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基于气侧强化换热技术的间壁式气体-散料换热器点击：1729 日期：[ 2014-04-26 21:36:00 ] |
| 基于气侧强化换热技术的间壁式气体-散料换热器 夏德宏 张 艳 尚迎春 肖琳姝 (北京科技大学热科学与能源工程系) 摘 要：目前工业中气体-散料多为直接换热,这种换热方式对易与换热介质发生不良反应、粒度较细的散料不适用,因此着眼于气体-散料的间接换热,首先研制了一种气体侧强化换热插件———金属纤维多孔体,并采用FLUENT软件对其传热与流动特性进行研究,然后开发了间壁式气体-散料换热器,其换热高效、结构紧凑,已在工业上成功应用。 关键词：散料余热回收 强化换热 数值模拟 目前工业生产中对气体显热及液体显热的回收效率较高,而对余热量更大的高温固体散料的余热回收率较低[1]。工业应用成熟的固体散料热回收设备主要有流化床式、回转窑式、筒式、篦式[2]、热管式[3-4]、壳管式[5],其中前四种形式采用直接换热技术,换热效率高,但是不适于粒度较细、易与换热介质发生不良反应的散料,而后两种由于造价高和强化传热效果有限,均没得到广泛应用,因此研究气体-散料的强化换热、开发出实用的间壁式气体-散料换热器对加速散料余热回收的进程具有重要意义。间壁式气体-散料强化换热可分为气体侧强化换热及固体侧强化换热,由于一般固体的导热系数大于气体的导热系数,气固换热的瓶颈在于气侧。其中气体侧的强化换热的研究目前多集中于处理表面、粗糙表面、扩展表面、扰流元件等技术手段[6],大多制作复杂、不易更换、与管壁接触不良或使阻力损失大幅增加。该文希望开发一种综合性能高且易更换的气侧强化传热插件,研究其传热与流动特性,并在此基础上开发出一种新型的气体-散料换热器。 1·间壁式气体-散料强化换热的研究 管内插件是一种有效的强化换热方式,为克服目前绝大部分管内插件与换热管壁接触不良的问题,提出了一种新型的管内插件———金属纤维多孔体。金属纤维多孔体是由一定直径的钢丝弹簧沿着一条涡旋线织成的弹性体,可迫使气体分子微团在传热和流动方向上不断做复杂的三维宏观混合流动,使气体在低流速下转变为湍流。多孔体具有极高的比表面积,以纤维直径为3mm、孔隙率为98%的金属纤维多孔体为例,其比表面积可达1300,可大幅增大气体的换热面积,因此具有很好的换热效果,并且可整体塞入换热管,受热后可自行向外膨胀,与管壁牢牢紧贴,降低插件与管壁的接触热阻。由于不需焊接,当金属纤维多孔体在换热管内老化、被腐蚀或堵塞时,可将其整体取出,重新置入一个新的金属纤维多孔体即可。 1·1 数值计算模型 (1)几何模型 分析模型为φ30mm×100mm的管子,管内置入金属纤维多孔体,纤维直径为3mm,孔隙率98%。 采用CFD软件FLUENT进行数值模拟,金属纤维多孔体采用多孔介质模型,气体进出口为周期流动模型。采用GAMBIT软件建立模型和划分网格,网格为四面体网格,总数100000左右。 (2)边界条件 管内流动换热介质为空气,假定物性与温度呈线性关系,换热管取恒壁温1073K,流道进出口采用周期性边界条件,给定质量流量,初始温度为293K,雷诺数Re范围为3000~50000,计算所用流速为管内空塔流速。金属纤维多孔体材质为钢材,导热系数16·3W / (m·K),比热502J/ (kg·K),密度8030kg/m3。 (3)模型的选择 采用分离变量法显式求解,考虑湍流效应对流体与传热的影响采用标准k-ε湍流模型,压力和速度采用SIMPLE算法,动量、能量以及湍流参量的求解采用二阶迎风格式;定义收敛条件为质量计算残差绝对值小于1×10-6,能量计算残差绝对值小于1×10-7。 1·2 计算结果及分析 图1与图2为换热管内置金属纤维多孔体后与换热光管的努塞尔数Nu、阻力系数f和雷诺数Re的关系曲线对比图。 从图1可以看出,随着Re数的增大,两种换热工况的Nu数都增大。在相同Re数下,换热管内置入金属纤维多孔体后的Nu数远大于换热光管的Nu数,在Re数分别为3000、4000、5000、10000、20000、30000、40000、50000时,两值之比分别为5·56、4·67、4·04、3·1、2·26、1·9、1·67、1·52。可见Re数较低时,置入金属纤维多孔体的强化换热效果非常明显,随着Re的增加,金属纤维多孔体的强化换热效果降低。 从图2可以看出,随着Re数的增大,两种换热工况的f均降低。在Re数分别为3000、4000、5000、10000、20000、30000、40000、50000时,换热管内置金属纤维多孔体后的阻力系数f与换热光管的阻力系数f之比分别为12·03、9·25、7·64、4·83、2·89、2·16、1·67、1·40。随着Re数的增加,换热管内置金属纤维多孔体后的阻力系数f大幅下降,并与换热光管的阻力系数越来越接近。 采用综合性能参数η=(Nu /Nu0) / (f/f0)1/3来分析换热管内置入金属纤维多孔体后的传热与阻力性能,其值越大说明综合性能越好,该值大于1方可说明换热管内置入金属纤维多孔体后的综合性能优于换热光管,其中Nu0、f0为换热光管的努塞尔数和阻力系数。由图3可以看出,在实验的Re数范围内,换热管内置入金属纤维多孔体后的综合性能参数均大于1,并且该值在Re数较低时,可达2以上,随着Re增加,该值逐渐趋于1。 2 间壁式气体-散料换热器的开发 2·1 工作原理 在以上气体-散料强化传热研究基础上,开发了一种新型的间壁式气体-散料换热器,三维结构如图4所示。其工作原理为:散料由换热器顶部进入,为防止物料堵塞热回收器,在换热器装料口安装筛网(孔径由处理物料的粒径决定),换热后散料由底部排出,换热介质空气由换热器下部侧面进入,与固体散料换热后由上部侧面排出。余热回收器采用壳管式换热,粉料垂直下落,空气管道水平放置,为延长空气余热回收时间,空气侧设置多个行程,空气管道内装有金属纤维多孔体进行强化传热。物料侧沿管间流动,通道为波形流道,可起到翻动物料、增大换热面积和强化传热的作用。 2·2 设计原理 式中: A为理论换热面积,m;Φ为换热负荷kJ/h; K为总换热系数,W / (m·K);ΔTm为对数平均温差,℃。 (7)阻力的计算 流体在流过热交换器的过程中,沿程存在各种流阻。流阻的大小与流体的物性、流速以及热交换器流道的几何特征有关。要达到热交换器工作所要求的流体流量和流速,必须在热交换器的进出口建立一定的压差,以克服流体流过热交换器流道各部分所遇到的阻力。 2·3 应用 该间壁式气体-散料换热器已应用至河北某公司的煅烧钒土矿的回转窑,用于回收回转窑出料口的钒土矿高温余热。处理粒度为106μm左右的钒土矿物料30t/h,换热器进口钒土矿石约650℃,被冷却至420℃。采用空气作冷却介质,由20℃加热至500℃,用于回转窑助燃,节约了回转窑燃料量,并改善了窑内燃烧的稳定性。 3·结语 分析了气体与散料换热的瓶颈在于气侧,提出了一种管内强化换热插件———金属纤维多孔体,并采用FLUENT软件对其进行了传热和流动特性研究,结果显示换热管内置入该插件后的传热性能与综合性能明显优于换热光管。在此基础上提出了一种新型的间壁式气体-散料换热器,并介绍了其设计原理,该装置高效、紧凑,在工业实践中运行良好。 参考文献 [1]王建军,蔡九菊等.我国钢铁工业余热余能调研报告[J].工业加热, 2007, 36 (2): 1-3· [2]周 沛.水泥煅烧工艺与设备下册[M] .武汉:武汉工业大学出版社, 1993: 88-91· [3]佐祥军,陈登福,温良英等.液态高炉渣热量的回收利用途径和问题[J] .过程工程学报, 2006, 4(6): 113-117· [4]张寿荣.我国钢铁工业21世纪技术进步的重点[J] .钢铁, 2005, 40 (5): 1- 4· [5]夏德宏,肖琳姝等.间壁式固体散料余热回收器的开发[J] .冶金能源, 2009, 28 (4): 47-50· [6] BerglesA E. ExHFT for fourth generation heat transfertechnology [J]. Experimental Thermal and Fluid Sci-ence, 2002, (26): 335-344·赵艳：编辑 |
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