燃气热水器翅片管换热器烟气侧数值模拟

第３７卷第２期　煤气与热力　ＧＡＳ＆ＨＥＡＴ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．２　２０１７年２月　Ｆｅｂ．２０１７　燃气热水器翅片管换热器烟气侧数值模拟　彭　超，　彭世尼，　张朋远　（重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆４０００４５）　摘要：　采用计算流体力学方法，对燃气热水器翅片管换热器烟气的温度场、速度场进行数　值模拟。翅片管换热器采用管子为错排形式的连续翅片管束，管子上方翅片有冲孔。管子错排布　置有助于增强传热效果，降低金属消耗量。管子上方翅片的冲孔可破坏尾流区的边界层，有利于强　化传热。　关键词：　燃气热水器；　翅片管换热器；　数值模拟　中图分类号：ＴＵ９９６．７　文献标志码：Ａ文章编号：１０００—４４１６（２０１７）０２—０Ａ４９—０４　一条波形带状翅片的脊背上，沿垂直于气流方向，贴　置若干根扁管，翅片与扁管采用钎接方法连接。本　文选取连续翅片管束，采用ＣＦＤ软件，在管子内流　体为定温度条件下，对非翅片表面烟气流道内烟气、　翅片表面烟气的温度场、速度场进行数值模拟分析。　１模拟方法　１．１　控制方程与数学模型　卜　］　①控制方程　控制方程包括混合物质量守恒方程、组分质量　守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，由于换热　管外烟气中水分未发生凝结，烟气组成不会发生变　作者简介：彭超，男，硕士生，研究方向为燃气燃烧与　化，因此不需考虑组分质量守恒方程。　烟气质量守恒方程：　＋　＋　＋　应用。　对于燃气热水器，换热器管子外侧流动的是高　温烟气，内侧流动的是冷水。试验表明，烟气侧的热　阻明显高于水侧的热阻，因此通常在管子表面设置　式中（　ａｚ　：ｏ　ｄｔ　ｂｘ　ａｙ　ｐ——烟气的密度，ｋｇ／ｍ　￡——时间，ｓ　、　、　——翅片增加换热面积，以提高换热效率。目前，常用的　翅片管束主要分为３类：单管外翅片管束，单根圆管　烟气速度矢量　在　、Ｙ、　轴方向　的分量，ｒｎ／ｓ　外侧加装翅片所构成的翅片管束；连续翅片管束，在　整块薄金属板（翅片）上，按管子排列形式（顺排、叉　排）冲孔，然后用专用设备将冲孔后的金属薄板逐　式可变为：　ｕ０将烟气视为不可压缩流体，密度Ｐ为常量，则上　片套在圆管上，再采用胀管或钎接方法连接；管带式　翅片管束，由波带形翅片与扁管相间叠合而成，即在　＋　＋　：０　Ｏｘ　Ｏｙ　Ｏｚ　收稿日期：２０１６—１０—２３；修回日期：２０１６—１１—１６　・Ａ　４９・　筘３７巷　第２期　煤气与热力　动　。匣方程：　子直径为１４．５　ｎｌｎｌ，翅片厚度为０．３　Ｉｎｆｌｌ，忽略管了　鼙厚，僻子卜方的翅片有冲孔．．采用Ｃｅｒｏ软件（　＋ｄｉｖ（ｐｕ　）＝一　＋　＋　＋　＋　维没计制图软件）建立物理模　（见图１），许采』｝Ｊ　Ｇａｍｂｉｔ软件对物理模型进行网格划分，网格生成　ａ，　ｚ　后，用网格检查器检查网格的质　，划分网格后的物　理模型　图２，网格数量为７１９　６２５个。　＋ｄｉｖ（ｐｖＶ）一　＋　＋　＋，　＋　》ｈ　Ｏｙ　Ｏｚ　＋（１ｔｉ　Ｖ（ｐｗ１／，）一警＋　＋　＋　＂ａ　‘　ａ　。　＼　高温烟气　ｊ＝Ｉ＝巾　——烟气速度矢量，ｍ／ｓ　，）——烟气微元体Ｉ　的　力，Ｐａ　～（厂：：——因分子黏性作用而产生的作用　在烟气微元体表面上的黏性应　力的分量　，Ｐａ　、　图１模拟对象物理模型　Ｆ：烟气微元体上的体积力在　、　Ｙ、　轴方向的分量，Ｎ　能　守恒方稃：　＋Ｏ（ｐｕＴ）＋　（　型　）＋ｏ（ｐｗｒ）：　ａｘ　ａｙ　８ｚ　ａｔ　，（＼　。。＋　Ｏｙ＋。　　Ｏｚ　＋５　式巾　烟气的温度，Ｋ　Ａ——炯气的热导率，ｗ／（ｒｎ・Ｋ）　Ｃｔ，———图２　划分网格后的物理模型　烟气的比定压热弈，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）　烟气的内热源项　黏性耗散项　１．３　边界条件　①人口边界条件　—入口为速度边界，在ＦＬＵＥＮＴ软件中定义速度　边界的方法有３种：第一种是将速度视为速率的绝　对值与一个单位方向矢　的乘积，然后通过定义速　率的绝对值和方向矢量分量来定义速度边界；第＿＝　种是将速度视为３个坐标方向　的分量的矢　和，　然后通过分别给定３个分量大小来定义速度边界；　②数学模型　烟气为湍流流态，冈此数学模型可采用标准　一　（湍动能一湍动能耗损率）模型。　燃烧产生的高温炯气向七冲刷翅片管束，通过　１．２物理模型　第二种是设定速度垂直于边界面，然后给定速率的　绝对值就可以定义速度边界。　由于烟气流动方向与物理模型底面垂直，因此　采用第三种定义速度边界的方法　烟气的进［ｊ速度　为４．２１５Ⅱｌ／ｓ，温度为１　２５０　Ｋ，湍流强度为３％，　气的组成见表ｌ。　对流传热将热量传递给管子内的冷水。对非翅片表　面烟气流道内烟气与翅片表面烟气的温度场、速度　场进行数值模拟分析。考虑到计算的时间与成本，　数值模拟只针对单个连续翅片进行研究，计算区域　宽×离×厚为ｌ２６．４　Ｉｌｌｌｎ×２１９．０　ＩｌｑＩｌｌ×２．７　ｌＩｌｍ，管　・Ａ　５０・　表１　烟气的组成　ｉｆｔ￣．／　－｝｛　（）　－　（）　－　Ｎ，　－　ＣＯ，　－　质　分数　（）．０４７　０．１（）５　（）．７９０　０．０５８　②…ｆ　１边界条什　ｍ¨边界条件为Ｊ｛ｉ力边界条件，　【】压力（灰　¨　）设　为０　、物理模型出Ｌ　Ｊ湍流强度为３％。　⑧　而热边界条件　物州模型外＾　选ｊ｛ｊ对称　【ｆ１『边界条什，尤热　流，尤　流，管子内擘　选用流阎耦合热边界条件　④箭１人Ｊ流体条什　图４翅片表面烟气温度分布　僻『人ｊ流体温度没定为３５０　Ｋ　２．２烟气速度分布　２数值模拟结果及分析　２．１　烟气温度分布　非趔片表面炯　流道内州气速度分　【欠Ｉ　５　文献［４—５］研究表明，对于平翅片管束，当炯　ｅ绕　过管予流动时，管子表而附近易形成很薄的边　旋涡【ｊｔ，流动到管子后部表　分离，伴随旋涡从僻ｒ　表面脱落，许在炯气ｌ叶Ｉ　ｆ　１区域形成紊乱、充满人小小　等旋涡的尾流　：　尾流区内烟气的循环流动使得Ｉ　；　子周旧烟气温度下降速率减缓，此外随着娴气沿　翅片表　的平白：通道ｒｕ】前流动，边界层ｆ｝Ｉ于尢附加　４。［＝｝１罔３叮知，仆翅　点型片表【ｆｊｆ娴，ｃ流道内烟气温度分布见图３，　Ｊｌ【Ｊ表　炯　Ｃ濉度分布　片农　娴气流道憔部烟　Ｃ温度为１　２５０　Ｋ．：Ｊ＝ｆｊ＝Ｊ气流过　僻厂叫　濉度Ｆ降，ｊｆＩ　Ｉ　１　气温度分布比较均匀，分　范　为５００～７５０　Ｋ　，Ｉ｛】阁４几丁知，翅片衷而烟气温　度分　今对称，镥子　【｛；Ｊ的烟气温度最低（为５０５　Ｋ），翅片边缘的娴气温度最高（为５９０　Ｋ）。由图３、　４【１『　，　符ｆ错排布　条件下，烟气与管子能够实　现较　的换热　煳气流道出口处烟气温度的分布比　较均匀，对后续的烟气处婵也　常有利．．文献［３］　的研究农『』｛ｊ，Ｌｊ］ＩＩ贝排　置卞｝１比，管子错排布置可＿人幅　改辫煳　＿』符了传热条件下的流动＿Ｔ况，增强了换　扰动而逐渐增厚，使得局部换热系数沿程降低　为　改善上述问题，町通过在管子上方的翅片冲孔　钉，　破坏尾流　形成的边界　，从　改善平翅片管　的　换热环境，还可降低翅片ＨＪ料　由图５・　ｒ知，管　』　部并术形成紊乱、充满大小不等旋涡的尾流　，　速度，（１　ｓ　）　热效朱　…此ｌＪＪ‘知，模拟结果与文献［３］自勺研究结　奉一致　；从　／Ｋ　图５非翅片表面烟气流道内烟气速度分布　３结论　管子错排布置有助于增强传热效果，降低金属　消耗量。管子上方翅片的￣ｒｐ：ｊ＇Ｌ可破坏尾流区的边界　图３非翅片表面烟气流道内烟气温度分布　层，有利于强化传热。　・Ａ　５１・　煤气与热力　参考文献：　ｆ　１］　闫栋．强排式燃气热水器的燃烧和传热过氍的数值模　拟与分析（硕一卜学位论文）［１）］．重庆：最　大学，　２０ｌ０．　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｌｕｅ　Ｇａｓ　Ｓｉｄｅ　ｏｆ　Ｆｉｎｎｅｄ　Ｔｕｂｅ　Ｈｅａｔ　Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　ｆｏｒ　Ｇａｓ　Ｗａｔｅｒ　Ｈｅａｔｅｒ　ＰＥＮＧ　Ｃｈａ０，ＰＥＮＧ　Ｓｈｉｎｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｎｇ　，ｉｌａｌｌ　，．ｆ　２　１　美１　Ｉ新型燃气快速热水器燃烧过程的数值模拟和实　验研究（硕ｉ：学位论文）［Ｄ］．重庆：重庆大　，２００６：９　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｆｌｌｅ　ｎｕｍｅｒｉｅａ１　ｓｉｉｎｕｌａｔｉｏｎ　ｏｔ’ｔｅｎｉｐｅｌ’ａ—　ｔｕｒｅ　ｆ＂ｉｅｈｉ　ａｎｄ　ｖｅｈ）ｅｉｔｙ　ｆｔｅｌ（Ｉ　ｏｉ　｛ｌｕｅ　ｇａｓ　ｉｎ　ｆｉｎｉｌｅ（Ｉ　ｈｉｂｅ　ｈｅａｔ　ｅｘ（￣ｈａｎｇｅｔ’ｆ＇ｏｉ‘ｇａｓ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｔｅ　ｒ’ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ（ｉｔＩＩ　Ｉｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｎｉｅｔｈｏｄ．Ｓｔａｇｇｅｒｅｄ　ｆｉｎｎｅｄ　ｔｕｂｅ　ｂｕｎｄｈ　ｓ　ａｌ－ｅ　ａｒｔ・ａｎｇｅｄ　ｉｎ　ｆ＇ｉｎｎｅ（｛ｔｕｂｅ　ｌｌｅａ　ｒ　ｅｘ（：ｂａｎｇｅｒ．ａｌ１Ｉｌ　ｔｉｌｔ　ｉｎｓ　ａｂｏｖｅ　ｔｕｂｅｓ　ａｒｅ　ｐｕｎｃｈｅｄ．ｆ　Ｈｉｅ　ｓｔａｇｇｅｒｅ（１　ａｌ‘ｉ。’　ａｌｌｇｅ—　ｍｅｎ｜ｏｆ　ｔｕｂｅｓ【：ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｅｔ＿ｆＰｅｌ　ａｌｌ（Ｉ　ｌ１　一　（ｈ．１ｅｅ　ｔｌｌｅ　ｍｅｌａＩ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｐｕｎｃｈｉｎｇ　ｆｉｎｓ　ａ１）（）、　Ｐ　】０．　【３　美正明，胡水海，王珊珊．管翅式散热器顺排结构与错　排结构的ＣＨ）模拟［Ｊ］．￣ｈｌｋＤＮ热，２００９，３８（３）：２９一　２　ｌ４］　ＷＥＢＢ　Ｒ　１＿．Ａ＿ｒｌ—ｓｉ（ｔｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ｆｉｎｎｅｄ　ｔｕｂｅ　Ｉｍａｔ　ｅｘ一　【・ＭＩｉｇ（，ｒｓ［Ｊ＿Ｊ．Ｉｌｅａｌ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｉ’ｉｎｇ，１９８０（３）：３３—　４９．　ｔｕｂｅｓ　ｃａｎ　ｄｅｓｈ－ＯＶ　ｔｂｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｌａｙｅｒ　ｉｎ　ｗａｋ（　ＺＯＩＩ（　，　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　Ｉｍａｔ　ｔｉ’ａｎｓｆｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｇａｓ　ｗａｔｅｒ　ｈｅａｌｅｌ’；ｆｉｎｎｅｄ　ｔｕｂｅ　ｈｅａｌ　ｅｘ（：ｈａｎｇｅｒ；ｎｕｍｅ，ｒｉ（＇ａＪ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　［５］　Ｆ厚华，谭顺民，汀村．矩形甲翅片变形片的换热　阻　力实验研究ｌ　Ｊｊ．　庆：荸庆建筑大学学报，１９９９（８）：　３７—３８．　・国际供热简讯・　一台生物质锅炉交付苏格兰集中供热项目　维塔能源公司区域总监Ｍｉｋｅ　Ｃｏｏｋｅ说，该锅炉　开发商维塔能源公司宣称，一台质量ｌ３０　ｔ的　６．５　ＭＷ生物质锅炉已交付给苏格兰一个大学校园　集中供热项目　、　将成为这次能源解决方案的核心，锅炉使用多达　１７　０００　ｔ木材，向大学内建筑群提供更环保、更实惠　的供暖和热水　这项总投资额为２　５００　Ｘ　１０　英镑（３　７００　ｘ　１０　美元）在法夫郡圣・安驻斯大学开展的项目，目前　正在建设中。项目包括生物质热电联产（ＣＨＰ）工　该项目在２０１４年底获得规划许可。　（摘编自（１ｅｔ　ｅｎｔｒａｌｉｚ（・（１　ｅｌｌ（　ｇｙ分布式能源，　网址ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．（１ｅｃｅｎｔｌ　ａｌｉｚｅｄ—ｅｌｌｅｌ～ｇ３．（＇Ｏｌｌｌ／　±ｕ－ｔｉｔｌｅｓ／２０１６／０６／１）ｉｏｍａｓｓ—１）ｏｉｌｅｒ—ｔｉｅｌｉＶｅｌ　ｔ　（Ｉ—　厂和连接３７栋建筑的２２．４　ｋｍ集中供热管网。　维塔能源公司表示，来自瑞典制造商Ｊｅｒｎｆｏｒｓｅｎ　的锅炉额定功率超过８　ＭＷ，在满负荷条件下有望　实现超过８７％的转化率。　ｆ＇ｏｌ　一ｓｃｏｔｔｉｓｈ—ｄｉｓｔｒｉｃｔ—ｈｅａｔｉｎｇ—ｐｒｏｊｔ…１．ｈｔｎｉｌ　１　・Ａ　５２・