非均布熱管換熱器設(shè)計(jì)及流動(dòng)模擬

錢(qián) 淼 燕 超 肖建章

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 金華 321007)

0 引言

我國(guó)是印染大國(guó)，印染布產(chǎn)能和銷(xiāo)售量均居全球首位。但作為印染大國(guó)，我們?cè)谟∪狙b備及技術(shù)中仍存在許多不足，如能耗高、排污大、能產(chǎn)比低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等。為促進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，國(guó)務(wù)院將紡織印染行業(yè)的節(jié)能減排計(jì)劃與目標(biāo)明確納入其中，開(kāi)展印染相關(guān)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，降低能耗，提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

熱定型機(jī)是必不可少的印染裝備。通過(guò)熱定型，可有效改善織物前處理后出現(xiàn)的幅寬不勻，緯紗歪斜等現(xiàn)象，提高織物的機(jī)械性能及產(chǎn)品舒適性。然而，目前熱定型機(jī)在生產(chǎn)中存在高溫氣體(約170℃)排放，量大溫度高，不僅造成了環(huán)境污染，還帶來(lái)了嚴(yán)重的能量浪費(fèi)。因此，非常有必要進(jìn)行熱定型機(jī)的余熱回收技術(shù)的開(kāi)發(fā)與利用。

換熱器可有效實(shí)現(xiàn)熱定型廢氣的余熱回收，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及相關(guān)印染公司已經(jīng)在廢氣余熱回收裝置方面開(kāi)展了不少研究與開(kāi)發(fā)工作。其主要分為管式、板式和熱管3種結(jié)構(gòu)。管式換熱器在工業(yè)上的應(yīng)用有悠久的歷史。內(nèi)流2種工質(zhì)，通過(guò)管壁進(jìn)行熱量交換[1，2]。2013年，Bari等[3]設(shè)計(jì)了一個(gè)用于汽車(chē)尾氣回收的管式換熱器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明該管式換熱器的熱回收效率可達(dá)16%。2014年，Mokkapati等[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)管式換熱器。該換熱器管內(nèi)廢氣與管外水通過(guò)內(nèi)管外壁換熱，內(nèi)管外壁有螺旋波紋狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化傳熱。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)熱效率比傳統(tǒng)高67%。板式換熱[2]也受到了人們的廣泛關(guān)注[5，6]。2011年，Kandilli等[7]設(shè)計(jì)了一個(gè)用于紡織行業(yè)染色廢氣熱回收的板式換熱器，并探索了其最優(yōu)操作條件。2015年，Roberto等[8]提出了一個(gè)用于廢氣熱回收的板式換熱器，并對(duì)其開(kāi)展了理論與實(shí)驗(yàn)研究。熱管換熱器在熱回收方面有廣泛的用途[9]。2013年，Ahmadzadehtalatapeh等[10]將熱管換熱器應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，回收排放廢氣中多余的熱量，提高了設(shè)備的使用效率。2015年，Wang等[11]提出了一種新的熱管換熱器，用于廢氣熱回收，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱管熱效率的影響規(guī)律，結(jié)果表明，該設(shè)備在熱能回收方面具有不錯(cuò)的表現(xiàn)。2017年，Tian等[12]提出了一種新型換熱器結(jié)構(gòu)，用于印染熱定型熱能的回收。為了進(jìn)一步提高熱管換熱器的換熱性能，本文提出了一種熱管管徑分布不同的非均布熱管換熱器結(jié)構(gòu)，并通過(guò)數(shù)值模擬研究了其內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)情況。

1 非均布熱管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的非均布熱管換熱器(圖1)。分為下熱廢氣流道和上冷新風(fēng)流道。高溫?zé)岫ㄐ蛷U氣流入下通道，通過(guò)熱管陣列將熱能傳遞給常溫新風(fēng)。換熱器殼體內(nèi)安裝有熱管陣列，熱管直徑隨著流體流動(dòng)方向不斷減少，呈非均布分布。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

2 熱管換熱器內(nèi)部流動(dòng)特性模擬

2.1 數(shù)值建模

本文模擬了非均布熱管陣列換熱器的內(nèi)部流場(chǎng)。二維計(jì)算區(qū)域如圖2所示，從上至下每排熱管的半徑分別為25mm，24mm，23mm，22mm，21mm，20mm，19mm，18mm，17mm和16mm?？v向和橫向熱管之間的間距均為40mm。

圖2 二維計(jì)算區(qū)域示意圖

運(yùn)用ICEM軟件建立二維非均布換熱器模型，采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖3所示。運(yùn)用CFD數(shù)值計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行二維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，二階迎風(fēng)格式和SIMPLE算法。在模擬過(guò)程中，每個(gè)變量的殘差設(shè)定在0.0001。

圖3 三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格示意圖

2.2 結(jié)果及結(jié)論

圖4為當(dāng)換熱器入口速度v=3 m/s時(shí)，熱管換熱器內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布云圖。由圖4可看出，流場(chǎng)內(nèi)部最小速度與最大速度差異較大，且基本呈軸對(duì)稱(chēng)分布。速度分布較不均勻，最大值高達(dá)11.9m/s，最高位于距入口前兩排管的位置，前幾排與后幾排相差較大。

圖4 速度分布云圖

湍流強(qiáng)度也為一重要指標(biāo)。圖5為內(nèi)部湍流強(qiáng)度分布圖。由圖5可看出，湍流在距出口端較近的幾排熱管處得以充分發(fā)展，在管徑較大熱管附近出現(xiàn)最高值，達(dá)212%，整個(gè)換熱器內(nèi)部平均湍流強(qiáng)度為68.9%。

圖5 湍流強(qiáng)度分布云圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文在分析了熱管換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種非均布熱管換熱器結(jié)構(gòu)新思路，并采用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS FLUENT對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了相應(yīng)的速度場(chǎng)和湍流強(qiáng)度分布情況，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)與優(yōu)化熱管換熱器結(jié)構(gòu)提供了理論指導(dǎo)。