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.doc

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
北京建筑工程学院葛海霞王随林穆连波罗雪莹严欢
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Fluent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,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
0 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Fluent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。
1 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1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
图1 两种烟气冷凝热能回收装置烟气流动方式示意图
2 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Fluent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。
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。
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:
连续性方程:
(1)
动量方程:
(2)
(3)
能量方程:
(4)
式中:u, v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/(m·s));ρ为烟气密度(kg/m3);T为温度( K);a为热扩散率(m2/s)。
采用标准的SIMPLE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-e)进行计算。
描述该现象的边界条件为:,温度433K(160℃),烟气出口选用压力出流条件,ΔP=2Pa;假设装置外表面绝热。

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至图8。
烟气在两种不同烟气冷凝热能回收利用装置内的压力场分布如图2和图3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