北京市自然基金重点（B）项目/北京市教育委员会葛海霞，女，在读硕士研究生，北京建筑工程学院 科技计划重点项目(KZ2)资助 北京市西城区展览馆路1 北京市教育委员会科技成果转化--中小燃气锅炉E-mail ： 防腐紧凑型烟气冷凝热能回收器研发（2009）资助 烟气冷凝热能回收利用装置烟气流动方式 优化与应用研究 摘要 为优化天然气热能动力设备烟气冷凝热能回收利用装置，分别设计两种烟气流动方式，采用 CFD 软件 模拟了烟气冷凝热能回收利用装置中的流场及温度场，并与工程应用实测结果进行 比较热能回收利用，结果表明，采用渐变断面设计的烟气流动方式，烟气在换热面上分布更均匀，更有利于强化 换热，阻力更小，节省材料和空间，且实际应用表明，可有效降低和消除噪音，研究结果可为研发 天然气烟气冷凝热能回收利用装置提供参考。 关键词 天然气 烟气 流动方式 优化 数值模拟 实测 引言随着能源结构优化和低碳经济的发展，对天然气的高效利用，提出了更高要求，余热余 压利用工程作为国家“十一五”十大重点节能工程之一，在节能领域中发挥着重大作用。
烟 气冷凝热能回收利用装置是增设在天然气热能动力设备尾部的余热回收装置，烟气的分布与流 动对装置换热起着重要作用，为使从天然气动力设备排出的烟气能够在装置中分布均匀、充 分换热，分别设计两种烟气流动方式，用 CFD 软件 模拟烟气在这两种烟气冷凝热能回 收利用装置中的流动及换热过程，并对这两种装置的流体流动特性和传热性能进行比较。 两种烟气冷凝热能回收利用装置烟气流动方式设计为使天然气动力设备烟气冷凝热回收利用装置的烟气流动阻力和噪音降到最小、在换热 主体中流场最均匀、热回收效率最高，分别设计两种烟气流动方案，如图 所示。方案一采用矩形等高断面，其制造简单，但占据空间大，耗材多；方案二设计为渐变断面，其体积小， 节省材料，制造相对复杂。 方案一 方案二 烟气冷凝热能回收利用装置流场与温度场数值模拟采用 CFD 软件 对这两种方案进行流场和温度场模拟。考虑到烟气冷凝热回收装置 的对称性及内部结构复杂性，流场模拟采用二维模型对装置进行简化处理，以分析烟气在整 个装置中的分布情况，温度场模拟采用三维模拟，以分析其换热性能。 2.1 流场模拟与分析 分别取两种方案的烟气冷凝热回收装置作为研究对象，模拟烟气在装置中的流动规律。
2.1.1 数学模型 假设烟气流动是不可压缩、紊流且为稳态流动，烟气物性参数为常数。描述现象的数学 微分方程包括： 分别为x,y方向的速度(m/s)；p 为压力(Pa)；μ 为运动粘滞系数(kg/(ms))；ρ 采用标准的 算法求解控制方程的离散方程组，动量方程及能量方程均采用二阶迎 风差分格式，湍流模型选双方程模型（标准 k-）进行计算。 描述该现象的边界条件为：烟气进口速度2.0m/s，温度433K(160)，烟气出口选用压力出流 条件，Δ P=2Pa；假设装置外表面绝热。 2.1.2 模拟结果分析 针对两种不同形式的烟气冷凝热能回收利用装置进行烟气的流场模拟，得出烟气冷凝热能回收 利用装置内的压力场和速度场分布，如图2 所示，方案二烟气压降比方案一烟气压降低 2~4Pa，说明方案二的阻力更小，经计算，方案二比方案一烟气阻力减少 10%~20%。 烟气在两种不同烟气冷凝热能回收利用装置内的速度场分布如图4 所示，图8所示为采 用方案一的局部速度矢量放大图。 分析可得，方案一右上部为高压低流速区，左下部则是一低压高流速区，这两种区域的出现，不仅会导致回流和涡旋的出现（如图8 所示），增加阻力，产生噪音，同时，烟气 烟气分布不均匀，影响换热效果。
分析可得，方案二烟气分布较均匀，有利于换热，同时避免了采用矩形等高断面时的高压低流速及低压高流速区域出现，降低了阻力，减少了由于回流和涡旋产生的噪音。 方案一的1-1断面烟速 方案二的2-2断面烟速 (a)方案一左下部的涡旋 (b)方案一右上部的回流 方案一的局部速度矢量放大图2.2 温度场模拟与分析 对两种方案的烟气冷凝热回收装置的换热过程进行模拟，分析不同烟气流动方式对装置换热性 能的影响。 2.2.1 数学模型 该装置内为三维流动换热，假设烟气流动是不可压缩、层流稳态流动，烟气物性参数为 常数。描述现象的数学微分方程包括： 分别为x,y,z方向的速度(m/s)；p 为压力(Pa)；μ 为运动粘滞系数(kg/(ms))； 为烟气密度(kg/m3)；T为温度( 为热扩散率(m2/s)。计算采用标准的 算法来求解上述控制方程的离散方程组，动量方程及能量方程均采用二 阶迎风差分格式。 描述现象的边界条件为：方案一、二换热段的烟气进口速度为图 模拟的速度，温度温度433K(160)；烟气出口选用压力出流条件，Δ P=2Pa；管壁温度从下向上依次为300.5K、301.0K、 301.5K、302.0K、302.5K、303.0K，303.5K,304.0K；假设装置外表面绝热。
2.2.2 模拟结果分析 对两种烟气流动方式的换热进行烟气温度场模拟，得出烟气在不同方案下的温度场分布，如图 9、图10 所示。由图看出：方案一，左端烟温由433K 降到345K，右端烟温由433K 降到325K，前后 温降相差20K，说明进口烟气分布不均匀，从而导致换热不均匀；方案二，左端烟温由433K 降到330K， 右端烟温由433K 降到325K，左端温降与右端温降相差不到5K，说明进口烟气分布均匀，保证了整 体均匀换热，换热效果得到强化。 方案一的温度场分布图图10 方案二的温度场分布图 数值模拟结果与工程实测数据的比较分别按以上两种烟气流动方式设计烟气冷凝热能回收利用装置，并应用于实际工程中进行实测， 实测结果表明：（1）当其他条件相同，烟气流动方式不同时，按第二种流动方式设计的烟气冷凝热 能回收利用装置的烟气阻力小于第一种，换热高于第一种；（2）当烟气流程增加 1/4，按第二种流 动方式设计的烟气冷凝热能回收利用装置，虽然设计流程增加 1/4，与第一种流动方式相比，烟气 冷凝热能回收利用装置烟气流动阻力相当，均为 20~25pa，烟气温降大，表明第二种流动方式烟气 流动阻力小。
而且，实践还表明第二种流动方式的烟气冷凝热能回收利用装置几乎达到无噪音。 结论分别设计两种烟气流动方式，采用CFD 软件 模拟了烟气冷凝热能回收利用装置中的流场 及温度场，并与工程应用实测结果进行比较，结果表明热能回收利用，第二种采用渐变断面的烟气流动方式，烟 气在换热面上分布更均匀，更有利于强化换热，阻力更小，节省材料和空间，且实际应用表明，还 可有效降低和消除噪音。研究结果可为研发天然气烟气冷凝热能回收利用装置提供参考。
