孙祎 1 钱付平 1 ![]()
于灵涛 1 吴越 1 黄乃金 2 吴昊 2
1. 安徽工业大学能源与环境学院，安徽 马鞍山 243002
2. 安徽威达环保科技股份有限公司, 安徽 合肥 230041 DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223248
摘 要 以水泥窑选择性催化中低温脱硝系统的余热回收设备回转式换热器为研究背景，选取回转式换热器中典型换热元件作为基础板型，提出波纹高度比例和斜波纹倾角的结构改进方式并得到了一系列新型换热元件。通过三维数值模拟方法对比分析不同换热元件的流动和传热特性，引入面积质量因子j/f表示换热元件的综合换热性能。结果表明，相同的换热条件下，波纹高度比例3:1的换热元件在边界处的流动扰动比其他波纹高度比的换热元件平缓，因此，其Nu最小，摩擦阻力系数f最小，但j/f最大，较原CU换热元件的综合换热性能提升。波纹高度比例3:1的换热元件的斜波纹倾角在30°~60°变化时，换热元件的倾角度数越大，流动混合越显著，Nu越大，f也越大，且f的增幅大于Nu的增幅，波纹倾角度数为30°的换热元件的综合换热特性最优。水泥行业、火力发电、钢铁产业等是我国国民经济的重要基础产业[1]，但巨大的产能伴随着巨大的排放，若将工业排烟中可观的余热进行回收利用，对提高企业经济效益及减少能源浪费具有实际意义。回转式换热器是一种通过转子中密集的换热板片进行热量交换的设备，当转子转至高温烟气侧时，换热元件被高温排烟加热升温，当转子转至低温烟气侧时，换热元件释放热量并加热低温烟气，换热元件交替通过高、低温烟气实现了热量的回收利用[2]。由于其具有体积小、传热效率高、造价低等优势，回转式换热器已广泛应用于脱硫脱硝、燃煤发电等工业生产中[3,4]。由回转式换热器的结构原理可知，换热元件的流动换热特性决定了回转式换热器的阻力性能和换热效率。近几十年来，国内外已经对换热元件做了很多实验和数值模拟方面的研究。在实验研究方面，Stasiek[5]在一个开放的低速风洞中进行了6个换热元件的传热和流动实验，选择恒壁面温度或恒热流的替代效应作为边界条件。通过液晶和图像处理技术得到了传热表面温度和局部努塞尔数的分布。Luna等[6]利用可视化技术研究了CC通道中的复杂流体模式。Wang等[7]研究了陶瓷蜂窝状和金属波纹形两种不同材料和通道形状的换热元件的流动换热情况，并从测量数据中推导出了传热和阻力的经验相关性，以及有效性与传递单元数之间的关系。宋治璐[8]搭建了双通道热态风洞实验平台，得到换热元件传热特性曲线。通过对比发现数值模拟与实验结果所得的柯尔本因子j与雷诺数Re对应的对数曲线呈现相同趋势，验证了通过数值模拟研究回转式空气预热器换热元件传热与流动特性的可行性。在数值模拟方面，Feng等[9]对交叉波纹三角形流道进行了数值研究，采取波纹通道内设置梯形挡板的方式促进流体的混合和动量交换，从而增强了流场的协同效应，提高了流道的综合传热性能。Zhang等[10]研究了不同入口截面形状的交叉波纹通道中的复杂流动和传热模式。使用有限体积方法和经过验证的低雷诺数湍流模型获得三维数值预测，并讨论了波纹通道截面形状的变化对涡流强度的影响。Kanaris等[11]以换热板的堵塞率、通道高宽比、波纹长径比、倾角和雷诺数作为设计变量，通过经过验证的计算流体动力学(CFD)代码预测了该类板式换热器的努塞尔数和摩擦因数的新关系式。Güllüce等[12]选择换热元件的正弦间距、波纹高度和波纹倾角作为决策变量，以效率、熵产生数和成本为目标，采用遗传算法和NSGA-II算法在目标函数之间得到了最优点和帕累托前沿，在最优点下目标结果得到显著的增强，证明优化过程是提高效率和熵生成以及降低总成本的有效工具。Wang等[13]将CFD模拟、支持向量机(SVM)和多目标优化算法(NSGA-II)结合，分别从制造商和用户的角度提出了两个评估标准，对CU换热元件的几何结构进行了多目标优化。其他的一些研究还包括对换热元件的解析和半解析研究[14-17]。现有研究中，大多是对电站锅炉中回转式换热器的换热元件展开分析，本工作以水泥窑中低温脱硝系统作为研究背景，可以为该类系统中换热元件的选型提供参考。CU换热元件具有传热表面积大和结构简单的特点，是回转式换热器使用最多的基体元件之一。因此，许多研究者对该类换热元件的流动换热情况展开了研究[12]。本工作通过对CU型换热元件改造，得到了一系列结构参数按照一定规律变化的新型换热元件，对比不同新型换热元件的流动换热性能，得到综合换热效果最优的换热元件，其性能优于原CU换热元件。同时，数值模拟的分析过程也可为不同需求的工程实际应用提供换热元件选型的参考。在CU换热元件的基础上，不改变换热板其他几何结构参数的前提下构建了三种斜波纹高度大小交替形式的换热元件，波纹高度可以被间隔地增高或降低，能够灵活适应不同需求侧重的应用场景。换热元件斜波纹的原始高度为2.4 mm，波纹高度比例为1∶1, 2∶1, 3∶1, 2∶3，波纹高度比例1∶1为原CU换热元件，对应的换热元件几何结构参数如表2所示。图4为几种换热元件的结构尺寸示意图。表2 不同波纹高度比例下换热元件的结构参数Table 2 Structural parameters of heat transfer element with different proportions of corrugated height
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图4 不同波纹高度比例换热元件的示意图Fig.4 Schematic diagrams of heat transfer element with different proportions of corrugated height以入口速度10 m/s的工况为例，波纹高度比例1:1, 2:1, 3:1, 2:3的换热元件的进出口压降分别为278.7424, 250.6806, 249.4867, 345.3419 Pa，对应的通道截面压力分布如图5所示，可以看出结构参数改变对换热元件的压力分布有明显影响，相较于原CU换热元件，将波纹高度比例调整为2∶3时，通道内高压区域占比增加。图6为换热元件阻力系数f随雷诺数Re的变化，四种波纹高度比例下的换热元件的f均随着Re增大而减小，且f下降的趋势均呈现逐渐平缓的规律。与原CU换热元件相比，波纹高度比例为2∶1和3∶1的换热元件的阻力系数减小，波纹高度比例为2:3的换热元件的阻力系数增大。流动阻力表现最优的为波纹高度比例为3∶1的换热元件。![]()
图5 不同波纹高度比例换热元件通道截面压力分布云图Fig.5 Cloud diagrams of pressure distribution in the channel section of heat transfer elements with different proportions of corrugated height![]()
图6 不同波纹高度比例换热元件f随Re的变化Fig.6 Variations of f with Re of heat transfer elements with different proportions of corrugated height波纹高度比例2∶1和3∶1的结构形式间隔地将斜波纹高度降低为原高度的1/2和1/3，波纹高度比例2∶3的情况下间隔地将斜波纹的高度增高至原高度的3/2。综合分析不同波纹高度比例换热元件的压降和阻力系数规律可知，斜波纹高度降低使流动边界的起伏减缓，抑制了近壁处的复杂流动，流经换热元件流体的湍流动能较低，使得阻力下降，斜波纹高度增高增强了流动边界的扰动，流动阻力提高。因此，可采用降低斜波纹高度的方式提升换热元件的流阻效果。入口速度10 m/s工况下波纹高度比例为1∶1, 2∶1, 3∶1, 2∶3的换热元件对应的出口截面的平均温度为427.4108, 426.6544, 426.5674, 428.1174 K，换热元件波纹高度比例为2∶3时出口温度最高。图7为出口截面温度云图，波纹高度比例为2∶1和3∶1的换热元件的工质低温区面积较原CU换热元件明显增大，流动中心的工质升温减少，且温度变化梯度增加，说明波纹高度比例增大使流经换热元件的工质的换热效果减弱；当波纹高度比例为 2∶3时，呈现出相反的规律。![]()
图7 不同波纹高度比例换热元件出口截面温度分布云图Fig.7 Cloud diagrams of temperature distribution at the outlet section of heat transfer elements with different proportions of corrugated height
几种换热元件的换热情况的定量分析如图8和9所示，换热元件的努塞尔数Nu均随Re增大而增大，柯尔本因子j均随Re增大而减小。四种换热元件相比，波纹高度比例为2∶3的换热元件的Nu最大，波纹高度比例为3∶1的换热元件的Nu最小，j呈现出相同的规律，波纹高度比例3∶1的换热元件的换热效果最差。波纹高度比例为2∶3的换热元件间隔增高了斜波纹的高度，增强了壁面处的流动扰动。斜波纹增高使流体与换热板的接触面积增大，从而增大了换热量，且流动空间增大使流动更均匀，不同高度交替的波纹结构形式使沿着截面的流动变化频率增大，破坏了壁面的热边界层，从而增强了换热。波纹高度比例为2∶1和3∶1的换热元件的波纹波动更加平缓，且波纹相接处的流动面积变狭窄，流动不充分区域增多，使换热效果下降。可以得出，换热元件的换热效果随斜波纹增高而增强。![]()
图8 不同波纹高度比例换热元件Nu随Re的变化Fig.8 Variations of Nu with Re of heat transfer elements with different proportions of corrugated height![]()
图9 不同波纹高度比例换热元件j随Re的变化Fig.9 Variations of j with Re of heat transfer elements with different proportions of corrugated height由以上分析可知，斜波纹高度增加会加剧近壁处流体的扰动，从而使流动混合更强烈，因此增大斜波纹高度在提高换热效果的同时也会造成阻力的增大。在生产实际中一般需要兼顾换热效果及运行成本，因此流动换热综合评价指标面积质量因子j/f最大的换热元件为最佳选择。f随Re增大而降低的趋势较j随Re增大而降低的趋势更平缓，以波纹高度比例3∶1的换热元件为例，在所研究的雷诺数范围内，f随Re增大下降了18.57%，j随Re增大下降了22.12%，因此j/f随Re增大而降低。四种换热元件j/f随Re的变化如图10所示，在相同的入口条件下，j/f由高到低的换热元件依次为波纹高度比例为3∶1, 2:1, 1∶1, 2∶3的换热元件，因此，波纹高度比例为3∶1的换热元件的流动换热综合效果最好，其j/f的值较波纹高度比例1:1的原CU换热元件平均提升约7.3%。结合上述分析可知，波纹高度的变化对流动阻力的影响相较于对换热效果的影响更大。![]()
图10 不同波纹高度比例换热元件j/f随Re的变化Fig.10 Variations of j/f with Re of heat transfer elements with different proportions of corrugated height换热元件斜波纹倾角使流体进入通道后沿着两个不同方向流动组成交叉流，增强了流动的扰动和混合，进而强化传热。在上述选定的综合评价指标最优的波纹高度比例换热元件的基础上，进一步比较不同斜波纹倾角下换热元件流动换热的表现。为避免换热效果太差或流经换热元件的流体压降太高的情况，选取了30°~60°这一常用的、范围适宜的换热元件斜波纹倾角的区间。斜波纹倾角为30°, 40°, 50°, 60°，对应换热元件的几何结构参数见表3，其结构示意图如图11所示。表3 不同斜波纹倾角换热元件的结构参数Table 3 Structural parameters of heat transfer elements with different corrugated inclination angle
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图11 不同斜波纹倾角的示意图Fig.11 Schematic diagrams of different corrugated inclination angles保持设置条件不变，对不同斜波纹倾角换热元件进行模拟。以入口流速10 m/s的工况为例，倾角为30°, 40°, 50°, 60°的换热元件进出口压降分别为249.4867, 297.3479, 380.1434, 507.1042 Pa，对应的通道截面的压力云图分布如图12所示。云图显示不同斜波纹倾角的换热元件的压力都呈现沿着工质的主流方向渐降的分布，倾角从30°变化至60°时，压力变化显著，高压区域不断增大。由图13可知，阻力系数随着斜波纹倾角度数增大而增大，斜波纹倾角为30°的换热元件的阻力系数最小，倾角为60°的换热元件的阻力系数最大。斜波纹倾角增大时通道内的交叉螺旋流更显著，破坏了边界处的流动发展，并且随着斜波纹倾角增大，两换热板片间波纹相接处增多，进一步加强了对流体的扰动，进出口压降增大，阻力系数随之增大。由定量计算分析可知，倾角度数由30°增大至60°时，阻力系数提高了105.77%。![]()
图12 不同斜波纹倾角换热元件通道截面压力分布云图Fig.12 Cloud diagrams of pressure distribution in the channel section of heat transfer elements with different corrugated inclination angles
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图13 不同斜波纹倾角换热元件f随Re的变化Fig.13 Varitations of f with Re of heat transfer elements with different corrugated inclination angles
入口速度为10 m/s时，30°, 40°, 50°, 60°倾角的换热元件的出口平均温度分别为426.5674, 427.9179, 429.1356, 429.9535 K，当换热元件波纹倾角为60°时，工质升温最高。对应的出口截面温度云图如图14所示，由温度云图可知，换热元件通道内远离波纹槽的位置温度最低，说明在此处气流的混合尚不充分，随着斜波纹倾角增加，出口截面的低温区域依次减少，且温度分布的均匀度更高，因此斜波纹倾角增大强化了流体间热量的传递。Nu, j随Re变化的趋势如图15和16所示。斜波纹倾角从30°增至60°时，Nu提高了26.49%，说明波纹倾角增大可以大幅增强换热元件的换热效果。这是由于随着换热元件斜波纹倾角增大，两流向流体间的扰动增大，会加强中心流体与壁面区域流体的混合，使流经换热元件的工质被加热得更加充分，从而增强换热效果。![]()
图14 不同斜波纹倾角换热元件出口截面温度分布云图Fig.14 Cloud diagrams of temperature distribution at the outlet section of heat transfer elements with different corrugated inclination angles
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图15 不同斜波纹倾角换热元件Nu随Re的变化Fig.15 Variations of Nu with Re of heat transfer elements with different corrugated inclination angles![]()
图16 不同斜波纹倾角换热元件j随Re的变化Fig.16 Varitations of j with Re of heat transfer elements with different corrugated inclination angles不同斜波纹倾角换热元件的j/f随Re的变化如图17所示，结合上述分析可知，斜波纹倾角增大可以加剧流体间的混合，由于阻力系数上升的幅度远大于努塞尔数上升的幅度，可知斜波纹倾角变化对换热元件阻力的影响大于对传热效果的影响。因此斜波纹倾角为30°的换热元件的流动换热综合性能最优，其j/f比斜波纹倾角为60°的换热元件提高约57.98%。以上规律可为不同实际需求的余热回收工业应用场景提供换热元件选型的参考，当以提升余热回收效率为主要目的时可以选择斜波纹倾角较大的换热元件，当为减少风机能耗等运行成本时可选取斜波纹倾角较小的换热元件。![]()
图17 不同斜波纹倾角换热元件j/f随Re的变化Fig.17 Variations of j/f with Re of heat transfer elements with different corrugated inclination angles采用改变斜波纹高度比例和斜波纹倾角两种方式得到了一系列不同结构参数的新型换热元件，通过三维数值模拟的方法得到了不同换热元件的压力和温度的分布情况，考察了结构参数改变对换热元件换热效果、流动阻力的影响，得到了以下结论：(1) 不同波纹高度比例换热元件的Nu均随Re增大而增大，f均随Re增大而减小，j均随Re增大而减小。其中，在所研究的雷诺数范围内，波纹高度比例3∶1的换热元件f随雷诺数增大下降了18.57%，j下降了22.12%。选取j/f作为换热元件的流动换热综合评价指标，其值随Re增大而减小。(2) 波纹高度比例为3:1的换热元件由于其壁面的起伏更加平缓而使流动边界处的扰动更弱，其换热效果最差但流动阻力最低，压降较原CU换热元件下降29.2557 Pa。波纹高度比例为3∶1的换热元件的j/f最大，综合换热效果最佳，较原CU换热元件提升约7.3%，证明调节波纹高度比例是一种有效的换热元件结构改型方式。波纹高度比例为3∶1的换热元件的部分斜波纹深度较原换热元件更低，更利于吹灰清洗。(3) 在波纹高度比例为3∶1的换热元件的基础上改变斜波纹倾角。斜波纹倾角增大加剧了两流向流动的混合，提高传热的同时也会增大流阻，当斜波纹从30°增至60°时，阻力系数的增幅约为努塞尔数增幅的4倍。当斜波纹倾角为30°时，换热元件的流动换热综合效果最优，其j/f约比60°斜波纹倾角换热元件提高57.98%。
Numerical study on heat transfer and resistance characteristics of heat transfer element of rotary heat exchanger
Yi SUN 1 Fuping QIAN 1 ![]()
Lingtao YU 1Yue WU 1Naijin HUANG 2Hao WU 2
1. School of Energy and Environment, Anhui University of Technology, Ma'anshan, Anhui 243002, China
2. Anhui Weida Environment Protection Science & Technology Co., Ltd., Hefei, Anhui 230041, China Abstract: In this work, the rotary heat exchanger for waste heat recovery of SCR (Selective Catalytic Reduction) low temperature denitration system in cement kiln is taken as the research background, and a typical heat transfer element in the rotary heat exchanger is selected as the base plate type. The structural improvement methods with different proportions of corrugated height and different corrugated inclination angle are proposed and a series of new-style heat transfer elements are obtained. The flow resistance and heat transfer characteristics of different heat transfer elements are compared and analyzed by three-dimensional numerical simulation method, and the area mass factor j/f is introduced to represent the comprehensive heat transfer performance of the heat transfer elements. The results show that under the same heat transfer condition, the flow disturbance at the boundary layer of the heat transfer element with the corrugated height proportion of 3:1 is gentler than heat transfer elements that of other corrugate height proportion. Therefore, its Nusselt number value is the smallest, the value of the friction coefficient is the smallest, but the area mass factor is the largest. This also proves that the heat transfer element after the adjustment of the corrugated height proportion has improved the comprehensive heat transfer performance compared with the original CU heat transfer element. Under the premise of a heat transfer element with the corrugated height proportion of 3:1, the inclination angle of corrugate is changed in the range of 30°~60°. It is found that, the greater the inclination degree of the heat transfer element, the stronger the flow mixing, the larger the value of the corresponding Nusselt number is, and the larger the value of the friction coefficient is, while the increase of the friction coefficient with the increase of the degree of corrugate inclination is greater than that of the Nusselt number. When the inclination angle of the corrugate is 30°, the comprehensive heat transfer characteristics of the heat transfer element are optimal. The results show that the structure improvement can improve the comprehensive heat transfer performance of flow heat transfer element.
Keywords: heat transfer element；flow resistance characteristic；heat transfer effect；numerical simulation
引用本文： 孙祎, 钱付平, 于灵涛, 等. 回转式换热器换热元件换热及阻力特性的数值研究. 过程工程学报, 2024, 24(6): 670-680. (Sun Y, Qian F P, Yu L T, et al. Numerical study on heat transfer and resistance characteristics of heat transfer element of rotary heat exchanger (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(6): 670-680, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223248.)
作者简介：孙祎，硕士研究生，能源动力专业，E-mail: 1182193964@qq.com
作者简介：钱付平，教授，环境科学与工程专业，E-mail: fpingqian@ahut.edu.cn
基金信息： 安徽省重点研究与开发计划(编号：202104i07020016)
中图分类号： X781.5；TK172
文章编号：1009-606X(2024)06-0670-11
文献标识码： A
收稿日期：2023-09-12
修回日期：2023-11-17
出版日期：2024-06-28
网刊发布日期：2024-06-26
