立式燃气锅炉新型烟管的开发与数值模拟 吴金星.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143312 立式燃气锅炉新型烟管的开发与数值模拟 吴金星 王力 李亚飞 栗俊芬 彭旭 (郑州大学化工与能源学院节能技术研究中心，河南 郑州 450001) （Tel: Email: wujx@zzu.edu.cn） 图3 Nu数随t变化图 图4 阻力系数随t变化图 图5 烟管PEC值随t变化图 但烟气阻力阻力系数随着t的减小而不断增大（图4），所以从换热烟管的流动和传热综合性能方面考虑，采用PEC值（）作为换热烟管性能的衡量指标。图5为PEC值随螺旋片节距变化图，从图中可以看出，d=20mm时，烟管的PEC值为0.914~1.396，d=24mm时，烟管的PEC值为0.966~1.521，若t过小，虽然传热得到强化，但是阻力增加的幅度也较大，使得烟管的PEC值小于1，烟管热工性能不理想；当t=126mm时，PEC值达到最大为1.52，烟管综合性能最佳。当t126mm时，螺旋片增大换热面积的作用被削弱，PEC值相应下降；故t取合理值，能够提高新型换热烟管的综合性能。 在模拟过程中发现，相同Re数下，光管的排烟温度为699K，而新型换热烟管排烟温度为395K，故采用螺旋片能够显著降低锅炉排烟温度。 2.3盲管内径模拟结果与分析 随后固定t的大小不变，对d进行模拟优化，L、D、δ取上述设定值，d为变量，大小分别为10、12、14、16、18、20、22、24mm。 图6、7分别为不同盲管外径下，Nu数和阻力系数f随Re数变化图，从图中可以看出在相同Re数下，带盲管的烟管Nu数明显高于光管，且随着Re数增加，Nu数也明显增加，d越大，烟管Nu数也越大，但阻力系数也随着d的增加而显著增大。图8为不同盲管外径下烟管PEC值随Re数变化图，从图中可以看出，烟管的PEC在1.38~1.71的范围内波动，故加入盲管之后，能够提高换热烟管的综合性能；且当d=22mm时，烟管的PEC值能达到最大1.71，随着Re数的增加，烟管的PEC值反而下降，故可认为该种新型烟管更适合低Re数下烟气的流动。 图6 不同盲管外径Nu数随Re数变化图 图7 不同盲管外径情况阻力系数f随Re数变化图 图8 烟管PEC值随Re数变化图 3新型强化换热烟管基于场协同的性能分析 为深入揭示现有各种对流换热和传热强化现象的物理本质，过增元[7]基于对流换热的能量方程，从流场和温度场相互匹配的角度重新审视对流传热的物理机制，在此基础上提出了对流传热优化的场协同理论，并推导出速度场与温度场的场协同方程： 式中，Fc对流换热的场协同数，代表流场和温度场的协同程度。为速度矢量，为温度矢量，θ为速度场和温度梯度之间的夹角，又称协同角，θ越小，速度矢量与温度梯度矢量余弦值越大，二者协同性能越好，有利于流体与壁面之间的传热。 图9 协同角分布云图 图10 不同节距下协同角分布图 根据模拟结果，做出了圆管和新型烟管截面内的协同角分布云图，从图中可以看出光管横截面上的θ为89.9°，这与其他学者的研究结果是相符的[8]；而新型烟管由于螺旋片的作用，速度场和温度场之间的协同性能获得改善，二者之间的协同角度较小，当螺旋片t为54mm时，管内截面的平均协同角为84.9°。同时做出当d=20mm和d=24mm时，在不同节距下新型烟管的协同角分布图如图10所示，随着t的增加，θ也有不同程度的增加，但影响θ大小的主要因素是t，d对协同角的影响不大。此处为平均协同角，其大小按照文献[9]提出的全场积分中值角进行计算，需要注意的是，在80~90°的水平上，协同角度降低1°，其余弦值变化很明显，对传热的影响非常显著。 PEC值是从热工性能方面分析烟管的强化传热效果，考核指标为模拟的结果；而场协同理论是从流场和温度场相互匹配的角度来审视对流传热的物理机制，注重的是对流传热的过程；二者的考核量化指标不相同，但是其本质一样。通过对比光滑管和新型烟管的协同角发现，螺旋片能够减小速度场与温度梯度之间的夹角，提高场协同程度，从而强化烟气与管壁之间的换热；且t越小，θ也越小。所以场协同理论验证了数值模拟结果。 4结论 （1）新型烟管中加入螺旋片，能够改变烟气流动方向，增加烟气有效流程，减小烟气速度场与温度场之间的夹角，增加场协同程度，有效地强化传热，显著降低锅炉排烟温度；模拟结果表明，螺旋片节距t为