烟气冷凝热能回收利用装置烟气流动方式优化与应用研究.doc

烟气冷凝热能回收利用装置烟气流动方式 优化与应用研究 北京建筑工程学院 葛海霞 王随林 穆连波 罗雪莹 严欢 摘要 为优化天然气热能动力设备烟气冷凝热能回收利用装置，分别设计两种烟气流动方式，采用CFD软件Fluent模拟了烟气冷凝热能回收利用装置中的流场及温度场，并与工程应用实测结果进行比较，结果表明，采用渐变断面设计的烟气流动方式，烟气在换热面上分布更均匀，更有利于强化换热，阻力更小，节省材料和空间，且实际应用表明，可有效降低和消除噪音，研究结果可为研发天然气烟气冷凝热能回收利用装置提供参考。 关键词 天然气 烟气 流动方式 优化 数值模拟 实测 0 引言 随着能源结构和 （1） 动量方程： （2） （3） 能量方程： （4） 式中：u, v分别为x,y方向的速度(m/s)；p为压力(Pa)；μ为运动粘滞系数(kg/(m·s))；ρ为烟气密度(kg/m3)；T为温度( K)；a为热扩散率(m2/s)。 采用标准的SIMPLE算法求解控制方程的离散方程组，动量方程及能量方程均采用二阶迎风差分格式，湍流模型选双方程模型（标准k-(）进行计算。 描述该现象的边界条件为：烟气进口速度2.0m/s，温度433K(160℃)，烟气出口选用压力出流条件，ΔP=2Pa；假设装置外表面绝热。 2.1.2模拟结果分析 针对两种不同形式的烟气冷凝热能回收利用装置进行烟气的流场模拟，得出烟气冷凝热能回收利用装置内的压力场和速度场分布，如图2至图8。 烟气在两种不同烟气冷凝热能回收利用装置内的压力场分布如图2和图3所示，方案二烟气压降比方案一烟气压降低2~4Pa，说明方案二的阻力更小，经计算，方案二比方案一烟气阻力减少10%~20%。 烟气在两种不同烟气冷凝热能回收利用装置内的速度场分布如图4和图5所示，图8所示为采用方案一的局部速度矢量放大图。 由图2、图4、图6分析可得，方案一右上部为高压低流速区，左下部则是一低压高流速区，这两种区域的出现，不仅会导致回流和涡旋的出现（如图8所示），增加阻力，产生噪音，同时，烟气烟气分布不均匀，影响换热效果。 由图3、图5、图7分析可得，方案二烟气分布较均匀，有利于换热，同时避免了采用矩形等高断面时的高压低流速及低压高流速区域出现，降低了阻力，减少了由于回流和涡旋产生的噪音。 图2 方案一的压力场分布图 图3 方案二的压力场分布图 图4 方案一的速度场分布图 图5 方案二的速度场分布图 图6 方案一的1-1断面烟速 图7 方案二的2-2断面烟速 (a)方案一左下部的涡旋 (b)方案一右上部的回流 图8 方案一的局部速度矢量放大图 2.2温度场模拟与分析 对两种方案的烟气冷凝热回收装置的换热过程进行模拟，分析不同烟气流动方式对装置换热性能的影响。 2.2.1 数学模型 该装置内为三维流动换热，假设烟气流动是不可压缩、层流稳态流动，烟气物性参数为常数。描述现象的数学微分方程包括： 连续性方程： （5） 动量方程： （6） （7） （8） 能量方程： （9） 式中：u, v, w分别为x,y,z方向的速度(m/s)；p为压力(Pa)；μ为运动粘滞系数(kg/(m·s))；ρ为烟气密度(kg/m3)；T为温度( K)；a为热扩散率(m2/s)。 计算采用标准的SIMPLE算法来求解上述控制方程的离散方程组，动量方程及能量方程均采用二阶迎风差分格式。 描述现象的边界条件为：方案一、二换热段的烟气进口速度为图6、图7模拟的速度，温度温度433K(160℃)；烟气出口选用压力出流条件，ΔP=2Pa；管壁温度从下向上依次为300.5K、301.0K、301.5K、302.0K、302.5K、303.0K，303.5K,304.0K；假设装置外表面绝热。 2.2.2模拟结果分析 对两种烟气流动方式的换热进行烟气温度场模拟，得出烟气在不同方案下的温度场分布，如图9、图10所示。由图看出：方案一，左端烟温由433K降到345K，右端烟温由433K降到325K，前后温降相差20K，说明进口烟气分布