• <label id="gg8gs"></label>
  • 歡迎光臨無錫市鈺婷物資有限公司官方網站!

    聯系我們
    服務熱線
    0510-85188012
    郵箱:491866689@qq.com
    地址:無錫市濱湖區振興路8號
    當前位置:首頁>>新聞中心
    一種煙氣冷卻器設計平臺及設計方法與流程
    點擊次數:8 更新時間:2023-11-24

      1.本發明涉及煙氣余熱回收技術領域,尤其涉及一種煙氣冷卻器設計平臺及設計方法。背景技術:2.目前,煙氣冷卻器主要采用焊接h型翅片管、焊接螺旋翅片管和整體型螺旋翅片管等換熱管件進行強化傳熱,以提高余熱回收效率。在工程應用中,希望用盡可能少的功耗,獲得盡可能多的換熱量。因此,在翅片管傳熱-阻力性能分析方面,采用努塞爾數nu或傳熱因子j表征傳熱性能,歐拉數eu或摩擦因子f表征阻力性能,通過建立無量綱準則數(nu,eu)和性能因子(j,f),與管束排布、構型參數之間的關聯式,為工程設計提供重要基礎。由于管束類型、排布、構型參數對管束傳熱-阻力綜合性能具有影響,在進行煙氣冷卻器設計時需要對比不同類型換熱管束在設計工況下的傳熱-阻力綜合性能,以進行換熱管束選型,并針對所選換熱管件進行排布、構型參數的優化,提高換熱器綜合性能。煙氣冷卻器綜合換熱性能評價,可以用于進行換熱結構的優化,指導煙氣冷卻器工程設計。目前換熱器性能評價方法很多,例如jf因子、pec準則等被廣泛使用,選擇合適的換熱器性能評價方法是非常必要的。3.在煙氣冷卻器工程設計與應用中,煙氣量、煙道截面以及換熱目標通常是確定的,但是換熱面積會隨著換熱管束類型、翅間距、翅高等參數的不同而顯著變化,采用已有的jf因子、pec準則等,往往無法有效地評估具有不同換熱面積的煙氣冷卻器的綜合性能。此外,熱功比q/wp(換熱量與功耗的比值)是評價的基礎準則,是綜合性能分析的目標,但是熱功比q/wp的應用性差,缺少與無量綱傳熱-阻力性能關聯式的直接聯系,并不適用于工程應用中的傳熱-阻力綜合性能評估和優化。因此,針對于相同工況條件下(相同煙氣量、相同換熱目標)、采用不同類型換熱管束的煙氣冷卻器設計而言,目前尚缺少適用于工程應用的傳熱-阻力綜合性能評價方法?;谏倭?*實驗結合高性能服務器cfd仿真以及適用于工程應用的傳熱-阻力綜合性能方法,可以實現煙氣冷卻器綜合性能高效優化設計。技術實現要素:4.鑒于以上技術問題,本發明提出了一種煙氣冷卻器性能優化設計平臺及設計方法,其步驟簡單,設計效果好,能夠快速設計出性能*優的煙氣冷卻器。5.為實現上述技術目的,本發明的一種煙氣冷卻器設計平臺,針對安裝于燃煤機組和工業窯爐尾部煙道內且管內走水管外走煙氣的蛇形翅片管煙氣冷卻器進行設計,包括風洞實驗模塊、煙氣冷卻器傳熱-阻力性能仿真模塊、傳熱-阻力性能數據處理模塊、傳熱-阻力綜合性能優化模塊和煙氣冷卻器設計校核模塊;6.風洞實驗模塊,用以根據仿真模型要求,結合設計工況范圍,進行傳熱-阻力性能實驗研究,分別獲得設計工況范圍內,低中高三個雷諾數條件下的傳熱-阻力性能實驗數據,為換熱管束傳熱-阻力性能數值仿真模塊物理模型確認提供數據支撐;7.煙氣冷卻器傳熱-阻力性能仿真模塊,用以建立與實驗縱向管排數相同且橫向管排方向具有周期性結構的換熱管束物理模型,采用該模型分別進行模型驗證,確定*優的湍流模型或湍流模型組的加權系數,并采用實驗確定的湍流模型進行大量仿真以獲得各種運行工況下的**的傳熱-阻力性能數據;具體針對不同翅片類型的蛇形翅片管換熱管束,采用經風洞實驗模塊優選的湍流模型對進行整個設計工況條件范圍內煙氣冷卻器周期性單元的傳熱-阻力cfd仿真數值實驗,分別獲得各種運行工況下的煙氣冷卻器的平均換熱系數h和壓降δp;8.傳熱-阻力性能數據處理模塊,對不同蛇形翅片管煙氣冷卻器管束在各種運行工況下的傳熱-阻力性能實驗或仿真數據,包括平均換熱系數h和壓降δp,進行無量綱化處理,分別獲得傳熱性能因子j、和阻力性能因子f,并采用*小二乘擬合方法對大量仿真數據進行擬合,分別獲得煙氣冷卻器管束排布無量綱參數與j和f因子的關聯式;再根據所確定的煙氣冷卻器傳熱-阻力性能仿真模塊中確定的加權系數進行加權處理獲得*終的傳熱-阻力性能無量綱數據公式,為傳熱-阻力綜合性能優化模塊提供數值支撐;9.傳熱-阻力綜合性能優化模塊,通過對比不同類型換熱管束,以及相同類型管束在不同排布和構型參數下的傳熱阻力綜合性能,用以對管束類型和參數進行優化,并獲得*優管型和設計參數;具體地,從理論和工程實際結合角度提出了泵功優度因子和體積優度因子,采用此因子對實現煙氣冷卻器管束類型的優選以及煙氣冷卻器特征參數優化設計;10.煙氣冷卻器設計校核模塊,用以根據管束選型和優化參數,采用平均溫差法進行設計和校核計算,根據優化結果確定的較優參數,完成煙氣冷卻器的初步設計。11.進一步,通過與風洞實驗模塊所獲得的低中高三個雷諾數條件下的模型驗證數據進行對比,從湍流模型:標準k-ε、rngk-ε、標準k-ω和k-ωsst模型中選出適用于該換熱管束的湍流模型,選擇出的湍流模型滿足風洞實驗模塊中實驗數據與仿真數據處理模塊進行模型驗證的仿真數據偏差*小且小于5%,若所有模型偏差均大于5%,則采用一個偏大與一個偏小的湍流模型進行加權平均,并確定加權系數,其中rngk-ε模型通常偏大,k-ωsst模型通常偏小,分別采用兩個湍流模型針對相同工況采用相同模型進行仿真,并分別進行擬合,再根據所確定的加權系數進行加權處理獲得*終的傳熱-阻力性能數據公式。12.進一步,傳熱-阻力綜合性能優化模塊將cfd仿真數據上升到無量綱組數據,提高數據的適用性,為性能優化提供數據支撐,具體的,基于煙氣冷卻器傳熱-阻力性能仿真模塊中的cfd仿真數據,包括平均換熱系數h和壓降δp,采用*小二乘擬合方法分別獲得所采用湍流模型/模型對條件下的傳熱性能因子j、和阻力性能因子f因子與煙氣冷卻器管束排布的無量綱參數之間的無量綱參數關聯系式;再根據所確定的傳熱-阻力性能數據處理模塊中的加權系數進行加權處理獲得*終的傳熱-阻力性能數據公式。13.一種煙氣冷卻器性能設計方法,首先采用實驗與仿真相結合的方式獲取設計數據資料,其次對比多種蛇形翅片管煙氣冷卻器,在相同設計條件下,進行多種煙氣冷卻器性能對比,優化選型,在通過計算后獲得的接近*佳性能指標參數從而獲得接近*佳性能的多個設計方案;14.步驟如下:15.s1、設定縱向管排數大于7排的所有符合設計工況范圍內換熱管束構成的煙氣冷卻器模型,之后對這些煙氣冷卻器模型的傳熱-阻力性能進行模擬試驗,從而獲得所有煙氣冷卻器模型的平均換熱系數h和壓降δp;16.s2、利用高性能服務器cfd仿真建立縱向管排數大于7排的所有符合設計工況范圍內換熱管束構成的煙氣冷卻器模型,采用基于增加壁面函數的rngk-ε和k-ω湍流模型和能量守恒方程仿真所有不同翅片結構的蛇形翅片管煙氣冷卻器模型的傳熱-阻力性能,根據預設的選擇要求挑選出優選湍流模型,根據選擇出的煙氣冷卻器模型在運行工況條件下,開展仿真獲得不同管束排布、構型參數條件下各個煙氣冷卻器模型的氣側平均換熱系數h和壓降δp數據庫;17.s3、將步驟s2獲得的平均換熱系數h和壓降δp數據以及排布和煙氣冷卻器構型參數進行無量綱化處理,并采用*小二乘進行擬合獲得傳熱阻力性能因子j、f與管束排布無量綱參數、構型無量綱參數之間的關聯式;再根據所確定的傳熱-阻力性能數據處理模塊中的加權系數進行加權處理獲得*終的傳熱-阻力性能數據公式;18.s4、利用傳熱-阻力性能數據公式進行煙氣冷卻器的換熱管管束選型和參數優化:所述傳熱-阻力性能數據公式具體為綜合評價因子,包括煙氣冷卻器的泵功優度因子ξ1和體積性優度因子ξ2兩部分,先利用泵功優度因子ξ1計算獲得*佳的煙氣冷卻器設計參數,利用*佳的煙氣冷卻器設計參數來對煙氣冷卻器進行結構建模,之后將建模后的煙氣冷卻器與現場的設備空間要求進行比對,若滿足設備空間要求則直接使用該建模,此時煙氣冷卻器優化參數即為該*佳設計參數;若建模大于設備空間要求,則需要考慮體積因子ξ2,通過修改體積因子ξ2從而縮小煙氣冷卻器建模的體積,直至滿足設備空間要求,之后結合滿足設備空間要求的體積因子ξ2從而獲得在體積受限情況下所能獲得的*佳煙氣冷卻器設計參數;19.s5、根據*佳獲得的*佳煙氣冷卻器的管束型和優化參數,即可生產出針對不同空間需求的*優煙氣冷卻器。20.進一步,步驟s4中,若利用泵功優度因子ξ1計算獲得*佳的煙氣冷卻器設計參數使出現復數個結果,或者出現的結果中有復數個管束或構型參數接近的情況,則優選對應體積性優度因子ξ2大的,即效果相同選擇體積小的模型。21.進一步,*優煙氣冷卻器的泵功優度因子ξ1的設計方法:22.當管束構成的蛇形管的曲折次數均超過四次時,將蛇形換熱管內部煙氣和管內流體看作逆流流動,對換熱管管束外側面積而言,煙氣冷卻器的傳熱表達式:23.q=kaoδtm?(1)24.其中,q為換熱功率,k是總傳熱系數,ao是翅片管束總換熱面積,δtm是對數平均溫差;25.(1)式中總傳熱熱阻為:[0026][0027]其中,為管內壁與管內流體間的對熱換熱熱阻,為圓管壁的導熱熱阻,為翅片管外壁與管外氣體間的對流換熱熱阻;[0028]換熱管管外煙氣與管內流體換熱過程中,即氣側熱阻遠大于管內熱阻和管壁熱阻,即:[0029][0030]因此有:[0031][0032]由(2)式可得,[0033][0034]其中,b為總熱阻與管外熱阻的比值;[0035]由(5)式可得:[0036]kao=ηohoao/b?(6)[0037][0038]根據不等式(3),f略大于1,通常條件下為常數,取值范圍1.0-1.25,或根據實際情況計算;由(7)式可知,b是特征參數,與散熱管長無關;[0039]由(1)式和(6)式可得換熱功率q為:[0040]q=bηoh0aoδtm?(8)[0041]其中,δtm是對數平均溫差,ηo是翅片管的翅面總效率;[0042]流體輸運功耗wp為:[0043]wp=qmδp/ρ?(9)[0044]其中,qm是質量流量;δp是進出口壓差;ρ是煙氣密度。[0045]質量流量為:[0046]qm=ρuamin?(10)[0047]f因子為:[0048]f=2δpamin/(ρu2ao)?(11)[0049]其中,amin是換熱管與換熱管間的*小流通面積;u是定性溫度下*小流通截面上的煙氣速度;[0050]由(9)-(10)式,可得f因子與流體輸運功耗wp的關系為:[0051][0052]換熱量和泵功的比值是*可靠的換熱器綜合性能評價參數:[0053][0054]j因子為:[0055]j=nu/(repr1/3)?(14)[0056]其中,nu為努塞爾數,pr為普朗特數,re為雷諾數;[0057]努塞爾數nu計算式如下:[0058]nu=hodo/λf?(15)[0059]其中,do是基管外徑,λf是煙氣定性溫度下的導熱系數[0060]普朗特數數pr計算式如下:[0061]pr=μcp/λf?(16)[0062]由(13)-(16)式可得,[0063][0064]由公式(17)可得,換熱量和泵功的比值是與流體熱物性參數、翅片幾何參數以及無量綱參數nu、j,f等相關的,因此相同設計條件下,關于泵功優度因子的無量綱功耗性能因子表達式為:[0065][0066]設物性參數為常數,當換熱基管外徑相同、換熱溫差和換熱量相同時,在相同的質量流量下,無量綱因子ξ1越大,則流體輸運功耗wp越小,即可利用泵功優度因子ξ1對換熱管束進行綜合性能評價。[0067]進一步,煙氣冷卻器的體積是煙氣冷卻器設計的重要參數,因此采用體積優度因子被用于評價不同類型換熱器性能:[0068][0069]其中,換熱面積ao和vtube分別是管長ltube的表面積和占據體積;[0070]換熱管占據體積的長寬等于橫縱向節距,管長ltube的換熱管占據的體積為vtube=ltubeptpl;[0071]利用下式通過翅片管的翅化比βfin求解管長ltube的換熱面積:[0072]ao=πdoltubeβfin?(20)[0073]將換熱面積、體積表達式帶入表達式(20)中,則:[0074][0075]因此相同設計條件下,體積優度因子表達式為:[0076][0077]假設物性參數是常數,當換熱基管外徑相同、換熱溫差和換熱量相同時,在相同的質量流量下,無量綱因子ξ2越大,則煙氣冷卻器設計體積越小。[0078](reamin/do)c=(reamin/do)r?(23)[0079]其中,腳標c表示對比的對象,r表示參考對象,[0080]基管外徑相同時,同一質量流量如下[0081](reamin)c=(reamin)r?(24)[0082]ξ1和ξ2均是re的函數,為實現相同質量流量條件,不同設計條件下,re應滿足方程(24)。[0083]有益效果:本發明能夠**且**地對燃煤機組和工業窯爐尾部煙道內使用的蛇形翅片管煙氣冷卻器的選型和參數進行優化設計,還可以綜合考慮實際空間限制,選擇負責空間要求的的*佳管煙氣冷卻器的選型和參數,*終提高蛇形翅片管煙氣冷卻器的余熱回收到效率,做到節能減排。附圖說明[0084]圖1為本發明的煙氣冷卻器設計平臺示意框圖;[0085]圖2為本發明實施例涉及的一種煙氣冷卻器換熱模型示意圖;[0086]圖3為本發明實施例涉及的煙氣冷卻器周期性結構示意圖;圖中(a)為錯排螺旋翅片管周期結構示意圖,(b)為順排螺旋翅片管周期結構示意圖,(c)為順排h型翅片管周期結構示意圖;[0087]圖4為煙氣冷卻器管束體積示意圖;具體實施方式[0088]下面結合附圖對本發明的實施例做進一步說明:[0089]如圖1所示,本發明的一種煙氣冷卻器設計平臺,針對安裝于燃煤機組和工業窯爐尾部煙道內且管內走水管外走煙氣的蛇形翅片管煙氣冷卻器進行設計,被設計的常規煙氣冷卻器換熱模型結構如圖2所示,包括蛇形管、管內流體入口、管內流體出口,以及在蛇形管外側存在的煙氣入口和煙氣出口;[0090]本發明的煙氣冷卻器設計平臺包括風洞實驗模塊、煙氣冷卻器傳熱-阻力性能仿真模塊、傳熱-阻力性能數據處理模塊、傳熱-阻力綜合性能優化模塊和煙氣冷卻器設計校核模塊;利用風洞實驗模塊獲取仿真數據,煙氣冷卻器傳熱-阻力性能仿真模塊根據仿真仿真數據建立符合試驗要求的冷卻器模型,傳熱-阻力性能數據處理模塊為傳熱-阻力綜合性能優化模塊和煙氣冷卻器設計校核模塊提供基礎設計數據;[0091]風洞實驗模塊基于**測量進行設計工況范圍內換熱管束(縱向管排數大于7排)的傳熱-阻力性能實驗研究,為性能分析模塊提供模型驗證數據;[0092]煙氣冷卻器傳熱-阻力性能仿真模塊基于高性能服務器cfd仿真計算,建立橫向管排方向具有周期性結構的換熱管束(與實驗縱向管排數相同)物理模型,分別采用基于增加壁面函數的rngk-ε和k-ω湍流模型和能量守恒方程數值研究該換熱管束的傳熱-阻力性能,并與風洞實驗模塊所獲得實驗數據進行對比,以選擇較好的湍流模型;采用實驗驗證的物理和數學模型通過大量仿真獲得不同管束排布、構型參數條件下的氣側平均換熱系數h和壓降δp數據庫;如圖3所示,煙氣冷卻器周期性結構包括以下集中常見結構;圖中(a)為錯排螺旋翅片管周期結構示意圖,(b)為順排螺旋翅片管周期結構示意圖,(c)為順排h型翅片管周期結構示意圖;[0093]傳熱-阻力性能數據處理模塊,將平均換熱系數h和壓降δp以及排布和構型參數進行無量綱化處理,并采用bp神經網絡擬合方法分別獲得j、f因子與管束排布無量綱參數、構型無量綱參數之間的關聯系式;[0094]傳熱-阻力綜合性能優化模塊依據傳熱阻力性能因子,基于綜合性能因子對——泵功優度因子ξ1和體積性優度因子ξ2,進行換熱管管束選型和參數優化,對比不同類型換熱管束,以及相同管束在不同排布和構型參數下的傳熱阻力綜合性能,以進行管束選型和優化;[0095]煙氣冷卻器設計校核模塊根據管束選型和優化參數,采用平均溫差溫進行設計和校核計算。[0096]本發明提出了指導煙氣冷卻器選型設計的功耗性能因子ξ1和體積性能因子ξ2,具體過程如下:[0097]實際工程中,通常煙氣在管外側與管內液體錯流換熱,且當蛇形管的曲折次數均超過四次時,煙氣和管內流體可以看作逆流流動。對換熱管外側面積而言,煙氣冷卻器的傳熱方程式為:[0098]q=kaoδtm?(1)[0099]其中,q為換熱功率,k是總傳熱系數,ao是翅片管束總換熱面積,δtm是對數平均溫差。[0100](1)式中總傳熱熱阻為:[0101][0102]其中,為管內壁與管內流體間的對熱換熱熱阻,為圓管壁的導熱熱阻,為翅片管外壁與管外氣體間的對流換熱熱阻。[0103]管外煙氣與管內流體換熱過程中,即氣側熱阻遠大于管內熱阻和管壁熱阻,即:[0104][0105]因此有:[0106][0107]由(2)式可得,[0108][0109]其中,b為總熱阻與管外熱阻的比值。[0110]由(5)式可得,[0111]kao=ηohoao/b?(6)[0112]由(5)式可得,[0113][0114]根據不等(3),f略大于1,通常條件下可以認為是常數,可以取1.0-1.25,或根據實際情況計算。由(7)式可知,b是管長無關。[0115]由(1)式和(6)式可得:[0116]q=bηoh0aoδtm?(8)[0117]其中,δtm是對數平均溫差,ηo是翅面總效率。[0118]流體輸運功耗wp為:[0119]wp=qmδp/ρ?(9)[0120]其中,qm是質量流量;δp是進出口壓差;ρ是煙氣密度。[0121]質量流量為:[0122]qm=ρuamin?(10)[0123]f因子為:[0124]f=2δpamin/(ρu2ao)?(11)[0125]其中,amin是*小流通面積;u是速度;[0126]由(9)-(10)式,可得f因子與流體輸運功耗wp的關系為:[0127][0128]換熱量和泵功的比值是*可靠的換熱器綜合性能評價參數:[0129][0130]j因子為:[0131]j=nu/(repr1/3)?(14)[0132]其中,nu為努塞爾數,pr為普朗特數,re為雷諾數。[0133]nu計算式如下:[0134]nu=hodo/λf?(15)[0135]其中,do是基管外徑,λf是煙氣定性溫度下的導熱系數[0136]普朗特數pr計算式如下:[0137]pr=μcp/λf?(16)[0138]由(13)-(16)式可得,[0139][0140]由公式(17)可以看出,換熱量和泵功的比值是與流體熱物性參數、翅片幾何參數以及無量綱參數nu、j,f等相關的,因此相同設計條件下,無量綱功耗性能因子表達式為:[0141][0142]假設物性參數是常數,當換熱基管外徑相同、換熱溫差和換熱量相同時,在相同的質量流量下,無量綱因子ξ1越大,則流體輸運功耗wp越小。因此,泵功優度因子ξ1可以方便用于換熱管束綜合性能評價。[0143]在達到一定換熱量時,煙氣冷卻器的體積是煙氣冷卻器設計的重要參數。本發明采用體積優度因子被用于評價不同類型換熱器性能:[0144][0145]其中,換熱面積ao和vtube分別是管長ltube的表面積和占據體積。[0146]圖4為順列管束體積示意圖,管長ltube的換熱管占據的體積為vtube(vtube=ltubeptpl),pt為上下相鄰管束的間距,pl為相鄰管束的間距。[0147]通過翅片管的翅化比(βfin)可以求出管長ltube的換熱面積如下:[0148]ao=πdoltubeβfin?(20)[0149]將換熱面積、體積表達式帶入表達式(20)中,有:[0150][0151]因此相同設計條件下,體積優度因子表達式為:[0152][0153]假設物性參數是常數,當換熱基管外徑相同、換熱溫差和換熱量相同時,在相同的質量流量下,無量綱因子ξ2越大,則煙氣冷卻器設計體積越小。[0154](reamin/do)c=(reamin/do)r?(23)[0155]其中,腳標c表示對比的對象,r表示參考對象。[0156]基管外徑相同時,同一質量流量如下[0157](reamin)c=(reamin)r?(24)[0158]ξ1和ξ2均是re的函數,為實現相同質量流量條件,不同設計條件下,re應滿足方程(24)。[0159]基于綜合性能因子對——泵功優度因子ξ1和體積性優度因子ξ2按下以下原則評估煙氣冷卻器的綜合性能,即:體積因子ξ2滿足要求條件下選泵功優度因子ξ1*小的。

    久久国产亚洲精选AV_亚洲激情综合在线_国产成人免费高清在线观看,久久国产亚洲精选AV_亚洲激情综合在线_国产成人免费高清在线观看,久久国产亚洲精选AV_亚洲激情综合在线_国产成人免费高清在线观看