FLUENT烟气余热回收装置流动传热的研究(2)
目前天然气热动力设备中普遍采用烟气冷凝式热能回收利用装置。换热器中冷、热流体间壁错流换热，管内为待加热工质，管外为烟气，铜管一般为多管程蛇型布置，翅片分为单、双或多排结构。冷凝式换热器烟气余热回收装置研发的关键技术有防腐技术[1]，传热传质的强化技术和降低烟气侧和水侧的流动阻力[2,3]等。天然气、石油等一次能源通过燃烧等能量转换方式后会产生大量余热，而这些余热大多以烟气为载体。由于余热属于二次能源，其利用方式不同于一次能源，对于不同温度下的烟气，其所蕴含的热能是不同的，且所采用的回收利用的方法也不同。高温烟气一般都将其所蕴含的热能转化为机械能，主要利用的设备是汽轮机；中、低温烟气的利用方式一般是需要通过热交换器将烟气的热能传递给需要加热的工作介质。因此，为使从天然气动力设备排出的烟气能够在余热回收装置中进行充分换热，需要对余热回收装置的结构进行合理的布置，来提高烟气中的能量的利用率，减少能量的损失。
由于烟气分布与流动对装置换热起着重要作用[4]，因此，获得烟气在冷凝热能回收利用装置中的流动及换热特性，对设计形状和尺寸优化的换热器极为重要。早期换热器研究主要以实验为主，但是其昂贵的费用和过长的周期使得这种研究花费代价很大，并且由于能源危机的发展，使得研制适用不同工业过程的新型强化换热结构和高效换热设备成为工业生产过程中的迫切任务。随着计算机技术与CAE技术的日益进步，以计算机流体动力学数值模拟(CFD)为研究手段的研究方法发挥了越来越大的作用，特别是对各种实际问题的模拟计算，利用计算机数值模拟软件将会更简便、更快速、更直观地得到计算结果。数值模拟是换热器研究的一种重要手段。相对于实验研究，选用CFD软件FLUENT建立实体物理模型，进行仿真计算，能够直观地得到烟气在换热器中的速度场和温度场的分布情况，确定烟气在换热器余热回收装置中的流动和传热特性，为优化换热器结构乃至操作参数，实现换热器针对性工况设计提供参考依据。
1．2 烟气余热回收装置研究进展
锅炉排烟是一个潜力很大的余热资源，直接排放既浪费了大量能源，又造成环境污染，因此，将烟气能量加以利用，提高整体设备的效率，正受到国际社会及学术界和生产应用部门的广泛重视[5]。烟气是由不凝气体(氮气、二氧化碳、氧气、一氧化碳等)和可凝气体(水蒸气、二氧化硫等)组成的混合物[6]。由于含有不凝气体，其冷凝传热过程与纯蒸汽相比，除有传热外，同时进行着传质，且传热和传质又相互影响，使得传热过程极其复杂。对于烟气余热回收装置的设计与优化，许多学者进行了大量的研究。
在国外，Suraiya Akter等[7]实验研究了卵石层余热蓄热器回收烟气余热的特性，并应用于设计陶瓷工业新的余热设备。P．S．Doherty等[8]研究了吸附液体的除湿过程来回收烟气的显热和潜热。实验结果显示采用高浓度LiSr作为换热器除湿剂，可以大大提高换热器性能，并且比冷凝式锅炉要节约5%-8%的燃料。Masahiro Osakabe[9]等人实验研究了天然气锅炉中的实际烟气在水平不锈钢钢管中的凝结换热，通过对双排管实验中的传热特性进行分析得出烟气侧的传热传质受主要受对流和扩散过程的影响的结论。Stephen Dunbar[10]对烟气在肋片冷凝式换热器中的传热传质过程进行了研究，并分析了肋片的间距、厚度及材料对换热器传热和烟气在肋片中流动的压降的影响。结果显示了换热器中总的换热量和压降随肋片的高度增加及间距的减小而增加。
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