.936 北京科技大学学 报 第35卷 均匀性，增加空气预热温度可以节约燃气以及提高 管内径是79mm,整个换热器外径是194mm. 加热质量3-4.辐射管换热器包括自身预热式和非 烟气出口 自身预热式两种，本文研究的是非自身预热式辐射 Φ15 烟气人口- 79 管换热器，目前对其结构的优化研究主要包括实现 空气出口 空气多段加热、增加空气段和烟气段的行程以及添 空气入口 空气套管 中心空气管 加烟气回流元件使部分烟气与空气混合三个方面. 图1W型辐射管换热器结构示意图（单位：mm) 普通换热器的数值模拟和实验研究主要集中于弓形 Fig.1 Schematic diagram of a W-shaped radiant tube heat 折流板同、螺旋折流板6、翅片管等强化换热方式. exchanger (unit:mm) 非自身预热式燃气辐射管普遍存在排烟温度 高的问题，造成了相当的能源浪费.本文以某钢厂 热效率是辐射管的主要性能之一，其计算公式 为 连续退火炉W型燃气辐射管换热器作为研究对象， 针对其排烟温度高的问题优化换热器结构，将多段 刀=（②ual+Qar）-Qaue- (1) Qfuel 加热与折流板强化换热技术同时运用于辐射管换热 器，通过ANSYS FLUENT进行数值模拟，研究不 式中，Quel为燃气输入化学热和显热，Qair为预 同结构的换热效果、压力损失和热阻变化，旨在寻 热空气带入显热，Que-gas为烟气带走热量.由式 求提高辐射管换热器综合性能的途径，达到节约燃 (1)可以看出预热空气和排出烟气温度直接影响着 气、提高加热质量的目的 辐射管的热效率.本实验某钢厂现场测试数据表明， 从辐射管出来的烟气温度为930℃左右，经过换热 1 换热器结构及参数 器后，排烟温度高达730℃，烟气会带走大部分热 1.1现有换热器结构及问题 量，辐射管换热器热损失较大，因此大大降低了辐 目前连续退火炉W型燃气辐射管使用的换热 射管的加热性能.通过观察图1中的换热器结构可 器结构如图1所示，红色区域表示烟气管，蓝色区 以发现，换热器中心空气管内径为79mm,管径较 域是空气套管，绿色区域是中心空气管，空气从入 粗，换热面积较小，空气套管是单侧换热，烟气仅 口进入套管，流至右端部后折返至中心管后从出口 经过一个行程就从换热器排出，这些原因使换热器 流出.在这个过程中，烟气单行程、空气双行程换 存在排烟温度较高的问题.对现场数据进行测量和 热，换热器有效长度是1680mm,使用的中心空气 整理，结果如表1所示 表1辐射管现场测量数据 Table 1 Field measurement data of the radiant tube 参数 数值 气体 成分（体积分数）/% 烧嘴能力/kW 163 煤气(27℃) C029.19,H212.19,CH410.78,N223.92,C0223.92 煤气热值/(kJ.m-3) 7658 烟气(930℃) CO222.78,H2012.04,N265.18 煤气量/(m3.h-1) 76.42 空气量/(m3h-1) 153.68 烟气量/(m3.h-1) 214.28 1.2换热器结构改进 辐射管烟气风机全压约为1000~1500Pa,根据黄文 针对研究中发现的问题，对换热器结构做如下 江等⑧对换热器压力损失与折流板高度和间距之 改进 间关系的研究结果，以上、中、下布局的方式增设 (1)空气管个数增加至6个.中心空气管由原 了五块高度为1/2烟气管直径的密封折流板，折流 来一根Φ79mm的粗管改为六根φ33mm的细管， 板间距为300mm:同时，为了降低折流板背部换热 其排列布局变化如图2(a)所示，淡蓝色部分是空气 死区和气体进出口压损，喻九阳等实验研究了在 管.空气管数量增加至六根以后，中心空气管的流 折流板上均匀开孔对换热器性能的影响，在此基础 通面积由0.42m2增加至1.05m2,总换热面积由 上，本文设计的多孔折流板是在折流板上靠近外管 1.26m2增加至1.89m2,比原来增加了50%. 束和中间管束的位置开槽，其目的是更有针对性地 (2)增加折流板.为增强烟气侧的扰动，提高对 消除背部换热死区，同时满足支撑中心空气管的需 流换热系数，可在烟气管内增设折流板，该W型 求，具体结构如图2(b)所示· 936 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 均匀性，增加空气预热温度可以节约燃气以及提高 加热质量[3−4] . 辐射管换热器包括自身预热式和非 自身预热式两种，本文研究的是非自身预热式辐射 管换热器，目前对其结构的优化研究主要包括实现 空气多段加热、增加空气段和烟气段的行程以及添 加烟气回流元件使部分烟气与空气混合三个方面. 普通换热器的数值模拟和实验研究主要集中于弓形 折流板[5]、螺旋折流板[6]、翅片管等强化换热方式. 非自身预热式燃气辐射管普遍存在排烟温度 高的问题，造成了相当的能源浪费. 本文以某钢厂 连续退火炉 W 型燃气辐射管换热器作为研究对象， 针对其排烟温度高的问题优化换热器结构，将多段 加热与折流板强化换热技术同时运用于辐射管换热 器，通过 ANSYS FLUENT 进行数值模拟，研究不 同结构的换热效果、压力损失和热阻变化，旨在寻 求提高辐射管换热器综合性能的途径，达到节约燃 气、提高加热质量的目的. 1 换热器结构及参数 1.1 现有换热器结构及问题 目前连续退火炉 W 型燃气辐射管使用的换热 器结构如图 1 所示，红色区域表示烟气管，蓝色区 域是空气套管，绿色区域是中心空气管，空气从入 口进入套管，流至右端部后折返至中心管后从出口 流出. 在这个过程中，烟气单行程、空气双行程换 热，换热器有效长度是 1680 mm，使用的中心空气 管内径是 79 mm，整个换热器外径是 194 mm. 图 1 W 型辐射管换热器结构示意图 (单位: mm) Fig.1 Schematic diagram of a W-shaped radiant tube heat exchanger (unit: mm) 热效率是辐射管的主要性能之一，其计算公式 为[7] η = (Qfuel + Qair) − Qflue−gas Qfuel . (1) 式中，Qfuel 为燃气输入化学热和显热，Qair 为预 热空气带入显热，Qflue−gas 为烟气带走热量. 由式 (1) 可以看出预热空气和排出烟气温度直接影响着 辐射管的热效率. 本实验某钢厂现场测试数据表明， 从辐射管出来的烟气温度为 930 ℃左右，经过换热 器后，排烟温度高达 730 ℃，烟气会带走大部分热 量，辐射管换热器热损失较大，因此大大降低了辐 射管的加热性能. 通过观察图 1 中的换热器结构可 以发现，换热器中心空气管内径为 79 mm，管径较 粗，换热面积较小，空气套管是单侧换热，烟气仅 经过一个行程就从换热器排出，这些原因使换热器 存在排烟温度较高的问题. 对现场数据进行测量和 整理，结果如表 1 所示. 表 1 辐射管现场测量数据 Table 1 Field measurement data of the radiant tube 参数 数值 气体 成分 (体积分数)/% 烧嘴能力/ kW 163 煤气 (27 ℃) CO 29.19，H2 12.19，CH4 10.78，N2 23.92，CO2 23.92 煤气热值/( kJ· m−3 ) 7658 烟气 (930 ℃) CO2 22.78，H2O 12.04，N2 65.18 煤气量/( m3 ·h−1 ) 76.42 空气量/( m3 ·h−1 ) 153.68 烟气量/ (m3 ·h−1 ) 214.28 1.2 换热器结构改进 针对研究中发现的问题，对换热器结构做如下 改进. (1) 空气管个数增加至 6 个. 中心空气管由原 来一根 φ79 mm 的粗管改为六根 φ33 mm 的细管， 其排列布局变化如图 2(a) 所示，淡蓝色部分是空气 管. 空气管数量增加至六根以后，中心空气管的流 通面积由 0.42 m2 增加至 1.05 m2，总换热面积由 1.26 m2 增加至 1.89 m2，比原来增加了 50%. (2) 增加折流板. 为增强烟气侧的扰动，提高对 流换热系数，可在烟气管内增设折流板，该 W 型 辐射管烟气风机全压约为 1000∼1500 Pa，根据黄文 江等[8] 对换热器压力损失与折流板高度和间距之 间关系的研究结果，以上、中、下布局的方式增设 了五块高度为 1/2 烟气管直径的密封折流板，折流 板间距为 300 mm；同时，为了降低折流板背部换热 死区和气体进出口压损，喻九阳等[9] 实验研究了在 折流板上均匀开孔对换热器性能的影响，在此基础 上，本文设计的多孔折流板是在折流板上靠近外管 束和中间管束的位置开槽，其目的是更有针对性地 消除背部换热死区，同时满足支撑中心空气管的需 求，具体结构如图 2(b) 所示