干熄焦給水預熱器的設計和仿真分析

周開創(chuàng)，李振東，孫東德，謝能剛

（1.安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002；2.安徽東能換熱裝備有限公司，安徽馬鞍山 243002）

1 研究背景

干熄焦技術(shù)能夠妥善地降低熄焦過程中產(chǎn)生的擴散物污染，有效地控制周邊空氣含塵量[1]，干熄焦系統(tǒng)中的二次換熱裝備一般使用給水預熱器。在干熄焦過程中，需要將高溫惰性循環(huán)氣體冷卻到一定溫度，傳統(tǒng)管殼式換熱器的換熱效率比較低、生產(chǎn)制造工藝復雜、易生垢[2-3]，為克服以上缺點，需要設計一種工藝簡單、使用時間長、換熱效率高的新型換熱器?；趪鴥?nèi)外換熱器的使用現(xiàn)狀和管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)點[4]，安徽東能換熱裝備有限公司設計了一種干熄焦給水預熱器，并采用數(shù)值模擬方法對該干熄焦給水預熱器進行分析。

2 結(jié)構(gòu)設計

本文依托安徽東能換熱裝備有限公司設計生產(chǎn)的干熄焦給水預熱器進行研究分析。如圖1 所示，干熄焦給水預熱器是一種固定管板式結(jié)構(gòu)換熱器。內(nèi)部換熱管為蛇形換熱管，如圖2 所示，干熄焦給水預熱器箱體長度為4 300 mm，高度為3 010 mm，殼體內(nèi)含有90 根蛇形換熱管組成的管束以及4 個支撐板。

圖1 干熄焦給水預熱器結(jié)構(gòu)

圖2 單根蛇形換熱管

3 數(shù)值模擬方法

3.1 有限元模型網(wǎng)格劃分

干熄焦給水預熱器的管程、殼程流體區(qū)域網(wǎng)格和換熱管、支撐板固體區(qū)域網(wǎng)格劃分在A N S Y S Workbench 的Mesh 模塊中完成，得到的節(jié)點數(shù)目為2 872 741，單元數(shù)目為4 659 992，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。

圖3 干熄焦給水預熱器網(wǎng)格劃分

3.2 運行參數(shù)

在干熄焦過程中，需要將高溫惰性循環(huán)氣體冷卻到一定溫度。正常運行時，殼程介質(zhì)為高溫惰性循環(huán)氣體，入口溫度為170 ℃，流量q0=114 800 m3/h。管程介質(zhì)為低溫除鹽水，入口溫度為50 ℃，流量q1=43.2 t/h。在換熱過程當中管程介質(zhì)和殼程介質(zhì)的物性參數(shù)不變。

3.3 初始條件和邊界條件

根據(jù)不同邊界條件的特點，本文采用質(zhì)量進口和壓力出口進行計算。在干熄焦給水預熱器殼程和管程進口處設置質(zhì)量進口邊界條件，輸入熱介質(zhì)和冷介質(zhì)流入時質(zhì)量流量和各自對應的溫度。通過Fluent 軟件進行解算的過程，通常選取迭代的殘差值作為衡量計算方法是否收斂的一個標準，計算收斂的判別標準是計算殘差精度都小于10-5，殘差曲線趨于平直[5]。

4 預熱器數(shù)值模擬分析結(jié)果

通過對干熄焦給水預熱器殼程、管程流場的數(shù)值模擬，分別得到了殼程、管程流體的速度場、溫度場、壓力場和應力場的分布情況。

4.1 速度場模擬結(jié)果分析

殼程中的管束結(jié)構(gòu)決定著流體域的速度場特點，相對管程流體來說，殼程流體有著較為復雜的速度場特性，在分析干熄焦給水預熱器速度場時，重點分析殼程流體的速度場，殼程管束間的速度分布尤為重要。

如圖4 所示，殼程速度在換熱管迎風面和背風面降低，在換熱管壁面雙側(cè)附近的速度有明顯增大，速度最大值達到5.79 m/s，這是因為流體橫掠換熱管時出現(xiàn)繞流脫體現(xiàn)象。當殼程流體繞彎曲的表面流動，邊界層會伴隨產(chǎn)生壓力差，并從某位置開始脫離彎曲的表面，并在物體表面附近出現(xiàn)回流的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為脫體現(xiàn)象[6]。密集的管束強化了湍流作用，相較于傳統(tǒng)管殼式換熱器，本預熱器的殼程基本無流動死區(qū)，充分利用了管束的換熱面積，起到了增強換熱的作用。如圖5 所示，管程冷卻水速度呈同心圓分布，內(nèi)層流速偏大且中心流速最大，速度達到0.56 m/s。外層靠近壁面的地方流速幾乎為零，符合圓管邊界層理論。

圖4 殼程速度場

圖5 管程流體速度分布

4.2 壓力場模擬結(jié)果分析

為方便地觀察殼程壓力分布，取蛇形換熱管徑向截面進行分析。正常工況條件下干熄焦給水預熱器殼程流場壓力云圖如圖6 所示，從圖中可以看出，在殼程入口處壓力最大達到3 288 Pa，殼程流體在流經(jīng)密集管束時會損失一定的壓力，壓力損失約為1 088 Pa，從圖中可以得出，隨著距離殼程入口越來越遠，流體壓降不斷增大。

圖6 殼程壓力分布

管程流動引起的壓降是衡量運行經(jīng)濟效果的一個重要指標，干熄焦給水預熱器管程的流動阻力由兩部分構(gòu)成，即管程流體與換熱管壁面間的摩擦阻力；流體在流動過程中，由于方向改變或速度突然改變所產(chǎn)生的局部阻力[7]。所以流動過程中壓力的損失與流體自身的物理性質(zhì)、流動狀態(tài)及換熱管的外形等要素相關(guān)。如圖7 所示，管程壓力隨著流體的流動逐漸下降，壓力損失約為0.07 MPa。

圖7 管程壓力分布

4.3 溫度場模擬結(jié)果分析

干熄焦給水預熱器殼程溫度變化云圖如圖8所示，可看出流體溫度的變化情況。由于殼程介質(zhì)為高溫循環(huán)氣體，在殼程入口處溫度最高為443 K，高溫惰性循環(huán)氣體流過殼體內(nèi)的換熱管束，與換熱管束內(nèi)的冷流體發(fā)生熱量交換，殼程出口處溫度降至最低為395 K，同時殼程介質(zhì)在流經(jīng)換熱管束時，密集的換熱管束存在一定的擾流作用，導致殼程流體對換熱管的橫向沖刷，增加了殼程的熱流體與管程的冷流體進行換熱的時間，使得冷熱流體間的換熱過程能夠充分地進行，也使得殼程熱流體的溫度明顯下降以達到換熱目的。從圖中可以清晰看出殼程流體溫度的變化趨勢，每經(jīng)過一排換熱管束，溫度就會明顯降低，而殼程流體溫度的變化對預熱器的熱應力將產(chǎn)生影響。

圖8 殼程流場溫度分布

干熄焦給水預熱器管程溫度變化云圖如圖9所示，管程流體為冷卻水，所以在管程入口處溫度最低為323 K，經(jīng)過與殼程熱流體的充分換熱，管程內(nèi)的冷流體被加熱，出口溫度達到368 K。

圖9 管程流場溫度分布

4.4 應力場模擬分析

考慮2 種載荷，即流場壓力載荷和溫度載荷。

流場壓力載荷：通過對流場特性的仿真模擬，可以獲得預熱器管程、殼程的壓力場，通過耦合面將壓力傳遞到預熱器上。

溫度載荷：與流場壓力載荷的傳遞方法相似，經(jīng)由溫度載荷的數(shù)據(jù)作用后，得到了干熄焦給水預熱器固體域的溫度場分布，從而進一步獲得由溫度引起的熱應力模擬結(jié)果。

如圖10 所示，在同時作用2 種載荷的等效應力場中換熱管束的最大應力發(fā)生在換熱管束與支撐板連接處，應力值達到220 MPa。整體上不至于超過屈服應力，預熱器能夠安全運行。

圖10 同時施加2 種載荷時預熱器應力圖

5 結(jié)論

對干熄焦給水預熱器進行了流場的模擬以及力學分析，得到了相關(guān)的速度場特性、壓力場特性、溫度場特性以及應力場特性：①由于殼程換熱管束的存在，殼程流體在流動的過程中出現(xiàn)壓力損失，且壓力梯度較為明顯；②在溫度場的結(jié)果中，最高溫度出現(xiàn)在殼程入口處殼體及其連接的支撐板上，管程流體的溫度從管程入口到管程出口逐漸升高，在支撐板與管束結(jié)合處，溫度變化較大；③同時施加2 種載荷時，應力值達到220 MPa，整體上不至于超過屈服應力，預熱器能夠安全運行。