【研究前沿】利用CFD提高生物燃气发电机中热交换器的性能
1.研究背景
生物燃气发电通过将有机废物在厌氧处理过程中产生的甲烷气体转化为电能，有助于减少碳排放，符合全球碳中和的趋势。然而，生物燃气中的杂质如二氧化碳、硫化氢和硅氧烷等会对冷却器造成腐蚀，降低发电效率。因此，改进冷却器的材料和设计，提高其耐腐蚀性和冷却效率，对于确保生物燃气发电机组的效率和耐用性至关重要。
2.研究方法
本研究采用计算流体动力学（CFD）分析方法，对冷却器的热特性进行了深入分析。CFD是一种减少设计优化所需成本和时间的分析方法，它能够在流场分析中显著提高换热器的性能。
几何模型创建：
根据300-kW生物燃气发电机的改装热交换器设计，创建了冷却器的三维模型。
模型考虑了不同的鳍片类型，包括偏移带鳍片、瓦楞鳍片和针鳍，最终选择了适合大规模生产和气流分布的挡板型鳍结构。
CFD前处理：
进行了CFD对象建模和网格化，生成了包含700万个网格元素和约143万个节点的多面体网格。
边界条件设置：
定义了主要的边界条件，包括流体类型、流量、进出口温度和压力。
湍流模型选择：
应用了重整化群（RNG）k-ε湍流模型，该模型在工程上已被验证为可行，并且比标准k-ε模型在处理快速变形的旋涡湍流方面更为准确。
能量方程求解：
求解了能量方程以分析热交换特性，包括热空气和冷空气之间的热传递。
物性参数定义：
使用了理想气体状态方程来计算热空气密度变化，使用Sutherland方程来应用粘度，使用分段多项式方程来确定冷却水密度随温度的变化。
网格独立性验证：
通过试错过程，最终的网格展示了0.148的正交质量和0.77的偏斜度，实现了满意的网格独立性。
热传递和压力降模型：
使用FLUENT软件计算了所有流体和固体域中的导热，使用傅里叶定律进行传导热传递分析。
基于Hagen-Poiseuille方程计算了冷却器产生的压力降，并考虑了入口处的流动分离和回流造成的额外损失。
模拟运行和收敛标准：
在FLUENT中，能量方程的收敛标准设置为10^-6。
效率和性能评估：
定义了冷却器效率，并分析了实际热传递与理论最大热传递的比率。
考虑了背压对冷却器效率的影响，并在设计中综合考虑了冷却性能和背压之间的权衡。
3.研究内容
研究内容包括对冷却器材料的比较分析，考虑了铜镍合金和不锈钢的性能差异；对冷却器内部鳍片数量变化对效率的影响进行分析；对冷却器尺寸和冷却液管尺寸变化对冷却性能和背压的影响进行研究；以及提出了一个综合设计方案，旨在在不增加背压的前提下提高冷却器的冷却效率。
4.研究结果
研究结果表明，通过减少侧向空间可以显著提高冷却性能，但会导致背压增加；增加冷却液管的数量和尺寸可以在降低背压的同时提高效率；综合设计方案能够在保持较低背压的同时达到目标冷却性能。通过与实际生物燃气发电机的冷却器原型进行比较，验证了CFD分析结果的可靠性，最终设计的冷却器在200°C的空气冷却至52.87°C，背压为201.51 Pa，接近设计性能要求。
