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应用数值模拟进行均热炉换热器的节能研究
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均热炉应用金属换热器代替传统的非金属陶土换热器,可以提高换热效率,降低均热炉燃气消耗。文章通过数值模拟试验,研究了换热器改造后的流场和温度场,进一步验证了节能改造的可行性。
关键字：均热炉;换热器;数值模拟
0、前言
均热炉是初轧机组重要的加热设备，也是主要的耗能设备。宝钢股份特殊钢分公司初轧厂现有中心式烧嘴均热炉10座、蓄热式均热炉4座。由于均热炉加热钢锭的工艺和炉型决定了其炉膛温度和排烟温度都相当的高，一般在900℃左右。排烟温度高，超过了一般金属换热器适用的温度范围，所以长期以来均热炉采用陶土(非金属)换热器，这是行业中的惯例。但由于陶土换热器密封性 难以解决，造成漏风严重，到了中、后期漏风率高达40%以上，这样不但大大影响了对高温烟气余热的回收，而且还会由于漏风造成炉内空气量不够，为了不影响燃烧和升温要求只有大大提高风量，空燃比高达20：1以上，进而增加了风机的电耗。通过对国内外先进换热器的调研，选取新型逆流式钢管换热器进行节能设计改造。本文以钢管式 换热器为研究对象，利用计算机数值模拟技术，模拟了换热器内烟气与空气对流换热的情况，通过对换热器内流场和温度场分析比较， 验证了换热器设计参数的准确性，实现了对均热炉节能改造前的科学论证。
1、改造前陶土换热器存在问题
在实施改造前对均热炉进行了热平衡测试，陶土换热器效率：ηq=空气获得热/烟气带入热= 22%,陶土换热器漏风十分严重,经测定计算，测定期间漏风率高达73.45%。漏风率高带来的问题有：
1)、空气漏入烟道，降低烟气温度，进而降低了 助燃空气的预热温度，减少了对出炉烟气余热回 收;
2)、空气预热温度的降低，不但影响天然气的 理论燃烧温度，而且增加了天然气的消耗量;
3)、经鼓风机鼓入的空气大量的直接进入烟 道，大大增加了鼓风机电力的消耗;
4)、炉膛助燃空气不足，限制了热负荷的增加， 炉温上不去，加热缓慢，进而延长了加热周期，不但 增加了天然气的消耗量，而且增加了钢锭的氧化烧 损量。
因此，必须对换热器实施改造，减少漏风率，提 高换热效率，降低燃气消耗。
2、钢管换热器的相关设计参数
设计主要参数。烟气进口温度：950℃;烟气出 口温度：576℃;空气进口温度：20℃;
空气出口温度：600℃;换热系数：26 w/(m·2K) 采用预热空气双行程的运行排列模式，单根管子长2.3m，实际换热长度为2.1m,管子直径50mm。管子根数242根;纵向22根，横向11根(如图1所示)。
3、换热器数值模拟
3.1换热器数学模型及简化
1)基本控制方程
为了便于分析，作如下简化设定：流体为牛顿流体，流体物性为常数，流体横向导热忽略不计[1][2]。换热器壳程流体的流动和热量传递必须满足如下3个 方程：
式中：
u、v和w分别为x、y和z方向的速度分量， m/s;
gx、gy和gz分别为x、y及z方向的重力加速度，m/s2，重力影响可忽略不计; t为时间，s;
cp为比定压热容，J(/kg·K);
μ为流体黏度，Pa·s;
λ为导热系数，W(/m·K);
ρ为流体密度，kg/m3;
T为温度，K;
p为压力，Pa。
因模拟为稳态过程，所以式中参量对时间的偏 导数取0。
2)模型假设
本换热器为逆流式换热器，其外形尺寸为： 1140×1940×3000mm，换热器材质依据进出口换热器的烟气温度，出入换热器壁温梯度排列原理和材料耐高温氧化温度排出管子材质选用：高温组前四排管Cr25Ni20;后七排管1Cr18Ni9Ti渗铝;低温组前六排管1Cr13渗铝;后五排管20#渗铝。管子排列为双行程，纵向22根，横向11根，在用FLUENT进行数值模拟时进行如下假设：
(1)若进行换热器整体数值模拟计算，对计算机硬件要求较高，考虑计算机硬件条件限制，故在不影响模拟结果的情况下，假设换热器每一纵向列的换热情况相同，取其中一列进行模拟研究。
(2)若换热器集气箱外形尺寸为圆形，会给数值模拟计算带来许多困难，故在不影响模拟结果的情况下，假设集气箱外形尺寸为矩形进行模拟研究。
基于以上两个假设，以1/11换热器为研究对象进行建模、划分网格、设定边界条件、选择计算模型。单列换热器烟气实体与空气实体如图2、图3所示。
3)模型选择
因湍流效应对流动与传热有一定的影响，故采用 二方程模型[3]。采用分离变量法(Segregated)隐式 (Impilci)t求解，保证收敛的稳定性;压力和速度解耦 采用SIMPLE算法(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)[4];动量、能量以及湍流 参量的求解采用二阶迎风格式(Second Order Upwind)[5];质量及能量计算残差控制在10-4数量级。计算流体进口采用速度入口条件，给定流体流速、 温度及相应的湍流条件;出口采用自由出口边界条件 (outflow);壳体壁面采用不可渗透、无滑移绝热边界， 并给定换热管壁面温度;稳态不可压缩求解。 因换热器中烟气与空气进行对流换热的同时，必然存在辐射换热，故采用Rosseland模型。
3.2模拟结果
1)边界条件的设定
(1)进口边界条件
空气入口：m=0.185kg/s，t=20℃
烟气入口：m=0.255kg/s，t=950℃
式中：m为质量流量，t为入口温度。
(2)出口边界条件
空气和烟气出口的压力均为1个大气压， 0.1MPa。
(3)对称性条件
一般工业上应用的换热器，其换热管束的布置采用对称的管束布置方式。因此，换热器流体通道具有对称性。
2)模拟过程
FLUENT软件进行数值模拟时，不断进行迭代计算，具体迭代计算残差曲线如图4所示。
开始迭代计算，期间进行了3次参数调整，在迭代8800次左右时，计算收敛，分析其残差曲线。计算结果处理成云图，便于直观分析。
3)模拟结果
经FLUENT软件数值模拟后得到1/11换热器 流体速度、温度云图如图5～11所示。图中数值单 位分别为m/s、K。
(1)x=0方向的速度、温度云图如图5、图6 所示：
(3)z=0方向的速度、温度云图如图9、图10 所示：
5、结论
经FLUENT软件数值计算后得到1/11换热器烟气出口温度、空气出口温度和换热系数，其与设 计参数对比结果如表1所示。
由上表可知，经FLUENT软件数值计算后得到的换热器烟气出口温度、空气出口温度和换热系数，与通过查找《换热器设计手册》得到的换热器设计参数误差均在10%以内，可以认为通过 FLUENT软件，大致模拟了换热器内烟气与空气对 流换热的情况，进一步验证换热器设计参数的准确性。因此，可以得出如下结论：对陶土式换热器进行节能改造是可行的。
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