达到预期的节能效果。实践表明，烟道内换热器前后烟道走向应避免拐弯；FLUENT的烟气模拟在实际工程施工中具有一定的指导意义，具有广阔的开发应用前景。 关键词：换热器；烟气；FLUENT模拟；节能 中图分类号：TF066.2＋2文献标志码：A文章编号：1002-1639(2012)02-0054-03目前，加热炉普遍采用烟道内放置金属换热器对助燃空气进行预热。由于场地限制或金属换热器摆放位置不合理，往往造成金属换热器换热效率降低，从而导致助燃空气温度低、烟气排放温度高，造成能源浪费。 某轧钢厂燃热脏煤气常规加热炉改造工程投产后，运行初期助燃空气温度低，烟气排放温度高，换热器效率低下，单位热耗高，造成能源浪费。通过对整个加热炉系统的排查分析以及利用FLUENT软件对烟道内烟气进行模拟，找出原因，并针对模拟结果采取相应措施对烟道部分进行二次改进，最终加热炉达到最初改造设计要求，节能效果显著。 1·金属换热器热效率分析 某轧钢厂加热炉改造的目标为：生产能力增至70t/h，新建加热炉在原有基础上加长加宽，吨钢煤耗≤70kg/t。结合现场实际情况，针对改造目标进行设计，加热炉改造后技术性能参数见表1。 此工程为改造工程，炉尾延伸后由于车间柱子的限制，炉外烟道需拐2个弯之后方能出车间，具体烟道布置见图1。 如图1所示，烟道中设有两组换热器均为管式换热器，高温换热器用于加热炉助燃空气预热，具体设计参数见表2。低温换热器为热风高压煤气站提供热源，为烟气余热再次利用。 投产后，在加热炉连续生产的情况下，测得如下数据：加热炉生产能力为70 t/h，换热器前烟气入口温度680℃，助燃空气温度357℃，最终烟气排放温度398℃；单位热耗1.36 GJ/t。和设计值最终280℃相差较大，造成了能源浪费。 通过对整个煤气站及加热炉系统的排查及分析，认为能源浪费的主要原因是：高温换热器没有达到设计要求。通过核算加热炉烟道截面1、高温换热器换热面积2、排烟量等，均配套且符合规范要求。将此工程与同类工程做比较，问题最终归结于炉外烟道的布置，烟道拐弯较多。即造成加热炉能源浪费的主要原因为：该炉外烟道拐弯多，造成烟道内烟气出现偏流现象，致使高温换热器中一部分换热管换热效果不理想，造成换热效率低下。 2·烟道内烟气流动的FLUENT仿真模拟 为了验证上述猜测，利用FLUENT软件对烟道内烟气流动进行仿真模拟3。本文采用－方程组作为流场计算的主控制方程，采用标准－湍流模型计算湍流黏性。为了验证烟道内烟气流通路径及烟道内不同位置的烟气流速，进而分析换热器的换热效率。对模型做如下假设条件：烟气在烟道内流动时，整个流动过程无热量损失，烟道墙与外界绝热。 2.1网格划分 采用FLUENT自带的GAMBIT工具建立几何模型并划分网格，网格总数为2 550，网格划分如图2所示。 2.2边界条件 利用FLUENT进行混合器内流动的仿真计算，计算方法为非耦合二维的隐式算法，时间属性取理想流体的定常流动，速度属性为绝对速度，在标准大气压下烟气的热物理性质见表3。 700℃的烟气以4 m/s的流速进入烟道，烟道出口安装有2 000 Pa抽力的引风机将烟气从烟道抽出，烟道烟气进口当量直径为2m，烟气出口当量直径为1m；烟气在整个烟道内做绝热流动。 2.3计算结果及其分析 通过软件分析可以看出，此高温换热器所处部位存在严重的烟气流速不均匀，断面上烟气流速小于1m/s气流面积的占烟道截面的1/3，而中心部位流速远大于设计流速4 m/s。可以定量推断出高温换热器1/3换热管效率低下。计算结果如图3所示。 3·解决方案 通过FLUENT软件进行烟道内烟气流动的仿真模拟，对模拟结果进行分析，得出高温换热器效率低下的原因：由于烟道的多直角弯布局结构，造成了高温换热器约1/3换热管效率低下。 针对上述原因分析，为了节约改进成本及时间，改造时新增一组高温换热器。根据FLUENT模拟结果，提出如下改进方法： （1）新换热器面积为147 m2，约为原换热器面积的1/3，换热管材质为耐热不锈钢； （2）换热器位置安放在模拟图中高温部分烟气流速最快的部位（如图4所示 （3）新增换热器空气进口为630mm，出口为720mm，部分冷空气引入进口，预热后空气再从出口引入助燃热风总管。 再次改造投产后，经过几天的试运行后，在加热炉连续生产的情况下，测得如下数据：加热炉产量70 t/h，烟气入口温度680℃，热空气总管道温度455℃，最终烟气排放温度260℃；单位热耗1.22 GJ/t。基本满足原工艺和设计要求，达到设计产量和能耗。 4·结论 （1）通过本次改造及FLUENT模拟可知：在进行有换热器的炉外烟道设计时，应尽可能通过改进烟道的布局来避免烟气短路和偏流。 （2）改进实践证明：FLUENT的烟气仿真模拟，在实际工程施工中具有一定的指导意义，值得大力推广应用。 （3）改进施工及应用证明：可以通过提高常规加热炉的助燃空气温度，降低排烟温度来节约能源,其施工方法和改进措施可供借鉴。 参考文献： [1]钢铁厂工业炉设计参考资料编写组.钢铁厂工业炉设计参考资料[M].北京:冶金工业出版社,1979. [2]卿定彬.工业炉用热交换装置[M].北京:冶金工业出版社，1986. [3]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT——流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社，2004. [4]张学学，李桂馥，史琳.热工基础[M].2版.北京：高等教育出版社，2006. |
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