生物質(zhì)熱風(fēng)爐作為一種節(jié)能、環(huán)保的加熱取暖裝置，已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用，可以在冬天用作取暖設(shè)備，也可以為糧食作物等烘干提供熱源，還可以為溫室大棚保溫等。生物質(zhì)熱風(fēng)爐主要包括鼓風(fēng)機、燃燒裝置、換熱器等，其中換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的裝置，生物質(zhì)熱風(fēng)爐的經(jīng)濟性、可靠性及使用性很大程度上受到換熱器結(jié)構(gòu)的影響。
　　由于換熱器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，影響換熱效率的因素眾多，若僅僅依靠試驗來優(yōu)化換熱器的結(jié)構(gòu)以最大限度地提高其換熱效率，那將是一個及其繁瑣且冗長的過程。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)知識的不斷完善，CFD軟件的計算速度、穩(wěn)定性、精確性已經(jīng)達(dá)到了可以信賴的程度。因此，對某生物質(zhì)熱風(fēng)爐進(jìn)行CFD分析，得出內(nèi)部氣流的溫度場、速度場，然后對其進(jìn)行評價、優(yōu)化以提高換熱效率，最后通過試驗驗證結(jié)構(gòu)的合理性。
 
01
 
仿真模型
 
　　1.1物理模型的建立
　　該熱風(fēng)爐的換熱器為間壁式換熱器，溫度不同的兩種流體在被非隔熱壁面分開的空間中流動，通過壁面?zhèn)鳠岷土黧w在導(dǎo)熱壁表面對流，實現(xiàn)兩種流體之間的換熱。換熱器一般有管殼式和套管式兩類，這里模擬的是管殼式換熱器。
　　物理模型是進(jìn)行后續(xù)模擬的實體基礎(chǔ)，合理的物理模型能夠為后續(xù)網(wǎng)格劃分及分析計算省去很多不必要的麻煩。在三維軟件Catia中建立的換熱器物理模型如1所示，換熱器主要參數(shù)如表1所示。
　　換熱器的下方即為燃燒室，秸稈等生物質(zhì)燃料在其下方燃燒，產(chǎn)生煙氣伴隨著大量熱量流進(jìn)換熱管(管程流體)，換熱器上方(即煙氣出口)裝有引風(fēng)機使生物質(zhì)燃料燒得更旺，產(chǎn)生更多的熱量。干凈的冷空氣從換熱器下面方形入口進(jìn)入(殼程流體)，通過壁面的導(dǎo)熱和冷空氣在換熱管壁表面的對流獲得熱量，從換熱器上方圓形出口流出變成所需要的熱空氣。
　　1.2計算模型的確定
　　流體流動受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。如果流動包含不同成分(組元)的混合或相互作用，系統(tǒng)還要遵守組分守恒定律。如果流動處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程[1]。
　　換熱器的傳熱數(shù)學(xué)模型用三維不可壓縮的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒與導(dǎo)熱方程及湍流方程。Fluent提供了多種湍流模型，但是，沒有一個模型對于所有問題是通用的。綜合考慮流體的可壓性、計算的精確性、計算機的CPU能力、時間的花費等因素，選用標(biāo)準(zhǔn)k－ω模型，標(biāo)準(zhǔn)k－ω模型預(yù)測了自由剪切流傳播速率，像尾流、混合流動、平板饒流、援助饒流和放射狀噴射，因而可以應(yīng)用于墻壁束縛流動和自由剪切流動。
　　1.3模型處理及網(wǎng)格劃分
　　1.3.1模型處理
　　為了便于分析，換熱管的布置形式設(shè)計成對稱的。將三維的物理模型導(dǎo)入到Workbench的Geometry單元模塊里并創(chuàng)建對稱面。接下來抽取換熱器的流體域，抽取的空氣與煙氣流體域分別如2和3所示。
　　1.3.2網(wǎng)格劃分
　　網(wǎng)格劃分在整個數(shù)值模擬中是極其重要的一個環(huán)節(jié)，劃分出來的網(wǎng)格好壞直接影響到求解的準(zhǔn)確性，若網(wǎng)格很差甚至不能求解。在該模型中需要設(shè)置Mesh interface，兩個Interface節(jié)點應(yīng)盡可能地保持一致，網(wǎng)格尺寸盡可能地接近，否則在生成Mesh interface時不能很好地進(jìn)行耦合，從而導(dǎo)致無法求解。經(jīng)過多次試驗比較，最終確定網(wǎng)格尺寸設(shè)置如4所示，煙氣流體域和空氣流體域均設(shè)置有3層邊界層，第一層為1mm，增長因子為1.2。
 
02
 
初始化及邊界條件的設(shè)置
 
　　由于熱風(fēng)爐中的溫度壓力都比較高，換熱管材質(zhì)采用20#鋼，為了節(jié)省成本，其他處采用Q235鋼，這兩種材料的物性參數(shù)如表2所示。煙氣與空氣在各溫度下的物性參數(shù)分別如表3和表4所示。
　　需要設(shè)定的邊界條件：①兩個速度進(jìn)口邊界條件，包括流體入口速度、壓力、溫度、湍流強度、水力直徑；②兩個壓力出口邊界條件，包括出口處相對壓力、湍流強度、水力直徑；③壁面邊界條件，主要有壁面溫度。
 
03
 
模擬結(jié)果及分析
 
　　3.1管程流場分析
　　換熱管的研究是換熱器結(jié)構(gòu)研究的重點之一，合理的換熱管結(jié)構(gòu)能在很大程度上提高換熱器的熱效率。數(shù)值模擬中，管程流體為熱流體即煙氣流，通過對換熱管內(nèi)流體進(jìn)行CFD模擬，得出換熱管流體的溫度場、速度場等，再對這些場進(jìn)行分析對比，對原始的換熱管進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計出效率更高的換熱管。
　　3.1.1溫度場分析
　　5所示由左至右依次為換熱器底部、中部、頂部橫截面的溫度云，6中圓形區(qū)域為換熱管中部橫截面溫度分布云，可以看出換熱管中心溫度高，壁面溫度低，且溫度梯度大。這主要是由于流體粘度的存在，靠近壁面流體流動狀態(tài)為層流，而層流熱阻大，形成了熱邊界層，此處的傳熱效果有待進(jìn)一步提高。7所示為管程流體域軸向?qū)ΨQ面上的溫度分布云，管程中的煙氣溫度逐步降低，在一定程度上表明換熱比較明顯。
　　3.1.2速度場分析
　　為進(jìn)一步了解換熱管內(nèi)的煙氣流動狀態(tài)對換熱器傳熱的影響，對煙氣流動的速度場進(jìn)行分析。8、9所示分別為換熱管橫、縱截面流體速度矢量。由8可以看出，換熱管橫截面速度分布變化不是很明顯，速度梯度較小；而從9可以看出，管程中的流體在換熱管內(nèi)流速先是稍有增大，然后到換熱管中部及后部流速基本穩(wěn)定下來。綜上可知：煙氣流體在換熱管內(nèi)的速度變化幅度不大，湍流強度較小，傳熱阻力較大。
　　3.2殼程流場分析
　　數(shù)值模擬中，殼程流體為冷流體即空氣流，殼程殼體結(jié)構(gòu)是換熱器研究的另一重點。若殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，容易導(dǎo)致傳熱效率降低、流動損失增大等缺陷，因此設(shè)計合理的殼體結(jié)構(gòu)，改善換熱器的殼程流動狀態(tài)能有效消除這些缺陷。
　　3.2.1溫度場分析
　　10和11所示分別為殼程縱截面和出口處的溫度云。由10可知，殼程中空氣溫度總體上沿流體的流動方向逐漸升高，且離換熱管壁越近，溫度越高。但仔細(xì)觀察，在換熱器右下角和左上角都有塊區(qū)域溫度比周圍溫度高，這是因為流體在這個區(qū)域處于相對停止的狀態(tài)，其中存在許多小渦流，小渦流中的流體速度很低，使得這塊區(qū)域很快被加熱，又由于處于停滯狀態(tài)，熱量無法傳遞出去，因此這塊區(qū)域溫度相對較高，即形成了“傳熱死區(qū)”。由11可以看出殼程出口處流體平均溫度為91.6℃，但溫度分布不均勻。
　　3.2.2速度場分析
　　12所示為殼程縱截面速度云，上述傳熱死區(qū)處的速度恰好與12所示相符合，在換熱器的左上角和右下角速度很低，流體幾乎處于停滯狀態(tài)，空氣流體從殼程入口進(jìn)入，經(jīng)過換熱管的擾流，斜向上沿殼程出口出去。故應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硐皞鳠崴绤^(qū)”的存在。
 
04
 
優(yōu)化措施及結(jié)果
 
　　4.1優(yōu)化措施
　　采取以下措施對模型進(jìn)行優(yōu)化：①適當(dāng)增加換熱管的數(shù)量，從原來的34根增加到39根；②換熱管形狀由圓管改成當(dāng)量直徑相當(dāng)?shù)谋夤埽虎蹥こ虄?nèi)加兩塊隔板起擾流作用，以消減兩個角落處的“傳熱死區(qū)”。優(yōu)化后模型如13所示。
　　4.2優(yōu)化后結(jié)果分析
　　優(yōu)化后換熱器的縱截面速度和溫度云分別如14和15所示。由14可以看出，殼程流體從殼程入口進(jìn)入，由于橫截面的擴張，速度突然降低，流體經(jīng)過換熱管的擾流作用，速度時高時低，形成比較劇烈的紊流。與12相比，由于殼程內(nèi)加裝了兩塊隔板，消除了殼程中的流體停滯區(qū)，促進(jìn)了換熱器的傳熱。
　　由15可以發(fā)現(xiàn)，管程流體溫度從入口到出口的變化比7明顯得多，說明扁管的傳熱效果比圓管好，換熱管的優(yōu)化是合理的；由于殼程中兩塊隔板的作用，殼程流體溫度從入口到出口呈“Z”字型升高，與10相比，優(yōu)化后的模型中并無溫度過高或過低的區(qū)域，出口平均溫度達(dá)到111.6℃，且溫度分布均勻，說明換熱器殼程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也是合理的。
 
05
 
模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比
 
　　模擬用的模型與試驗樣機尺寸相同，測量位置及方法參考燃煤熱風(fēng)爐標(biāo)準(zhǔn)JB/T6672－2011。數(shù)值模擬中用到的邊界條件如殼程管程入口流速、入口溫度等均來自此次試驗，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比項為殼程流體出口溫度，其數(shù)值的大小能體現(xiàn)換熱器熱效率的高低。表5所示為模型優(yōu)化前后殼程出口溫度試驗值與模擬值對比，兩者吻合得較好，誤差在10%之內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。
 
06
 
結(jié)論
 
　　通過對熱風(fēng)爐換熱器的殼程流體與管程流體進(jìn)行CFD模擬仿真，分別對換熱器的管程流體和殼程流體的流場特征進(jìn)行了認(rèn)真的研究，找出其不合理之處，并提出優(yōu)化方案，通過試驗驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性以及優(yōu)化的合理性。