新型板壳式省煤器传热性能的数值模拟.pdf
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1、窑 测试与控制 窑修稿日期院 圆园23原05原18作者简介院鞠贵冬渊1989-冤袁男袁博士遥 研究方向院工业节能及强化传热遥0引言目前燃煤电厂的低压省煤器多采用翅片管式省煤器1袁管内通冷凝水袁管间走烟气遥 该种省煤器大多使用焊接翅片袁由于焊接量大袁导致省煤器翅片加工成本占总成本的 50%袁并且翅片焊接一旦出现质量问题袁必然导致翅片与管外表面的接触热阻增大袁 该处也是最容易被腐蚀的地方遥 另外袁翅片管式省煤器传热效果欠佳袁紧凑度低2袁因而换热能力差袁效率低袁需要消耗大量的管材袁占地面积大袁生产成本高袁而且由于烟气与换热管是垂直接触袁导致流阻增加袁容易积灰并且换热管磨损加大袁影响省煤器的寿命3遥板
2、式换热器是一种高效尧紧凑的换热设备遥其换热系数比管翅式换热器高 3耀5 倍曰对数平均温差大袁末端温差小袁占地面积为管翅式换热器的 1/3曰相同换热面积下袁板式换热器重量只有管壳式重量的 1/5曰并且板式换热器加工方便袁易拆卸清洗4遥 虽然板式换热器有许多优点袁但是考虑到燃煤电厂尾部烟道工作环境差袁 烟气温度较高等恶劣环境袁传统板式换热器是不适合的遥新型板壳式省煤器袁采用了不同于传统换热器的设计思想袁融合了管壳式尧板翅式和板式等几种换热器的优点袁是一种结构紧凑尧换热面积增大袁换热效果好尧不容易积灰和结垢袁生产成本低的一种新型电站锅炉板式省煤器遥1新型板壳式省煤器的结构和及其特点与目前燃煤电厂采用
3、的管壳式省煤器相比袁 新型板壳式省煤器的主要结构特点表现在它的传热元件是板片袁见图 1遥 板片一般由 12mm 的不锈钢板片压制成半椭圆波纹状袁板片与板片叠加袁形成一个板束袁板束内椭圆通道走冷凝水遥 板束与板束之间错位叠放袁板束之间的空间就形成烟气波纹通道遥 板壳式省煤器换热芯体见图 2遥新型板壳式省煤器的工作原理与现在广泛采用的翅片管式省煤器基本相同袁 即凝结水走板束中的椭圆形通道袁并且凝结水能在椭圆形通道中根据要求可以循环加热吸收烟气热量袁这样易于降低烟气温度袁提高烟气余热利用遥The Numerical Simulation of Heat Transfer Performance Fo
4、rplate and Shell EconomizerJU Gui-Dong渊Shuangliang Eco-Energy Systems Co.袁Ltd.袁Wuxi Jiangsu 214000袁China冤Abstract院 According to the new type of plate and shell economizer袁 heat transfer of plate and shell economizer爷s mathematical model wereestablished.And which heat transfer and flow resistance per
5、formance was simulated by using Fluent software.Based on reasonable simplifiedmodel袁 Standard k-着 model and speed-pressure coupled SIMPLE algorithm were used.The fluid pressure袁 velocity袁 temperature nephogramand related calculating data of representative plate and shell economizer were acquired.The
6、 results show that its heat transfer coefficient is81.3W/m窑 益袁 is about 2 times of tube and fin economizer and its pressure drop is 180.9Pa袁 which is according with industrial designrequirements and providing a theoretical reference for experimental research and production.Keywords院 Plate and shell
7、economizer曰 Conjugate heat transfer曰 Numerical simulation曰 Flow resistance performance新型板壳式省煤器传热性能的数值模拟鞠贵冬渊双良节能系统股份有限公司袁 江苏 无锡 214000冤文章编号院 员园园圆原远远苑猿 渊圆园23冤 园4原147原园4摘要院 建立了新型板壳式省煤器的传热数学模型袁 并利用 FLUENT 软件对模型进行了求解遥 在合理简化板式省煤器物理模型的基础上袁 采用标准 k-着 模型和速度-压力耦合的 SIMPLE 算法袁 获得了有代表性的板壳式省煤器流体压力尧 速度尧 温度云图和相关计算数据
8、遥 计算结果表明袁 板壳式省煤器传热系数为 81.3W/m 窑 益袁压降为 180.9Pa袁 与管翅式省煤器相比具有较大的优势遥关键词院 板壳式省煤器曰 共轭传热曰 数值模拟曰 流阻特性中图分类号院 TP39文献标识码院 粤doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2023.04.041机电产品开发与创新阅藻增藻造燥责皂藻灶贼 驭 陨灶灶燥增葬贼蚤燥灶 燥枣 M葬糟澡蚤灶藻则赠 驭 E造藻糟贼则蚤糟葬造 P则燥凿怎糟贼泽灾燥造援36熏晕燥援4Jul援熏圆园23第 36 卷第 4 期圆园23 年 7 月147窑 测试与控制 窑图2板壳式省煤器Fig.2 Plate and she
9、ll economizer新型板壳式省煤器的优点是院 可通过调节板束与板束之间的烟气通道来降低烟气的压降遥 在保证烟气侧压降小于 300Pa 下袁增加板片长度以增加换热面积袁提高换热量遥 介质在换热芯体内所有换热表面都是一次表面袁换热效率大幅提高袁结构紧凑袁占地面积小遥 板壳式省煤器保持了板式换热器结构紧凑袁高效的特点袁又具有管壳式换热器耐高温的特点袁使其具有传热效率高袁不易结垢袁即使结垢也容易清理遥 同时新型板壳式换热器可以做成多个模块袁易于拆卸清洗遥2板壳式省煤器的数值模拟过程为了更好的了解新型板壳式省煤器的传热特性袁 以及流速尧板壳式省煤器形状参数对传热性能的影响袁必须对板壳式省煤器进行
10、数值模拟袁为实验与生产提供理论依据遥近年来随着计算机性能不断的提升袁 计算流体动力学渊Computational Fluid Dynamics 袁简称 CFD冤作为一种新研究方法应运而生袁 并且在工程应用的很多方面取得长足的发展遥相比传统实验方法袁数值模拟方法具有很多突出优点5院如不依赖于真实的试验模型与实验场地研发周期较短尧费用较低廉尧限制较少曰CFD 数值方法已经成功分析了各类案例6-7袁且经与实验结果做比较后袁均可证实CFD 模拟的可靠性遥 因此 CFD 软件成为工程设计和研究的重要工具之一遥本文以 CFD 软件 FLUENT 作为数值求解工具袁 在对物理模型进行合理的简化处理的基础上袁
11、对板壳式省煤器水侧与烟气侧的流阻特性与换热情况进行了模拟计算研究并得出了相关结论袁此数值模拟工作为实际板壳式省煤器的设计提供了基础数据和有指导意义的理论分析遥2.1 板壳式省煤器物理模型由于板片都是一层一层叠放的袁 所以相邻两层之间的换热都是一致的袁因此袁对模型进行简化处理遥 模拟 3组水通道袁2 组烟气通道即可很好的说明板壳式省煤器的流动性能与传热系能遥 模型截面示意图见图 3遥 板束之间走烟气袁烟气通道长 515mm袁板束间距 35mm袁凝结水走椭圆循环通道袁椭圆通道个数 16 个袁椭圆通道长半轴为 15mm袁短半轴为 4mm袁椭圆通道长度为 2m遥板壳式省煤器主要几何尺寸和相关物性参数分
12、别见表 1 和表 2遥2.2 板壳式省煤器三维传热模型的建立和网格划分板壳式省煤器的建模采用了三维建模软件 Gambit袁由上述参数中的详细尺寸建立三维模型袁 包括壳程流体和管程流体两个部分袁建好模型后袁采用 hex/wedge 结构化网格袁整个模型中共有节点 Node 1478062 个袁单元 El鄄ement 1148922 个袁在 Gambit 模块下设定其边界类型和流体类型如下院烟气尧凝结水进口为速度入口袁出口为自由压力出口袁换热面为 wall 边界条件袁其余壁面均为 wall 边界条件袁板壳式省煤器模型网格图见图 4遥2.3 模拟计算过程对板壳式省煤器模型进行如下简化院渊1冤忽略由于
13、温差引起的辐射换热遥渊2冤忽略省煤器边界与外部环境换热袁即 wall 边界条图1板壳式省煤器板片Fig.1 The plate of plate and shell economizer图3板片截面示意图Fig.3 The diagram of plate section表1板壳式省煤器主要几何尺寸Tab.1 The main geometry dimensions of plate and shelleconomizer传热面积S/m2凝结水通道长度L/m烟气通道长度L1/mm椭圆通道长轴a/mm椭圆通道短轴b/mm第一块板束左侧平面区长度 S1/mm第一块板束右侧平面区长度S2/mm4.0
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