韋　維,劉漢周,沈賢鋒（重大大學(xué)　低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶　400044）

螺旋翅片管換熱器內(nèi)氣固兩相流動特性數(shù)值模擬

韋維,劉漢周,沈賢鋒
（重大大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400044）

摘要：翅片管換熱器是強(qiáng)化傳熱中主要的換熱設(shè)備之一，它種類繁多并廣泛應(yīng)用于能源動力、制冷和化工行業(yè)等。本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT6.3.26對螺旋翅片管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明：反向螺旋翅片管中氣流的擾動更大，且壓降比同向螺旋翅片管的壓降大，阻力損失更大；煙氣顆粒在反向螺旋翅片管換熱器中沉積可能性較同向高，顆粒在錯(cuò)排管換熱器中停留時(shí)間長，但受到的擾動比順排強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：翅片管換熱器；反向螺旋翅片管；數(shù)值模擬

0　引言

鍋爐作為現(xiàn)代工業(yè)中必不可少的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，提高鍋爐效率降低排煙溫度，對于節(jié)能降耗提高鍋爐的安全可靠性具有重要的實(shí)際意義。換熱器作為鍋爐中能源轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，為達(dá)到較好的節(jié)能效果，在換熱設(shè)備制造領(lǐng)域紛紛引入了強(qiáng)化傳熱技術(shù)，翅片管換熱器作為現(xiàn)代強(qiáng)化傳熱的主要裝置之一，已成為工業(yè)傳熱過程中必不可少的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)部門。然而，在一些含塵量較高的煙氣、尾氣余熱回收裝置中，煙氣通過沖刷受熱面換熱，日積月累會產(chǎn)生積灰。這些積灰阻礙了煙氣的流動，增加了受熱面的傳熱阻力，造成管道傳熱不均勻和腐蝕，從而導(dǎo)致排煙溫度升高，鍋爐熱效率降低和爆管事故的發(fā)生，嚴(yán)重影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1～5]。

相關(guān)人員對翅片管換熱器內(nèi)的氣固流動進(jìn)行了研究，如馬勇、虞斌等對光管管束及直翅片管束進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，直翅片管束能夠阻礙積灰的產(chǎn)生；此外還討論了不同入口流速及管間間距對積灰的影響，計(jì)算結(jié)果表明入口速度越大，煙氣的“自吹灰”效應(yīng)越強(qiáng)；適當(dāng)減小管間距可以提高相鄰翅片管之間的流速，加大了管子背風(fēng)區(qū)擾動，減小了積灰區(qū)域[6～7]。袁曉豆、史月濤對繞流H型翅片管進(jìn)行了冷態(tài)數(shù)值模擬，結(jié)果表明顆粒速度在H型翅片管迎風(fēng)面呈M分布；背風(fēng)面呈W型分布，使H型翅片管不易積灰[8]。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，以螺旋翅片管換熱器內(nèi)的氣固兩相流動特性為研究對象，研究管束排列方式及顆粒直徑對翅片管內(nèi)氣固兩相流動特性的影響。

1　計(jì)算模型及算法

1.1物理模型

螺旋翅片管換熱器中煙氣的流動屬于兩相流動，但固相顆粒屬于稀疏相，固體顆粒的流動在很大程度上取決于換熱器內(nèi)部氣體的流場，因此在研究換熱器內(nèi)煙氣的流動特性，可先研究氣相在換熱器內(nèi)的流場分布，氣體相的流動特性，從而找到螺旋翅片管束在不同排列方式和組合方式時(shí)的煙氣流動特點(diǎn)。本文主要針對螺旋翅片管束的四種組合方式建立關(guān)于螺旋翅片管換熱器的四種物理模型，通過數(shù)值模擬得出這四種模型中煙氣的流動特性。這四種模型中螺旋管束的排列方式如圖1所示，其中a、b、c、d分別為同向順排管束、同向錯(cuò)排管束、反向錯(cuò)排管束及反向順排管束排列。具體尺寸見表1。

表1　螺旋管束的結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）

1.2網(wǎng)格劃分

利用Gambit建模，采用TGrid和Hex劃分網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格是流動控制方程數(shù)值離散的基礎(chǔ)，它決定了數(shù)值模擬解法的最后結(jié)果的精度，本文中四個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)目分別為：692832、711664、742824、747159個(gè)。

1.3物性參數(shù)及邊界條件

模擬過程中煙氣的物性參數(shù)選取的是100℃煙溫下的物性參數(shù)，煙氣密度為=0.95kg/m3，粘度=20.388×10-6，煙氣中入口速度為7m/s。螺旋翅片管換熱器入口選用速度入口，出口采用壓力出口，壁面采用無滑移。

1.4差分格式及算法

煙氣在換熱器里流動屬于氣固兩相流動，故采用離散相模型?；谟?jì)算資源的考慮，翅片管換熱器的湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)模型。螺旋翅片管換熱器沒有強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流但屬于復(fù)雜流場，所以選擇二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行控制方程的離散處理，且在流動區(qū)域沒有高渦流數(shù)，高速旋轉(zhuǎn)流動，所以采用標(biāo)準(zhǔn)的壓力插補(bǔ)格式，并用SIMPLE算法進(jìn)行求解。

2　模擬結(jié)果及分析

2.1螺旋翅片管的流場分布

圖2為同列相鄰翅片管中心截面上的速度矢量圖。

從圖2中可以看出，反向螺旋翅片管在同列相鄰翅片管間速度矢量的變化更為明顯，且后排翅片管受前排流場的干擾更大。另外從前排翅片間流過的氣流由于存在軸向方向的分速度，當(dāng)它進(jìn)入下一排管束時(shí)與翅片間存在一定的角度，因此對翅片起到一定的吹掃作用，具備自動淸灰的能力。通過對圖2a、4b的對比可以看出同向螺旋管的氣流擾動相對較弱，顆粒更容易在同向螺旋管束上沉積。

由于管束排列方式的不同會影響管束間煙氣流場的分布，有的排列方式使得管束的某些區(qū)域流場分布穩(wěn)定而在有的區(qū)域氣流的擾動很大，對于擾動大的區(qū)域煙氣顆粒不容易沉積，相反在擾動小的區(qū)域煙氣顆粒容易沉積，積灰也較明顯。圖3為同向順排和錯(cuò)排管束的速度矢量圖。

從圖3中可以看出，在順排管束中兩列管束之間速度方向變化不大，最小截面處速度最大，在管束背風(fēng)面有湍流的出現(xiàn)，在背風(fēng)面主流區(qū)附近速度場比較穩(wěn)定，且速度小，靠近湍流區(qū)域，因此當(dāng)顆粒流經(jīng)該區(qū)域時(shí)容易受到湍流影響，使得煙氣顆粒在背風(fēng)區(qū)沉積。對于錯(cuò)排管束煙氣流動方向變化大，因此煙氣在錯(cuò)排管間的擾動很大，使得灰粒不容易沉積，但是錯(cuò)排管束背風(fēng)區(qū)同樣有湍流的產(chǎn)生，因此當(dāng)顆粒進(jìn)入管束背風(fēng)區(qū)域也容易受到湍流的影響而沉積下來。

2.2螺旋翅片管壓力分布

在螺旋翅片管換熱器中，翅片管的排列組合方式不同，其壓力分布也不同。在螺旋翅片管換熱器中，造成壓降的原因有：翅片間的氣流擾動造成的摩擦損失，氣流的擾動越大，氣流與翅片的摩擦損失越大，換熱器的壓降也越大；另外在換熱管的背風(fēng)區(qū)，由于渦流造成的能量耗散也是造成壓力下降的一個(gè)原因，當(dāng)湍流耗散越大，壓降也越大。但增強(qiáng)氣流的擾動有助于增強(qiáng)傳熱效果，所以在換熱器中傳熱和壓降的關(guān)系因綜合考慮。圖4反映了四種排列方式中的壓力分布特點(diǎn)。

從圖4中可以看出，煙氣每流經(jīng)一排管束后靜壓都會減小，在流通截面較小的區(qū)域靜壓轉(zhuǎn)化成動壓，壓力變小，當(dāng)截面變大后靜壓也隨之變大，由于湍流和摩擦損失導(dǎo)致的機(jī)械能損失，使得到最后煙氣流過換熱器時(shí)壓力變小。另外，錯(cuò)排管束的壓差變化比順排管束大，同向螺旋管的壓差損失比反向螺旋管的壓差損失小，這也從側(cè)面反映出反向螺旋翅片管換熱器中的氣流擾動和湍流強(qiáng)度更大。

2.3顆粒相結(jié)果分析

在螺旋翅片管換熱器內(nèi)，顆粒的運(yùn)動軌跡時(shí)相當(dāng)復(fù)雜的，當(dāng)煙氣物理性質(zhì)和流速一定的情況下，不僅與螺旋翅片管的組合方式和管束的排列方式有關(guān)，還與顆粒直徑有關(guān)。因此需要設(shè)定不同直徑的粒子流在換熱器中的流動，以及同一直徑的粒子流在不同換熱器中的運(yùn)動軌跡。對于相同的流場中即考慮粒子直徑對運(yùn)動軌跡的影響時(shí)，選用三組不同直徑的粒子；對于不同的流場，考慮翅片管換熱器中排列管束對粒子運(yùn)動軌跡的影響時(shí)選用一組粒子直徑。

從圖5可以看出，顆粒通過換熱器的時(shí)間隨顆粒直徑的增大而增大，當(dāng)顆粒直徑較小時(shí)顆粒受流場的干擾較大，翅片管間主流區(qū)域的顆粒隨煙氣直接流過換熱器，對于靠近翅片管背風(fēng)區(qū)湍流區(qū)域的顆粒受湍流影響將改變顆粒的運(yùn)動軌跡。所以粒徑較小的顆粒受到背風(fēng)面湍流的影響越大，也越容易在背風(fēng)面沉積。

3　結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法分析了螺旋翅片管換熱器內(nèi)的氣固兩相流動，通過數(shù)值模擬得出以下結(jié)論：（1）螺旋翅片管換熱器中，相鄰螺旋翅片管間的流動有相互的影響，增強(qiáng)了換熱器中煙氣的擾動，因此煙氣顆粒在翅片和管上沉積下來的幾率降低，螺旋翅片管上翅片的導(dǎo)流作用，而使煙氣產(chǎn)生的軸向分速度也可達(dá)到自動淸灰的效果；（2）錯(cuò)排管束的壓差變化比順排管束大，同向螺旋管的壓差損失比反向螺旋管小，反向螺旋翅片管中的氣流擾動和湍流強(qiáng)度更大；（3）煙氣顆粒在換熱器中的停留時(shí)間隨著顆粒粒徑的增大而增大，在翅片管背風(fēng)區(qū)，受湍流影響的顆粒中小直徑的越容易沉積下來；（4）煙氣顆粒在錯(cuò)排管束中停留時(shí)間比在順排管束中要長，但錯(cuò)排管束中氣相擾動更強(qiáng)烈；（5）煙氣在反向螺旋管束中停留時(shí)間比在同向螺旋管束中要短，且反向螺旋管束中氣相擾動更強(qiáng)烈，因此采用反向螺旋翅片管換熱器可以降低顆粒沉積的可能性。

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