CN105550481B - 一种基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法，包括如下步骤：根据实际情况建立模型；利用ICEM软件画好网格；利用Fluent软件进行数值计算并根据计算结果调整水重力热管的尺寸直至换热性能达到最优。本发明的优点是：通过利用流体动力学CFD软件Fluent建立计算流体动力学模型，对水重力热管与烟气换热性能进行数值仿真与分析，节约时间和材料。根据模拟结果，调整水重力热管的设计参数，直到得到一种水重力热管与烟气换热性能优化的方案。

Description

一种基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法
技术领域
本发明涉及烟气余热回收技术领域，具体涉及一种基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法。
背景技术
烟气余热回收系统由换热器、风机、水泵、温度传感器、流量计、管道等组成，其中换热器的设计最为重要。虽然目前正在应用的换热器有很多种，但换热效率最高的当属热管换热器，然而热管换热器的设计并没有统一的标准，设计时需要根据实际工况来调整的参数很多，稍有不慎，则会导致热管的换热效果较差，甚至热管报废等严重后果。
在现有技术中，水重力热管与烟气换热器的设计主要是靠现场经验，这种方法因设计者的经验不同而导致其换热性能有很大的差异，有的甚至无法工作，且需要花费大量的时间和材料去测试，因而这种方法并不利于新产品的开发和应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法，以提高烟气换热器的换热性能。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法，包括步骤：
建立烟道和水重力热管的三维几何模型；
对烟道和水重力热管的三维几何模型进行网格划分；
在Fluent软件中，选择计算模型模拟水重力热管内水的蒸发冷凝相变传热过程，并设置边界条件，输出图形数据，得到烟道和水重力热管的三维几何模型的温度分布图和水重力热管三维几何模型内水的相变云图；
根据所述温度分布图和所述相变云图所反映的烟气换热性能，调整烟道和水重力热管的三维几何模型的尺寸，并利用Fluent软件重新获取所述温度分布图和所述相变云图，直至烟气换热性能达到最优结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过利用流体动力学CFD软件Fluent建立计算流体动力学模型，对水重力热管与烟气换热性能进行数值仿真与分析，节约时间和材料。根据模拟结果，调整水重力热管的设计参数，直到得到一种水重力热管与烟气换热性能优化的方案。
附图说明
图1为本发明基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法，如图1所示，包括步骤：
步骤s101、建立烟道和水重力热管的三维几何模型；
步骤s102、对烟道和水重力热管的三维几何模型进行网格划分；
步骤s103、在Fluent软件中，选择计算模型模拟水重力热管内水的蒸发冷凝相变传热过程，并设置边界条件，输出图形数据，得到烟道和水重力热管的三维几何模型的温度分布图和水重力热管三维几何模型内水的相变云图；
步骤s104、根据所述温度分布图和所述相变云图所反映的烟气换热性能，调整烟道和水重力热管的三维几何模型的尺寸，并利用Fluent软件重新获取所述温度分布图和所述相变云图，直至烟气换热性能达到最优结果。
本发明所述的烟气换热器的热管采用的是水重力热管，如上所提供的优化设计方法，是为了减少研发周期与成本，提高烟气换热效率。具体是将用Solidworks建好的几何模型导入ICEM软件中，画好网格后导入Fluent软件中，利用Fluent软件强大的求解流动与传热问题的计算功能，得到水重力热管与烟气换热性能较好的参数结果，为水重力热管与烟气换热性能的优化设计提供了一种便捷的方法。
Fluent软件正是基于计算流体动力学方法的求解流动与传热问题的通用软件，采用Fluent数值仿真法，在计算机上完成数值仿真计算过程，可以得到极其复杂问题的流场各个位置的基本物理量(如温度、流量等)的分布以及这些物理量随时间的变化情况，可以形象、直观地对气流分布做出分析和评价。
下面进一步对步骤s101-s104的过程进行说明。
(1)根据实际情况建立模型：
a.使用Solidworks软件建立水重力热管的三维几何模型，并将水重力热管的基本尺寸参数化，热管长度1100mm，管壁3mm，管径26mm，翅片外径62mm，翅片厚度2mm，翅片间距8mm，翅片总长700mm；需要设计的参数还包括热管内水的体积分数和热管在烟道中的相应位置。
b.使用Solidworks软件建立烟道的三维几何模型，并将烟道的基本尺寸参数化，烟道的横截面1100*800mm，长度2000mm。
(2)利用ICEM软件画好网格：先将模型分为三个区，热管内腔为一个区，热管壁及翅片为一个区，烟道为一个区，采用非结构化网格，划分网格主要采用四边形网格元素组成，在边角区域采用三角形网格元素，总共划分为1489511个网格。
(3)利用Fluent软件进行数值计算：
a.计算模型的选择：选择k-ε湍流模型，非稳态求解器，采用VOF多相流模型，能较好的模拟热管与烟气换热后，热管内水的蒸发冷凝相变传热过程；
b.边界条件的设置：采用速度入口边界，烟气流速4m/s，温度200℃，操作压力为0，环境温度为0，烟道为绝热壁面，导入热管内水的蒸发冷凝相变UDF函数，初始化热管内水的体积分数为20％。
(4)计算结果后处理：输出步骤3中的模拟图形数据，得到模型的温度分布图及热管内水的相变云图，根据仿真模拟的结果，调整水重力热管的参数进一步优化水重力热管与烟气换热性能，重复上述步骤1、2、3，直到得到水重力热管与烟气换热性能的最优结果。
(5)根据步骤(4)得到的最优结果，设计水重力热管与烟气换热系统。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法，其特征在于，包括步骤：
建立烟道和水重力热管的三维几何模型；
对烟道和水重力热管的三维几何模型进行网格划分；
在Fluent软件中，选择计算模型模拟水重力热管内水的蒸发冷凝相变传热过程，并设置边界条件，输出图形数据，得到烟道和水重力热管的三维几何模型的温度分布图和水重力热管三维几何模型内水的相变云图；
根据所述温度分布图和所述相变云图所反映的烟气换热性能，调整水重力热管的三维几何模型的尺寸，并利用Fluent软件重新获取所述温度分布图和所述相变云图，直至烟气换热性能达到最优结果；
所述计算模型选择k-ε湍流模型、非稳态求解器和VOF多相流模型；
所述边界条件包括：采用速度入口边界，烟气流速4m/s，温度200℃，操作压力为0，环境温度为0，初始化热管内水的体积分数为20％。
2.根据权利要求1所述的基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法，其特征在于，
采用Solidworks软件建立烟道和水重力热管的三维几何模型，并将三维几何模型中水重力热管的初始尺寸设置成：管长1100mm，管壁3mm，管径26mm，翅片外径62mm，翅片厚度2mm，翅片间距8mm，翅片总长700mm；参照实际烟道的尺寸设置三维几何模型中烟道的尺寸：横截面1100*800mm，长度2000mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于水重力热管的烟气换热器的优化设计方法，其特征在于，
采用ICEM软件对烟道和水重力热管的三维几何模型进行网格划分；
在进行网格划分的过程中，采用非结构化网格，将三维几何模型分为三个区，水重力热管的内腔为一个区，管壁及翅片为一个区，烟道为一个区，并在边角区域采用三角形网格元素，其他区域采用四边形网格元素。
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