本站小編為你精心準(zhǔn)備了水環(huán)境下煤氣化換熱器研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:

針對(duì)在超臨界水環(huán)境下進(jìn)行煤氣化過程所使用的管殼式換熱器，建立了在管程和殼程內(nèi)同時(shí)存在物料流動(dòng)和換熱的三維管殼式換熱器模型，利用CFX軟件(計(jì)算流體力學(xué)分析軟件)對(duì)管程和殼程中物料的換熱和相變過程進(jìn)行了模擬研究，成功應(yīng)用IAPWSIF97(國際通用工業(yè)用水和水蒸氣熱力性質(zhì)計(jì)算公式)數(shù)據(jù)庫模擬了超臨界水的物性狀態(tài)，闡述了管程內(nèi)物料從亞臨界相到超臨界相的轉(zhuǎn)變過程。利用已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明，隨著殼程內(nèi)物料流量增大，殼程壓降和傳熱系數(shù)隨之增大;殼程出口溫度增大的速率漸趨平緩;當(dāng)換熱器板間距從117mm增大到150mm時(shí)強(qiáng)化傳熱效果并不明顯，同時(shí)大大增加了殼程的流動(dòng)阻力;在壓力為23MPa，溫度達(dá)400－600℃的操作條件下，換熱器中輻射傳熱影響較大，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)不應(yīng)忽略這部分的影響。研究指出:換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮傳熱和煤顆粒沉積的影響。

關(guān)鍵詞:

管殼式換熱器;數(shù)值模擬;超臨界水;煤氣化

近些年來，在超臨界水環(huán)境下進(jìn)行低溫催化煤氣化反應(yīng)過程，用來制造清潔能源(氫氣和天然氣)，引起了國內(nèi)外大量學(xué)者的關(guān)注和研究［1－2］。其中換熱器是超臨界水煤氣化過程中必不可少的熱交換設(shè)備，通常用來作為加熱反應(yīng)器進(jìn)口冷物料的預(yù)熱器，同時(shí)也用作反應(yīng)器出口熱產(chǎn)物的冷卻換熱器。鑒于實(shí)驗(yàn)條件下不能直觀地得到超臨界相態(tài)的過程，利用CFD(計(jì)算流體力學(xué)方法)預(yù)測(cè)其內(nèi)部流場(chǎng)和相變十分必要。國內(nèi)外研究者利用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)換熱器進(jìn)行了廣泛的數(shù)值模擬研究，包括對(duì)其壓降、傳熱、傳熱效率、傳熱系數(shù)、湍流混合以及停留時(shí)間分布的研究等［3－9］。對(duì)于換熱器中相變的研究，一般只針對(duì)常壓下液態(tài)水到氣態(tài)水的相變［10］，對(duì)于從亞臨界水到超臨界水狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程研究較少，而這一過程卻是超臨界水煤氣化反應(yīng)前預(yù)熱必經(jīng)的過程，對(duì)超臨界水煤氣化工藝過程的研究起著至關(guān)重要的作用。本研究針對(duì)煤氣化中的超臨界水的相態(tài)轉(zhuǎn)變過程，建立了在管程和殼程內(nèi)同時(shí)存在物料流動(dòng)和換熱的三維管殼式換熱器CFD模型，模擬了在不同超臨界水流量條件下?lián)Q熱器殼程和管程的壓力分布、溫度場(chǎng)和傳熱系數(shù)，指出了超臨界水相變的過程，以及輻射傳熱的影響。

1換熱器幾何模型

本研究對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行模擬研究，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，為一單殼程雙管程換熱器。總長1050mm，管程為16×2根管，管程出口入口如圖1所示，管程管徑15mm，管程容積為0．0082m3。殼程入口管直徑50mm，殼程公稱直徑為150mm，容積為0．0122m3，殼程采用上進(jìn)下出式，壁面絕熱。

2數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

網(wǎng)格劃分使用Gambit軟件(網(wǎng)格劃分軟件)，劃分非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，殼程網(wǎng)格數(shù)為118萬，管程網(wǎng)格為102萬，在管程和殼程傳熱壁面的兩側(cè)分別劃分了邊界層，保證了傳熱計(jì)算的準(zhǔn)確性。超臨界水獨(dú)特的物性是最難把握的一點(diǎn)，只有準(zhǔn)確定義超臨界水的物性，才能更可信地模擬超臨界態(tài)的煤氣化反應(yīng)。本研究采用IAPWSIF97數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)來模擬計(jì)算超臨界水的狀態(tài)［11］。應(yīng)用ANSYSCFX13．0軟件進(jìn)行模擬，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，流體采用氣液混合物模型，超臨界水物性采用IAPWS物性數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，傳熱模型采用thermalenergy模型(熱能模型)，湍流封閉模型應(yīng)用k－ε，輻射傳熱模型應(yīng)用P1模型，當(dāng)考慮顆粒相時(shí)曳力應(yīng)用gidaspow模型，顆粒間應(yīng)用顆粒碰撞模型。由于本研究的換熱器仍處于設(shè)計(jì)階段，研究中簡(jiǎn)化為物料中僅含超臨界水，并對(duì)其換熱和相變進(jìn)行模擬研究。亞臨界的液態(tài)水為平衡限制組份，超臨界態(tài)水為平衡自由組份。殼程和管程分別為兩個(gè)域，之間的管程管壁和殼程折流擋板為可傳熱的壁面，接觸熱阻為0．0002m2•K/W。殼程的外壁面為絕熱。殼程為上進(jìn)下出，進(jìn)料溫度570℃，壓力23MPa，處于超臨界狀態(tài)，折流擋板8塊，板間距117mm，出口相對(duì)壓力為0Pa(參考?jí)毫?3MPa)。管程為下進(jìn)上出，為減小網(wǎng)格數(shù)簡(jiǎn)化模型，未模擬管程左側(cè)的管箱段。如圖1所示，靠下部的16根管為管程入口，上部的16根管為管程出口，壓力23MPa，溫度370℃，處于亞臨界狀態(tài)。管路采用三角形排列。時(shí)間步長采用自由時(shí)間步長，收斂標(biāo)準(zhǔn)為10－4，觀測(cè)點(diǎn)出口溫度、兩側(cè)傳熱系數(shù)在迭代時(shí)間步300步左右達(dá)到穩(wěn)定值，在迭代時(shí)間步600步時(shí)結(jié)束計(jì)算，單個(gè)算例所需時(shí)間18h。結(jié)果顯示收斂性良好，RMS殘差已達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)果分析與討論

3．1模型驗(yàn)證由于換熱器處于設(shè)計(jì)階段，本研究采用實(shí)驗(yàn)中的盤管對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。盤管全長20m，管徑12mm，直管段3m，彎管段2m，共兩圈，容積為0．00226m3，水平放置。水與物料混合后進(jìn)入盤管，出口壓力值24．1MPa，實(shí)驗(yàn)條件下的進(jìn)出口壓差值列于下表中，以實(shí)驗(yàn)溫度500℃為例，水煤漿濃度為水煤質(zhì)量比6．27，盤管進(jìn)出口壓差為0．139MPa，模擬同實(shí)驗(yàn)條件下的盤管壓降為0．14MPa，相對(duì)誤差小于1%，由此驗(yàn)證了CFD模型模擬的可靠性。

3．2相變及溫度場(chǎng)/壓力場(chǎng)超臨界水管程走冷流體，即需要被加熱的反應(yīng)物料，入口溫度370℃，處于亞臨界狀態(tài)，將被加熱到超臨界狀態(tài)。殼程走熱流體，即從反應(yīng)器反應(yīng)完成后循環(huán)回來的熱流體，入口溫度570℃，處于超臨界狀態(tài)。在殼程流量保持不變的條件下，比較管程流量不同的條件下流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化。在0．3kg/s和0．15kg/s的管程流量下管程超臨界相水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖2所示。入口均為亞臨界狀態(tài)下的液體，被加熱后出口均變?yōu)槌R界態(tài)。從模擬結(jié)果很好地給出了管程冷流體從亞臨界到超臨界狀態(tài)的變化以及相變發(fā)生的位置。當(dāng)管程流量從0．3kg/s減小一半時(shí)，由于管程流體流速降低，停留時(shí)間增大，相變的位置離入口更近。為減小誤差，模擬設(shè)定參考?jí)簭?qiáng)為23MPa，則出口處相對(duì)壓強(qiáng)為0Pa，如此得到相對(duì)壓強(qiáng)的管程分布圖3。結(jié)果可見，當(dāng)管程流量從0．3kg/s減小到0．15kg/s時(shí)，管程壓降明顯降低。管程冷流體被逐步加熱，流量較小的管程流體停留時(shí)間長，被加熱到的溫度較高。管程流量在0．3kg/h時(shí)，出口溫度為650．76K，加熱溫升為7．6℃。管程的溫度分布如圖4所示。

3．3殼程不同熱流體流量的影響殼程流量從0．075kg/s到1．0kg/s變化時(shí)，殼程內(nèi)壓降、出口溫度和殼程傳熱系數(shù)的變化如圖5所示。由圖可見，在保持管程流量不變的情況下，將殼程流量從0．075kg/s逐步增大到1．0kg/s時(shí)，超臨界水流速增大，整體壓降顯著增大;同時(shí)，流動(dòng)強(qiáng)化了傳熱，殼側(cè)的傳熱系數(shù)也隨之增大。殼程出口溫度開始迅速增加。繼續(xù)加大流量，溫度增加趨勢(shì)逐漸平緩。說明過大的流量增量對(duì)傳熱溫差的影響將變得不明顯，因此，為了保證降低能耗同時(shí)保持強(qiáng)化傳熱，有必要對(duì)殼程流量進(jìn)行優(yōu)化。

3．4擋板間距的影響對(duì)于雙管程單殼程的換熱器，嘗試采用更大的擋板間距，以此來減小在大流量操作條件下的殼程壓降。模擬對(duì)比了殼程和管程流量都為0．15kg/h時(shí)，且在同樣換熱器長度下，具有8塊折流擋板、擋板間距為117mm的換熱器和具有6塊折流擋板、板間距為150mm換熱器的流動(dòng)和傳熱結(jié)果。由圖6壓力云圖可見，當(dāng)降低折流擋板的數(shù)目時(shí)，壓降從586Pa降到405Pa，殼程的壓降顯著降低。溫度分布圖7可見，板間距雖然有所改變，但殼程的出口溫度都在790K左右，差別不大。可知，在此換熱器操作條件下，增加折流板數(shù)，減小板間距，強(qiáng)化傳熱效果并不明顯，同時(shí)卻大大增加了殼程的流體流動(dòng)阻力，使得殼程壓降增大明顯。因此在此操作條件下，僅出于傳熱考慮可以使用150mm的板間距，即6塊折流擋板。與此同時(shí)，由速度矢量圖8可以看出，在兩種板間距的結(jié)構(gòu)條件下，都會(huì)出現(xiàn)“流動(dòng)死區(qū)”，這些區(qū)域不僅會(huì)因?yàn)榱魉俸苄?dǎo)致局部結(jié)垢以及煤顆粒沉積，同時(shí)也會(huì)影響總體傳熱效果。因此，實(shí)際換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮傳熱和沉積的影響。

3．5輻射傳熱的影響對(duì)比同條件下加輻射傳熱模型和不加輻射傳熱模型的情況如表2所示。結(jié)果可見，在不考慮輻射傳熱的情況下，超臨界態(tài)的換熱器的殼程的出口溫度同考慮輻射傳熱的結(jié)果相差較大，僅考慮對(duì)流傳熱的殼程溫差明顯較小，只有21K，僅為考慮輻射傳熱情況下的一半，也即輻射傳熱在超臨界態(tài)水總傳熱中占有一定比例，由此可見輻射傳熱在此操作條件下不可忽略，模擬應(yīng)考慮輻射傳熱的影響。

4結(jié)論

建立了超臨界水環(huán)境下進(jìn)行煤氣化過程所使用的換熱器模型，應(yīng)用CFX并采用IAPWS物性數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)確地計(jì)算了超臨界水環(huán)境的物性，并成功地模擬了水從亞臨界態(tài)到超臨界態(tài)的轉(zhuǎn)變，直觀地闡述了管程內(nèi)超臨界水相變的過程，并得出以下結(jié)論:(1)殼程流量增大，殼程壓降隨之增大，同時(shí)傳熱系數(shù)也隨之增大;殼程出口溫度先增大后隨之趨于平緩。因此，為了保證降低能耗同時(shí)保持強(qiáng)化傳熱，有必要對(duì)殼程流量進(jìn)行優(yōu)化。(2)增大擋板間距(此換熱器板間距從117mm增大到150mm)對(duì)強(qiáng)化傳熱效果并不明顯，也大大增加了殼程的流動(dòng)阻力。出于傳熱效果的考慮此換熱器選用150mm板間距即可。在實(shí)際設(shè)計(jì)中還應(yīng)綜合考慮傳熱和沉積的影響。(3)在壓力為23MPa，溫度為400－600℃的操作條件下?lián)Q熱器的輻射傳熱所占比例較大，模擬時(shí)應(yīng)更多考慮輻射傳熱的影響。

參考文獻(xiàn):

［1］VostrikovAA，PsarovSA，DubovDY，etal．Kineticsofcoalcon-versioninsupercriticalwater［J］．Energy＆Fuels，2007，21(5):2840－2845．

［2］WangS，GuoY，WangL，etal．Supercriticalwateroxidationofcoal:Investigationofoperatingparameters＇effects，reactionkineticsandmechanism［J］．FuelProcessingTechnology，2011，92(3):291－297．

［3］徐志明，王月明，張仲彬．板式換熱器單邊流動(dòng)與對(duì)角流動(dòng)數(shù)值模擬［J］．熱能動(dòng)力工程，2011，26(6):675－680．XUZhi-ming，WANGYue-ming，ZHANGZhong-bin．NumericalsimulationoftheunilateralanddiagonalFlowintheplate-typeheatexchangers［J］．Journalofengineeringforthermalenergyandpow-er，2011，26(6):675－680．

［4］古新，董其伍，劉敏珊．周期性模型在管殼式換熱器數(shù)值模擬中的應(yīng)用［J］．熱能動(dòng)力工程，2008，23(1):64－68．GUXin，DONGQi-wu，LIUMei-shan．Applicationofaperiodicmodelinthenumericalsimulationofshell-and-tubeheatexchang-ers［J］．Journalofengineeringforthermalenergyandpower，2008，23(1):64－68．

［5］TsaiYC，LiuFB，andShenPT．Investigationsofthepressuredropandflowdistributioninachevron-typeplateheatexchanger［J］．Internationalcommunicationsinheatandmasstransfer，2009，36(6):574－578．

［6］JayakumarJ，MahajaniS，MandalJ，etal．ExperimentalandCFDestimationofheattransferinhelicallycoiledheatexchangers［J］．Chemicalengineeringresearchanddesign，2008．86(3):221－232．

［7］Kritikos，K，AlbanakisC，MissirlisD，etal．Investigationofthethermalefficiencyofastaggeredelliptic-tubeheatexchangerforaeroengineapplications［J］．AppliedThermalEngineering，2010，30(2):134－142．

［8］FreundSandKabelacS．Investigationoflocalheattransfercoeffi-cientsinplateheatexchangerswithtemperatureoscillationIRther-mographyandCFD［J］．InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2010，53(19):3764－3781．

［9］HabchiC，LemenandT，ValleDD，etal．Turbulentmixingandres-idencetimedistributioninnovelmultifunctionalheatexchangers-reactors［J］．Chemicalengineeringandprocessing:processintensi-fication，2010，49(10):1066－1075．

［10］胡瓊．管殼式換熱器冷凝傳熱研究與數(shù)值模擬［碩士學(xué)位論文］．湖北;華中科技大學(xué)，2011．HUQing．Researchandnumericalsimulationofcondensationandheattransferinshellandtubeheatexchanger［master＇sdegreepa-per］．Hubei:HuazhongUniversityofScienceandTechnology，2011．

［11］WagnerW，KruseA．TheindustrialstandardIAPWS-IF97forthethermodynamicpropertiesandsupplementaryequationsforotherproperties［J］．PropertiesofWaterandSteam，Springer，1998．1－354．

作者：王宏那 宿向超 單位：中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司