家用管式燃气换热器全尺寸模型建立及试验验证_王恭良.pdf

第2 3卷 第1期2023年1月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G1 6-2 2新技术新产品本栏目投稿邮箱:z l d t c h i n a j o u r n a l.n e t.c n收稿日期:2 0 2 1-0 7-1 5,修回日期:2 0 2 2-0 7-2 1作者简介:王恭良,博士,高级工程师,主要研究方向为燃烧及多相流建模仿真。家用管式燃气换热器全尺寸模型建立及试验验证王恭良(特灵空调系统(中国)有限公司上海研发分公司)摘 要 为了保证燃气换热器的燃气热效率与安全性,在研发阶段需要进行大量的测试。本文在热管测试的基础上,采用k-湍流模型、F GM(f l a m e l e tg e n e r a t e dm a n i f o l d s)化学反应模型和D O(d i s c r e t eo r d i n a t e s)辐射换热模型,建立家用管式燃气换热器全尺寸C F D模型,并在此基础上分析其运行工况。结果表明:所建立的模型精度较高,可节省开发成本,能够为产品设计和优化提供理论指导。关键词 管式燃气换热器;化学反应模型;热管测试;全尺寸F u l l s c a l em o d e l b u i l d i n go far e s i d e n t i a l t u b u l a rg a sh e a t e ra n d i t s e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o nW a n gG o n g l i a n g(T r a n eA i rC o n d i t i o n i n gS y s t e m(C h i n a)C o.,L t d.,S h a n g h a iR&DB r a n c h)A B S T R A C T I no r d e rt oe n s u r et h et h e r m a le f f i c i e n c ya n ds a f e t yo fg a sh e a t e r,al o to ft e s t i n gw o r kn e e d t ob ed o n ed u r i n g t h eR&Ds t a g e.Af u l l s c a l eC F Dm o d e l i s e s t a b l i s h e dw i t hk-t u r b u l e n c em o d e l,F GM(f l a m e l e tg e n e r a t e dm a n i f o l d s)c h e m i c a l r e a c t i o nm o d e la n dD O(d i s c r e t eo r d i n a t e s)r a d i a t i o nh e a tt r a n s f e rm o d e lf o rar e s i d e n t i a lt u b u l a rg a sh e a t e r(T GH)b a s e do nh e a tt u b et e s t.A n dt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o ni sa n a l y z e do nt h eb a s i so f t h a t.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee s t a b l i s h e dm o d e lh a sh i g ha c c u r a c y,w h i c hc a ns a v e t h ed e v e l o p m e n t c o s t a n dp r o v i d e t h e o r e t i c a l g u i d a n c e f o rp r o d u c td e s i g na n do p t i m i-z a t i o n.K E Y WO R D S t u b u l a rg a sh e a t e r;c h e m i c a l r e a c t i o nm o d e l;h e a t t u b e t e s t;f u l l s c a l e 作为一种清洁且高效的能源,天然气被应用于暖通换热设备,采用的换热器有管式燃气换热器(t u b u l a rg a sh e a t e r,T GH)和鼓式燃气换热器(d r u mg a sh e a t e r,D GH)。与鼓式燃气换热器相比,管式燃气换热器具有结构紧凑、安装便捷等优点。北美市场对该类型的设备制定了标准1-2,其中,燃气热效率、烟气出口C O2含量和过冷/过热温度点等参数决定了设备的能效等级和使用寿命3-4。研发该类型设备需要投入大量的人力和物力,同时需要进行长期测试,以保证设备的性能和安全。为该类型设备建立准确的三维C F D模型可大幅节省研发经费、缩短研发周期。在暖通空调领域,C F D技术的应用已相当成熟,其广泛应用于设备研发等阶段,例如:气动噪声控制、风机叶轮设计等。对于燃气换热器的设计主要集中在如何提高换热效率、控制污染物排放以及防止出现过冷/过热温度点等方面5。在燃烧模型的应用中,杨金虎6研究了F GM(f l a m e l e tg e n e r a t e dm a n i f o l d s)预混及部分预混湍流燃烧模型,分析了甲烷和燃油一维层流预混火焰在不同当量比和压强下的表现;以湍流本生火焰为研究对象,验证了F GM模型的准确性;拓展了预混燃烧模型为部分预混燃烧模型,以湍流本生火焰和S a n d i aD火焰对部分预混燃烧模型进行了计算验 第1期王恭良:家用管式燃气换热器全尺寸模型建立及试验验证1 7 证;将F GM部分预混燃烧模型应用于某航空发动机分级燃烧室和带掺混孔的燃烧室的仿真,指出模型存在的主要缺点和不足,并提出了进一步改进的方向。王恭良7以一款鼓式燃气换热器为研究对象,分析了不同化学反应模型对计算结果的影响。通过与实验室测试数据的比对,研究不同化学反应模型的优缺点以及应用范围,为燃烧模型的选择提供参考。段一凡8将F GM模型和概率密度函数(p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n,P D F)模型结合,发挥两类湍流燃烧模型的优势。基于开源C F D软件O p e n F OAM,开发了一款基于耦合欧拉随 机 场 方 法(E u l e r i a ns t o c h a s t i cf i e l d,E S F)和F GM法的新型湍流燃烧数值模拟求解器,并以S a n d i aD火焰为研究对象,验证求解器的准确性和软件兼容性,极大地提升了计算精度。夏朝阳等9研究超大涡模拟(v e r yl a r g ee d d ys i m u l a t i o n,V L E S)预测湍流燃烧问题的能力,采用V L E S结合F GM模型对S a n d i aD火焰开展了高精度数值研究。宋帅1 0为达到简化化学反应、减少燃烧过程中的计算量的目的,分别设计一维层流非预混、预混火焰,得到非预混、预混火焰结构,将复杂的化学反应空间投影到低维空间中建立层流F GM预混/非预混表,建立基于F GM的多模态火焰湍流燃烧模型,并将此模型引入大涡模拟湍流燃烧。结果表明:F GM多模态模型预测结果较单表的F GM非预混预测结果有一定的提高,特别是燃烧产物有明显的改进。笔者以一款家用管式燃气换热器(T GH)为研究对象,基于实验室测试数据,以AN S Y SF l u e n t为建模工具,采用k-湍流模型、F GM化学反应模型和D O辐射换热模型,建立家用T GH的C F D全尺寸模型,并在此基础上分析其运行工况。1 试验与仿真方法1.1 试验设备及测试方法本模型基于一款北美市场的家用天然气燃气炉,其中T GH作为该燃气炉的换热部件。图1所示为该家用天然气燃气炉的结构,主要包括引风机、挡板、燃烧器、换热管、抽气机、烟囱和风管。冷风侧冷空气由引风机吹入T GH,在T GH内部由换热管加热,并在T GH顶部通过送风管输送到应用端;燃气侧采用一种名为文丘里管式大气式燃烧器的高效燃烧器。该燃烧器由头部及引射器2部分组成。图1 家用天然气燃气炉结构图试验在一个流量可调的燃气试验台上进行。该试验台可根据要求调节燃气流量和通风量。为获得稳定的进出口风速,减少不必要的热量损失,在冷风侧和燃气侧进出口分别采用泡沫绝热材料制作的风管连接。采用K型和T型热电偶测量高温烟气温度,其中3个T型热电偶直接插入流道测量流体温度,9个K型热电偶以“十”字形均匀排布在烟囱出口处测量烟气出口温度;J型热电偶直接焊接在换热管外壁面上,外部用隔热漆保护。图2所示为换热壁面热电偶分布图,其中T1T4分别代表4根换热管,T C1T C8分别表示T1,T3和T4换热管上的8个J型热电偶测点,T CaT Cc分别代表T2换热管上的T型热电偶。每个测点测试2 5次,每次测试3 0s,最终结果取平均值。图2 热电偶分布 1 8 第2 3卷 所有热电偶都需经过标定,测量精度为 1K。以烟气分析仪测量排放的高温烟气中的C O和C O2的浓度,所测的C O浓度为P P M(p a r t sp e rm i l l i o n)级,其含量可以忽略。气体组分探针安放在烟气出口,以获取完全燃烧后的C O2含量。燃气热效率(%)根据AN S I/A S HR A ES t a n-d a r d1 0 3-2 0 0 71-2计算而得,E f f yS S=1 0 0-LL,A-LS,S S(1)式中:LL,A为试验燃料的平均潜热损失(%);LS,S S为稳态运行时显热损失(%)。1.2 C F D模型描述现有T GH结构相对复杂,包含多个部件,对其建模既要克服旋转部件转动时引起的数值振荡,又要解决复杂的燃烧化学反应产生的计算误差,同时需要考虑冷热流体耦合换热的问题。为此,笔者做如下假设,并建立一个在热管测试工况下运行的全尺寸机组模型:1)冷风侧采用压力进口和质量流量出口为进、出口边界条件,根据进出口空气温度,通过能量平衡计算空气流量。2)利用滑移网格方法模拟引风机叶轮转动。3)燃气侧省略抽气机内叶轮,只保留蜗壳,以质量流量出口为烟囱出口的边界条件模拟抽气过程,燃料输入方式根据测试报告采用“质量流量进口”的边界条件;燃烧空气采用压力进口以平衡燃气侧质量流量。4)因天然气中CH4含量超过9 2%,假设可燃气体皆为CH4。5)模型中叶轮和换热管处理成零厚度壁面以模拟薄壁。6)燃烧过程采用F GM模型模拟,以D i s c r e t eO r d i n a t e s(D O)辐射换热模型计算辐射换热量。7)以k-湍流模型为基础求解F a v r eA v e r a g eN a v i e rS t o c k e s方程1 1。8)模型求解器采用二阶中心格式求解压力,以二阶迎风格式计算流体的动量和湍流运动。表1所示为模型所用边界条件。模型以F l u e n tM e s h i n g划分网格,采用多面体网格。为精确捕捉壁面温度和流场变化,在所有换热壁面铺设5层边界层,平均y+为0.9 5。体网格生长率为1.2,全尺寸模型网格数约为1.4 51 07个,偏斜率小于0.8 5。图3所示为换热管网格划分示意图,其中P 1P 4分别代表换热管从进口表1 边界条件参数数值燃料质量流量/(g/s)0.4 3燃料进口温度/K2 9 6.4 8燃烧空气质量流量/(g/s)9.4 5燃烧空气进口温度/K2 9 5.9 3冷风侧空气质量流量/(g/s)4 3 5.2 4冷风侧空气进口温度/K2 9 5.9 3图3 换热