一种烟气冷却器设计平台及设计方法与流程

1.本发明涉及烟气余热回收技术领域，尤其涉及一种烟气冷却器设计平台及设计方法。


背景技术：

2.目前，烟气冷却器主要采用焊接h型翅片管、焊接螺旋翅片管和整体型螺旋翅片管等换热管件进行强化传热，以提高余热回收效率。在工程应用中，希望用尽可能少的功耗，获得尽可能多的换热量。因此，在翅片管传热-阻力性能分析方面，采用努塞尔数nu或传热因子j表征传热性能，欧拉数eu或摩擦因子f表征阻力性能，通过建立无量纲准则数(nu，eu)和性能因子(j，f)，与管束排布、构型参数之间的关联式，为工程设计提供重要基础。由于管束类型、排布、构型参数对管束传热-阻力综合性能具有影响，在进行烟气冷却器设计时需要对比不同类型换热管束在设计工况下的传热-阻力综合性能，以进行换热管束选型，并针对所选换热管件进行排布、构型参数的优化，提高换热器综合性能。烟气冷却器综合换热性能评价，可以用于进行换热结构的优化，指导烟气冷却器工程设计。目前换热器性能评价方法很多，例如jf因子、pec准则等被广泛使用，选择合适的换热器性能评价方法是非常必要的。
3.在烟气冷却器工程设计与应用中，烟气量、烟道截面以及换热目标通常是确定的，但是换热面积会随着换热管束类型、翅间距、翅高等参数的不同而显著变化，采用已有的jf因子、pec准则等，往往无法有效地评估具有不同换热面积的烟气冷却器的综合性能。此外，热功比q/wp(换热量与功耗的比值)是评价的基础准则，是综合性能分析的目标，但是热功比q/wp的应用性差，缺少与无量纲传热-阻力性能关联式的直接联系，并不适用于工程应用中的传热-阻力综合性能评估和优化。因此，针对于相同工况条件下(相同烟气量、相同换热目标)、采用不同类型换热管束的烟气冷却器设计而言，目前尚缺少适用于工程应用的传热-阻力综合性能评价方法。基于少量精确实验结合高性能服务器cfd仿真以及适用于工程应用的传热-阻力综合性能方法，可以实现烟气冷却器综合性能高效优化设计。


技术实现要素：

4.鉴于以上技术问题，本发明提出了一种烟气冷却器性能优化设计平台及设计方法，其步骤简单，设计效果好，能够快速设计出性能最优的烟气冷却器。
5.为实现上述技术目的，本发明的一种烟气冷却器设计平台，针对安装于燃煤机组和工业窑炉尾部烟道内且管内走水管外走烟气的蛇形翅片管烟气冷却器进行设计，包括风洞实验模块、烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块、传热-阻力性能数据处理模块、传热-阻力综合性能优化模块和烟气冷却器设计校核模块；
6.风洞实验模块，用以根据仿真模型要求，结合设计工况范围，进行传热-阻力性能实验研究，分别获得设计工况范围内，低中高三个雷诺数条件下的传热-阻力性能实验数据，为换热管束传热-阻力性能数值仿真模块物理模型确认提供数据支撑；
7.烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块，用以建立与实验纵向管排数相同且横向管排方向具有周期性结构的换热管束物理模型，采用该模型分别进行模型验证，确定最优的湍流模型或湍流模型组的加权系数，并采用实验确定的湍流模型进行大量仿真以获得各种运行工况下的精确的传热-阻力性能数据；具体针对不同翅片类型的蛇形翅片管换热管束，采用经风洞实验模块优选的湍流模型对进行整个设计工况条件范围内烟气冷却器周期性单元的传热-阻力cfd仿真数值实验，分别获得各种运行工况下的烟气冷却器的平均换热系数h和压降δp；
8.传热-阻力性能数据处理模块，对不同蛇形翅片管烟气冷却器管束在各种运行工况下的传热-阻力性能实验或仿真数据，包括平均换热系数h和压降δp，进行无量纲化处理，分别获得传热性能因子j、和阻力性能因子f，并采用最小二乘拟合方法对大量仿真数据进行拟合，分别获得烟气冷却器管束排布无量纲参数与j和f因子的关联式；再根据所确定的烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块中确定的加权系数进行加权处理获得最终的传热-阻力性能无量纲数据公式，为传热-阻力综合性能优化模块提供数值支撑；
9.传热-阻力综合性能优化模块，通过对比不同类型换热管束，以及相同类型管束在不同排布和构型参数下的传热阻力综合性能，用以对管束类型和参数进行优化，并获得最优管型和设计参数；具体地，从理论和工程实际结合角度提出了泵功优度因子和体积优度因子，采用此因子对实现烟气冷却器管束类型的优选以及烟气冷却器特征参数优化设计；
10.烟气冷却器设计校核模块，用以根据管束选型和优化参数，采用平均温差法进行设计和校核计算，根据优化结果确定的较优参数，完成烟气冷却器的初步设计。
11.进一步，通过与风洞实验模块所获得的低中高三个雷诺数条件下的模型验证数据进行对比，从湍流模型：标准k-ε、rngk-ε、标准k-ω和k-ωsst模型中选出适用于该换热管束的湍流模型，选择出的湍流模型满足风洞实验模块中实验数据与仿真数据处理模块进行模型验证的仿真数据偏差最小且小于5％，若所有模型偏差均大于5％，则采用一个偏大与一个偏小的湍流模型进行加权平均，并确定加权系数，其中rngk-ε模型通常偏大，k-ωsst模型通常偏小，分别采用两个湍流模型针对相同工况采用相同模型进行仿真，并分别进行拟合，再根据所确定的加权系数进行加权处理获得最终的传热-阻力性能数据公式。
12.进一步，传热-阻力综合性能优化模块将cfd仿真数据上升到无量纲组数据，提高数据的适用性，为性能优化提供数据支撑，具体的，基于烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块中的cfd仿真数据，包括平均换热系数h和压降δp，采用最小二乘拟合方法分别获得所采用湍流模型/模型对条件下的传热性能因子j、和阻力性能因子f因子与烟气冷却器管束排布的无量纲参数之间的无量纲参数关联系式；再根据所确定的传热-阻力性能数据处理模块中的加权系数进行加权处理获得最终的传热-阻力性能数据公式。
13.一种烟气冷却器性能设计方法，首先采用实验与仿真相结合的方式获取设计数据资料，其次对比多种蛇形翅片管烟气冷却器，在相同设计条件下，进行多种烟气冷却器性能对比，优化选型，在通过计算后获得的接近最佳性能指标参数从而获得接近最佳性能的多个设计方案；
14.步骤如下：
15.s1、设定纵向管排数大于7排的所有符合设计工况范围内换热管束构成的烟气冷却器模型，之后对这些烟气冷却器模型的传热-阻力性能进行模拟试验，从而获得所有烟气
冷却器模型的平均换热系数h和压降δp；
16.s2、利用高性能服务器cfd仿真建立纵向管排数大于7排的所有符合设计工况范围内换热管束构成的烟气冷却器模型，采用基于增加壁面函数的rngk-ε和k-ω湍流模型和能量守恒方程仿真所有不同翅片结构的蛇形翅片管烟气冷却器模型的传热-阻力性能，根据预设的选择要求挑选出优选湍流模型，根据选择出的烟气冷却器模型在运行工况条件下，开展仿真获得不同管束排布、构型参数条件下各个烟气冷却器模型的气侧平均换热系数h和压降δp数据库；
17.s3、将步骤s2获得的平均换热系数h和压降δp数据以及排布和烟气冷却器构型参数进行无量纲化处理，并采用最小二乘进行拟合获得传热阻力性能因子j、f与管束排布无量纲参数、构型无量纲参数之间的关联式；再根据所确定的传热-阻力性能数据处理模块中的加权系数进行加权处理获得最终的传热-阻力性能数据公式；
18.s4、利用传热-阻力性能数据公式进行烟气冷却器的换热管管束选型和参数优化：所述传热-阻力性能数据公式具体为综合评价因子，包括烟气冷却器的泵功优度因子ξ1和体积性优度因子ξ2两部分，先利用泵功优度因子ξ1计算获得最佳的烟气冷却器设计参数，利用最佳的烟气冷却器设计参数来对烟气冷却器进行结构建模，之后将建模后的烟气冷却器与现场的设备空间要求进行比对，若满足设备空间要求则直接使用该建模，此时烟气冷却器优化参数即为该最佳设计参数；若建模大于设备空间要求，则需要考虑体积因子ξ2，通过修改体积因子ξ2从而缩小烟气冷却器建模的体积，直至满足设备空间要求，之后结合满足设备空间要求的体积因子ξ2从而获得在体积受限情况下所能获得的最佳烟气冷却器设计参数；
19.s5、根据最佳获得的最佳烟气冷却器的管束型和优化参数，即可生产出针对不同空间需求的最优烟气冷却器。
20.进一步，步骤s4中，若利用泵功优度因子ξ1计算获得最佳的烟气冷却器设计参数使出现复数个结果，或者出现的结果中有复数个管束或构型参数接近的情况，则优选对应体积性优度因子ξ2大的，即效果相同选择体积小的模型。
21.进一步，最优烟气冷却器的泵功优度因子ξ1的设计方法：
22.当管束构成的蛇形管的曲折次数均超过四次时，将蛇形换热管内部烟气和管内流体看作逆流流动，对换热管管束外侧面积而言，烟气冷却器的传热表达式：
23.q＝kaoδtmꢀꢀꢀꢀ
(1)
24.其中，q为换热功率，k是总传热系数，ao是翅片管束总换热面积，δtm是对数平均温差；
25.(1)式中总传热热阻为：
[0026][0027]
其中，为管内壁与管内流体间的对热换热热阻，为圆管壁的导热热阻，为翅片管外壁与管外气体间的对流换热热阻；
[0028]
换热管管外烟气与管内流体换热过程中，即气侧热阻远大于管内热阻和管壁热阻，即：
[0029][0030]
因此有：
[0031][0032]
由(2)式可得，
[0033][0034]
其中，b为总热阻与管外热阻的比值；
[0035]
由(5)式可得：
[0036]
kao＝η
ohoao
/b
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0037][0038]
根据不等式(3)，f略大于1，通常条件下为常数，取值范围1.0-1.25，或根据实际情况计算；由(7)式可知，b是特征参数，与散热管长无关；
[0039]
由(1)式和(6)式可得换热功率q为：
[0040]
q＝bηoh0aoδtmꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0041]
其中，δtm是对数平均温差，ηo是翅片管的翅面总效率；
[0042]
流体输运功耗w
p
为：
[0043]wp
＝qmδp/ρ
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0044]
其中，qm是质量流量；δp是进出口压差；ρ是烟气密度。
[0045]
质量流量为：
[0046]
qm＝ρua
min
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0047]
f因子为：
[0048]
f＝2δpa
min
/(ρu2ao)
ꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0049]
其中，a
min
是换热管与换热管间的最小流通面积；u是定性温度下最小流通截面上的烟气速度；
[0050]
由(9)-(10)式，可得f因子与流体输运功耗w
p
的关系为：
[0051][0052]
换热量和泵功的比值是最可靠的换热器综合性能评价参数：
[0053]
[0054]
j因子为：
[0055]
j＝nu/(repr
1/3
)
ꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0056]
其中，nu为努塞尔数，pr为普朗特数，re为雷诺数；
[0057]
努塞尔数nu计算式如下：
[0058]
nu＝h
odo
/λfꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0059]
其中，do是基管外径，λf是烟气定性温度下的导热系数
[0060]
普朗特数数pr计算式如下：
[0061]
pr＝μc
p
/λfꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0062]
由(13)-(16)式可得，
[0063][0064]
由公式(17)可得，换热量和泵功的比值是与流体热物性参数、翅片几何参数以及无量纲参数nu、j，f等相关的，因此相同设计条件下，关于泵功优度因子的无量纲功耗性能因子表达式为：
[0065][0066]
设物性参数为常数，当换热基管外径相同、换热温差和换热量相同时，在相同的质量流量下，无量纲因子ξ1越大，则流体输运功耗w
p
越小，即可利用泵功优度因子ξ1对换热管束进行综合性能评价。
[0067]
进一步，烟气冷却器的体积是烟气冷却器设计的重要参数，因此采用体积优度因子被用于评价不同类型换热器性能：
[0068][0069]
其中，换热面积ao和v
tube
分别是管长l
tube
的表面积和占据体积；
[0070]
换热管占据体积的长宽等于横纵向节距，管长l
tube
的换热管占据的体积为v
tube
＝l
tube
p
t
p
l
；
[0071]
利用下式通过翅片管的翅化比β
fin
求解管长l
tube
的换热面积：
[0072]ao
＝πdol
tube
β
fin
ꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0073]
将换热面积、体积表达式带入表达式(20)中，则：
[0074][0075]
因此相同设计条件下，体积优度因子表达式为：
[0076][0077]
假设物性参数是常数，当换热基管外径相同、换热温差和换热量相同时，在相同的质量流量下，无量纲因子ξ2越大，则烟气冷却器设计体积越小。
[0078]
(rea
min
/do)c＝(rea
min
/do)rꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0079]
其中，脚标c表示对比的对象，r表示参考对象，
[0080]
基管外径相同时，同一质量流量如下
[0081]
(rea
min
)c＝(rea
min
)rꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0082]
ξ1和ξ2均是re的函数，为实现相同质量流量条件，不同设计条件下，re应满足方程(24)。
[0083]
有益效果：本发明能够精确且全面地对燃煤机组和工业窑炉尾部烟道内使用的蛇形翅片管烟气冷却器的选型和参数进行优化设计，还可以综合考虑实际空间限制，选择负责空间要求的的最佳管烟气冷却器的选型和参数，最终提高蛇形翅片管烟气冷却器的余热回收到效率，做到节能减排。
附图说明
[0084]
图1为本发明的烟气冷却器设计平台示意框图；
[0085]
图2为本发明实施例涉及的一种烟气冷却器换热模型示意图；
[0086]
图3为本发明实施例涉及的烟气冷却器周期性结构示意图；图中(a)为错排螺旋翅片管周期结构示意图，(b)为顺排螺旋翅片管周期结构示意图，(c)为顺排h型翅片管周期结构示意图；
[0087]
图4为烟气冷却器管束体积示意图；
具体实施方式
[0088]
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
[0089]
如图1所示，本发明的一种烟气冷却器设计平台，针对安装于燃煤机组和工业窑炉尾部烟道内且管内走水管外走烟气的蛇形翅片管烟气冷却器进行设计，被设计的常规烟气冷却器换热模型结构如图2所示，包括蛇形管、管内流体入口、管内流体出口，以及在蛇形管外侧存在的烟气入口和烟气出口；
[0090]
本发明的烟气冷却器设计平台包括风洞实验模块、烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块、传热-阻力性能数据处理模块、传热-阻力综合性能优化模块和烟气冷却器设计校核模块；利用风洞实验模块获取仿真数据，烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块根据仿真仿真数据建立符合试验要求的冷却器模型，传热-阻力性能数据处理模块为传热-阻力综合性能优化模块和烟气冷却器设计校核模块提供基础设计数据；
[0091]
风洞实验模块基于精确测量进行设计工况范围内换热管束(纵向管排数大于7排)的传热-阻力性能实验研究，为性能分析模块提供模型验证数据；
[0092]
烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块基于高性能服务器cfd仿真计算，建立横向管排方向具有周期性结构的换热管束(与实验纵向管排数相同)物理模型，分别采用基于增加壁面函数的rngk-ε和k-ω湍流模型和能量守恒方程数值研究该换热管束的传热-阻力性能，并与风洞实验模块所获得实验数据进行对比，以选择较好的湍流模型；采用实验验证的物理和数学模型通过大量仿真获得不同管束排布、构型参数条件下的气侧平均换热系数h和压降δp数据库；如图3所示，烟气冷却器周期性结构包括以下集中常见结构；图中(a)为错排螺旋翅片管周期结构示意图，(b)为顺排螺旋翅片管周期结构示意图，(c)为顺排h型翅片管周期结构示意图；
[0093]
传热-阻力性能数据处理模块，将平均换热系数h和压降δp以及排布和构型参数进行无量纲化处理，并采用bp神经网络拟合方法分别获得j、f因子与管束排布无量纲参数、构型无量纲参数之间的关联系式；
[0094]
传热-阻力综合性能优化模块依据传热阻力性能因子，基于综合性能因子对——泵功优度因子ξ1和体积性优度因子ξ2，进行换热管管束选型和参数优化，对比不同类型换热管束，以及相同管束在不同排布和构型参数下的传热阻力综合性能，以进行管束选型和优化；
[0095]
烟气冷却器设计校核模块根据管束选型和优化参数，采用平均温差温进行设计和校核计算。
[0096]
本发明提出了指导烟气冷却器选型设计的功耗性能因子ξ1和体积性能因子ξ2，具体过程如下：
[0097]
实际工程中，通常烟气在管外侧与管内液体错流换热，且当蛇形管的曲折次数均超过四次时，烟气和管内流体可以看作逆流流动。对换热管外侧面积而言，烟气冷却器的传热方程式为：
[0098]
q＝kaoδtmꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0099]
其中，q为换热功率，k是总传热系数，ao是翅片管束总换热面积，δtm是对数平均温差。
[0100]
(1)式中总传热热阻为：
[0101][0102]
其中，为管内壁与管内流体间的对热换热热阻，为圆管壁的导热热阻，为翅片管外壁与管外气体间的对流换热热阻。
[0103]
管外烟气与管内流体换热过程中，即气侧热阻远大于管内热阻和管壁热阻，即：
[0104][0105]
因此有：
[0106][0107]
由(2)式可得，
[0108][0109]
其中，b为总热阻与管外热阻的比值。
[0110]
由(5)式可得，
[0111]
kao＝η
ohoao
/b
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0112]
由(5)式可得，
[0113][0114]
根据不等(3)，f略大于1，通常条件下可以认为是常数，可以取1.0-1.25，或根据实际情况计算。由(7)式可知，b是管长无关。
[0115]
由(1)式和(6)式可得：
[0116]
q＝bηoh0aoδtmꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0117]
其中，δtm是对数平均温差，ηo是翅面总效率。
[0118]
流体输运功耗w
p
为：
[0119]wp
＝qmδp/ρ
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0120]
其中，qm是质量流量；δp是进出口压差；ρ是烟气密度。
[0121]
质量流量为：
[0122]
qm＝ρua
min
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0123]
f因子为：
[0124]
f＝2δpa
min
/(ρu2ao)
ꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0125]
其中，a
min
是最小流通面积；u是速度；
[0126]
由(9)-(10)式，可得f因子与流体输运功耗w
p
的关系为：
[0127][0128]
换热量和泵功的比值是最可靠的换热器综合性能评价参数：
[0129][0130]
j因子为：
[0131]
j＝nu/(repr
1/3
)
ꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0132]
其中，nu为努塞尔数，pr为普朗特数，re为雷诺数。
[0133]
nu计算式如下：
[0134]
nu＝h
odo
/λfꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0135]
其中，do是基管外径，λf是烟气定性温度下的导热系数
[0136]
普朗特数pr计算式如下：
[0137]
pr＝μc
p
/λfꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0138]
由(13)-(16)式可得，
[0139][0140]
由公式(17)可以看出，换热量和泵功的比值是与流体热物性参数、翅片几何参数以及无量纲参数nu、j，f等相关的，因此相同设计条件下，无量纲功耗性能因子表达式为：
[0141][0142]
假设物性参数是常数，当换热基管外径相同、换热温差和换热量相同时，在相同的质量流量下，无量纲因子ξ1越大，则流体输运功耗w
p
越小。因此，泵功优度因子ξ1可以方便用于换热管束综合性能评价。
[0143]
在达到一定换热量时，烟气冷却器的体积是烟气冷却器设计的重要参数。本发明采用体积优度因子被用于评价不同类型换热器性能：
[0144][0145]
其中，换热面积ao和v
tube
分别是管长l
tube
的表面积和占据体积。
[0146]
图4为顺列管束体积示意图，管长l
tube
的换热管占据的体积为v
tube
(v
tube
＝l
tube
p
t
p
l
)，p
t
为上下相邻管束的间距，p
l
为相邻管束的间距。
[0147]
通过翅片管的翅化比(β
fin
)可以求出管长l
tube
的换热面积如下：
[0148]ao
＝πdol
tube
β
fin
ꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0149]
将换热面积、体积表达式带入表达式(20)中，有：
[0150][0151]
因此相同设计条件下，体积优度因子表达式为：
[0152][0153]
假设物性参数是常数，当换热基管外径相同、换热温差和换热量相同时，在相同的质量流量下，无量纲因子ξ2越大，则烟气冷却器设计体积越小。
[0154]
(rea
min
/do)c＝(rea
min
/do)rꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0155]
其中，脚标c表示对比的对象，r表示参考对象。
[0156]
基管外径相同时，同一质量流量如下
[0157]
(rea
min
)c＝(rea
min
)rꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0158]
ξ1和ξ2均是re的函数，为实现相同质量流量条件，不同设计条件下，re应满足方程(24)。
[0159]
基于综合性能因子对——泵功优度因子ξ1和体积性优度因子ξ2按下以下原则评估烟气冷却器的综合性能，即：体积因子ξ2满足要求条件下选泵功优度因子ξ1最小的。

技术特征：
1.一种烟气冷却器设计平台，其特征在于：针对安装于燃煤机组和工业窑炉尾部烟道内且管内走水管外走烟气的蛇形翅片管烟气冷却器进行设计，包括风洞实验模块、烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块、传热-阻力性能数据处理模块、传热-阻力综合性能优化模块和烟气冷却器设计校核模块；风洞实验模块，用以根据仿真模型要求，结合设计工况范围，进行传热-阻力性能实验研究，分别获得设计工况范围内，低中高三个雷诺数条件下的传热-阻力性能实验数据，为换热管束传热-阻力性能数值仿真模块物理模型确认提供数据支撑；烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块，用以建立与实验纵向管排数相同且横向管排方向具有周期性结构的换热管束物理模型，采用该模型分别进行模型验证，确定最优的湍流模型或湍流模型组的加权系数，并采用实验确定的湍流模型进行大量仿真以获得各种运行工况下的精确的传热-阻力性能数据；具体针对不同翅片类型的蛇形翅片管换热管束，采用经风洞实验模块优选的湍流模型对进行整个设计工况条件范围内烟气冷却器周期性单元的传热-阻力cfd仿真数值实验，分别获得各种运行工况下的烟气冷却器的平均换热系数h和压降δp；传热-阻力性能数据处理模块，对不同蛇形翅片管烟气冷却器管束在各种运行工况下的传热-阻力性能实验或仿真数据，包括平均换热系数h和压降δp，进行无量纲化处理，分别获得传热性能因子j、和阻力性能因子f，并采用最小二乘拟合方法对大量仿真数据进行拟合，分别获得烟气冷却器管束排布无量纲参数与j和f因子的关联式；再根据所确定的烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块中确定的加权系数进行加权处理获得最终的传热-阻力性能无量纲数据公式，为传热-阻力综合性能优化模块提供数值支撑；传热-阻力综合性能优化模块，通过对比不同类型换热管束，以及相同类型管束在不同排布和构型参数下的传热阻力综合性能，用以对管束类型和参数进行优化，并获得最优管型和设计参数；具体地，从理论和工程实际结合角度提出了泵功优度因子和体积优度因子，采用此因子对实现烟气冷却器管束类型的优选以及烟气冷却器特征参数优化设计；烟气冷却器设计校核模块，用以根据管束选型和优化参数，采用平均温差法进行设计和校核计算，根据优化结果确定的较优参数，完成烟气冷却器的初步设计。2.根据权利要求1所述烟气冷却器设计平台，其特征在于：通过与风洞实验模块所获得的低中高三个雷诺数条件下的模型验证数据进行对比，从湍流模型：标准k-ε、rngk-ε、标准k-ω和k-ωsst模型中选出适用于该换热管束的湍流模型，选择出的湍流模型满足风洞实验模块中实验数据与仿真数据处理模块进行模型验证的仿真数据偏差最小且小于5％，若所有模型偏差均大于5％，则采用一个偏大与一个偏小的湍流模型进行加权平均，并确定加权系数，其中rngk-ε模型通常偏大，k-ωsst模型通常偏小，分别采用两个湍流模型针对相同工况采用相同模型进行仿真，并分别进行拟合，再根据所确定的加权系数进行加权处理获得最终的传热-阻力性能数据公式。3.根据权利要求2所述烟气冷却器设计平台，其特征在于：传热-阻力综合性能优化模块将cfd仿真数据上升到无量纲组数据，提高数据的适用性，为性能优化提供数据支撑，具体的，基于烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块中的cfd仿真数据，包括平均换热系数h和压降δp，采用最小二乘拟合方法分别获得所采用湍流模型/模型对条件下的传热性能因子j、和阻力性能因子f因子与烟气冷却器管束排布的无量纲参数之间的无量纲参数关联系式；
再根据所确定的传热-阻力性能数据处理模块中的加权系数进行加权处理获得最终的传热-阻力性能数据公式。4.一种烟气冷却器性能设计方法，其特征在于：首先采用实验与仿真相结合的方式获取设计数据资料，其次对比多种蛇形翅片管烟气冷却器，在相同设计条件下，进行多种烟气冷却器性能对比，优化选型，在通过计算后获得的接近最佳性能指标参数从而获得接近最佳性能的多个设计方案；步骤如下：s1、设定纵向管排数大于7排的所有符合设计工况范围内换热管束构成的烟气冷却器模型，之后对这些烟气冷却器模型的传热-阻力性能进行模拟试验，从而获得所有烟气冷却器模型的平均换热系数h和压降δp；s2、利用高性能服务器cfd仿真建立纵向管排数大于7排的所有符合设计工况范围内换热管束构成的烟气冷却器模型，采用基于增加壁面函数的rngk-ε和k-ω湍流模型和能量守恒方程仿真所有不同翅片结构的蛇形翅片管烟气冷却器模型的传热-阻力性能，根据预设的选择要求挑选出优选湍流模型，根据选择出的烟气冷却器模型在运行工况条件下，开展仿真获得不同管束排布、构型参数条件下各个烟气冷却器模型的气侧平均换热系数h和压降δp数据库；s3、将步骤s2获得的平均换热系数h和压降δp数据以及排布和烟气冷却器构型参数进行无量纲化处理，并采用最小二乘进行拟合获得传热、阻力性能因子j、f与管束排布无量纲参数、构型无量纲参数之间的关联式；再根据所确定的传热-阻力性能数据处理模块中的加权系数进行加权处理获得最终的传热-阻力性能数据公式；s4、利用传热-阻力性能数据公式进行烟气冷却器的换热管管束选型和参数优化：所述传热-阻力性能数据公式具体为综合评价因子，包括烟气冷却器的泵功优度因子ξ1和体积性优度因子ξ2两部分，先利用泵功优度因子ξ1计算获得最佳的烟气冷却器设计参数，利用最佳的烟气冷却器设计参数来对烟气冷却器进行结构建模，之后将建模后的烟气冷却器与现场的设备空间要求进行比对，若满足设备空间要求则直接使用该建模，此时烟气冷却器优化参数即为该最佳设计参数；若建模大于设备空间要求，则需要考虑体积因子ξ2，通过修改体积因子ξ2从而缩小烟气冷却器建模的体积，直至满足设备空间要求，之后结合满足设备空间要求的体积因子ξ2从而获得在体积受限情况下所能获得的最佳烟气冷却器设计参数；s5、根据最佳获得的最佳烟气冷却器的管束类型和优化参数，即可生产出针对不同空间需求的最优烟气冷却器。5.根据权利要求4所述烟气冷却器性能设计方法，其特征在于，步骤s4中，若利用泵功优度因子ξ1计算获得最佳的烟气冷却器设计参数使出现复数个结果，或者出现的结果中有复数个管束或构型参数接近的情况，则优选对应体积性优度因子ξ2大的，即效果相同选择体积小的模型。6.根据权利要求4所述烟气冷却器性能设计方法，其特征在于，最优烟气冷却器的泵功优度因子ξ1的设计方法：当管束构成的蛇形管的曲折次数均超过四次时，将蛇形换热管内部烟气和管内流体看作逆流流动，对换热管管束外侧面积而言，烟气冷却器的传热表达式：q＝ka
o
δt
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
其中，q为换热功率，k是总传热系数，a
o
是翅片管束总换热面积，δt
m
是对数平均温差；(1)式中总传热热阻为：其中，为管内壁与管内流体间的对热换热热阻，为圆管壁的导热热阻，为翅片管外壁与管外气体间的对流换热热阻；换热管管外烟气与管内流体换热过程中，即气侧热阻远大于管内热阻和管壁热阻，即：因此有：由(2)式可得，其中，b为总热阻与管外热阻的比值；由(5)式可得：ka
o
＝η
o
h
o
a
o
/b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)根据不等式(3)，f略大于1，通常条件下为常数，取值范围1.0-1.25，或根据实际情况计算；由(7)式可知，b是特征参数，与散热管长无关；由(1)式和(6)式可得换热功率q为：q＝bη
o
h0a
o
δt
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，δt
m
是对数平均温差，η
o
是翅片管的翅面总效率；流体输运功耗w
p
为：w
p
＝q
m
δp/ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，q
m
是质量流量；δp是进出口压差；ρ是烟气密度。质量流量为：q
m
＝ρua
min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)f因子为：f＝2δpa
min
/(ρu2a
o
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)其中，a
min
是换热管与换热管间的最小流通面积；u是定性温度下最小流通截面上的烟
气速度；由(9)-(10)式，可得f因子与流体输运功耗w
p
的关系为：换热量和泵功的比值是最可靠的换热器综合性能评价参数：j因子为：j＝nu/(repr
1/3
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)其中，nu为努塞尔数，pr为普朗特数，re为雷诺数；努塞尔数nu计算式如下：nu＝h
o
d
o
/λ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)其中，d
o
是基管外径，λ
f
是烟气定性温度下的导热系数普朗特数数pr计算式如下：pr＝μc
p
/λ
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)由(13)-(16)式可得，由公式(17)可得，换热量和泵功的比值是与流体热物性参数、翅片几何参数以及无量纲参数nu、j，f等相关的，因此相同设计条件下，关于泵功优度因子的无量纲功耗性能因子表达式为：设物性参数为常数，当换热基管外径相同、换热温差和换热量相同时，在相同的质量流量下，无量纲因子ξ1越大，则流体输运功耗w
p
越小，即可利用泵功优度因子ξ1对换热管束进行综合性能评价。7.根据权利要求6所述烟气冷却器性能设计方法，其特征在于，烟气冷却器的体积是烟气冷却器设计的重要参数，因此采用体积优度因子被用于评价不同类型换热器性能：其中，换热面积a
o
和v
tube
分别是管长l
tube
的表面积和占据体积；换热管占据体积的长宽等于横纵向节距，管长l
tube
的换热管占据的体积为v
tube
＝l
tube
p
t
p
l
；利用下式通过翅片管的翅化比β
fin
求解管长l
tube
的换热面积：a
o
＝πd
o
l
tube
β
fin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)将换热面积、体积表达式带入表达式(20)中，则：
因此相同设计条件下，体积优度因子表达式为：假设物性参数是常数，当换热基管外径相同、换热温差和换热量相同时，在相同的质量流量下，无量纲因子ξ2越大，则烟气冷却器设计体积越小。(rea
min
/d
o
)
c
＝(rea
min
/d
o
)
r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)其中，脚标c表示对比的对象，r表示参考对象，基管外径相同时，同一质量流量如下(rea
min
)
c
＝(rea
min
)
r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)ξ1和ξ2均是re的函数，为实现相同质量流量条件，不同设计条件下，re应满足方程(24)。

技术总结
本发明公开一种烟气冷却器设计平台及设计方法，属于烟气冷却器设计领域。针对安装于燃煤机组和工业窑炉尾部烟道内且管内走水管外走烟气的蛇形翅片管烟气冷却器进行设计，包括风洞实验模块、烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块、传热-阻力性能数据处理模块、传热-阻力综合性能优化模块和烟气冷却器设计校核模块；风洞实验模块为烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块提供验证数据，烟气冷却器传热-阻力性能仿真模块完成模型确认，仿真后数据经传热-阻力性能数据处理模块处理获得传热-阻力关系，传热-阻力综合性能优化模块进行管束选型以及构型、排布参数优化，结果完成烟气冷却器的设计。其方法简单、使用方便、工作效率高。工作效率高。工作效率高。


技术研发人员：符泰然 辛成运 周托 冯张威
受保护的技术使用者：华能集团技术创新中心有限公司
技术研发日：2022.10.28
技术公布日：2023/7/21