鐘星立++張波++張斌

摘要： 針對蒸發(fā)冷卻技術(shù)相關(guān)理論模型并未完全成熟的問題，通過計算流體力學方法模擬轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻器的工作過程.仿真采用離散相模型（Discrete Phase Model，DPM），并在分散相液滴上應用蒸發(fā)換熱模型.通過該數(shù)值方法優(yōu)化該干法除塵系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻器的噴淋布置方案，減少壁面的高溫區(qū)域，提高溫度的均勻性，使出口最高溫度偏差由18.6%降低至3.4%.

關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)爐； 蒸發(fā)冷卻器； 離散相模型； 蒸發(fā)換熱模型； 噴淋布置方案； 優(yōu)化

中圖分類號： TF341.1 文獻標志碼： B

0 引 言

蒸發(fā)冷卻器是一種將水冷與空冷、傳熱與傳質(zhì)過程融為一體且兼有兩者之長的高效節(jié)能冷卻設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、投資省、操作費用低，以及安裝和維護方便等優(yōu)點，被廣泛應用于化工、冶金、建筑等領(lǐng)域.該設(shè)備的工作原理是向不飽和氣體噴灑液態(tài)水，通過水與氣體的接觸換熱以及水的蒸發(fā)吸熱迅速降低氣體溫度.

蒸發(fā)冷卻理論的形成可上溯到18世紀道爾頓提出的蒸發(fā)理論.1952年，CHUKLIN提出一種關(guān)于蒸發(fā)式冷卻器管內(nèi)制冷劑冷凝設(shè)計的普遍化方法，并將蒸發(fā)冷卻技術(shù)應用于工業(yè)制冷，蒸發(fā)冷卻器從此正式走向工藝化應用階段.此后，眾多專家學者通過多種組合實驗總結(jié)出一系列傳熱膜系數(shù)的經(jīng)驗公式，初步完善蒸發(fā)冷卻器的工程應用參考.[1-2]20世紀80年代以來，對蒸發(fā)冷卻器的強烈需求和計算機應用技術(shù)的飛速發(fā)展，使得蒸發(fā)冷卻理論和模擬研究達到新的高度.WEBB[3]較早推出統(tǒng)一的蒸發(fā)冷卻理論模型，采用不同的相關(guān)系數(shù)區(qū)分水膜的傳熱系數(shù)和通過水膜傳遞給空氣流的傳質(zhì)系數(shù).隨后，包括PASCAL等[4]很多人都提出自己理論模型，但到目前為止，尚沒有一種獲得公認的蒸發(fā)冷卻換熱機理的準確模型.除運用傳熱傳質(zhì)理論來分析蒸發(fā)冷卻過程外，BORIS[5]和QURESHI等[6]從熱力學角度研究蒸發(fā)換熱模型，在系統(tǒng)性能評價上獲得良好的效果，但并沒有從根本上改變目前理論模型難以準確表述傳熱傳質(zhì)過程的窘境.

盡管蒸發(fā)換熱的精確模型還有待更進一步研究，但采用現(xiàn)有模型的相關(guān)模擬已被大量應用，如FOUDA等[7]、QURESHI等[8]和WU等[9]都對蒸發(fā)冷卻器進行數(shù)值仿真研究.然而，目前的研究大部分都集中在空調(diào)制冷方向，對于大型的工業(yè)高溫氣體冷卻研究較少.本文針對目前鋼鐵冶金領(lǐng)域廣泛應用的轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵系統(tǒng)中的蒸發(fā)冷卻器進行仿真分析，并對該系統(tǒng)特有的流場結(jié)構(gòu)下的噴淋布置方案進行優(yōu)化.

1 數(shù)值方法

轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵系統(tǒng)是指在轉(zhuǎn)爐鋼水吹煉過程中，煙氣由活動煙罩捕集并經(jīng)余熱鍋爐冷卻至1 273 K左右的轉(zhuǎn)爐煤氣，首先進入蒸發(fā)冷卻器降溫、調(diào)質(zhì)和粗除塵，溫度降至473 K左右后，進入靜電除塵器進行精除塵；經(jīng)過精除塵后的煤氣，根據(jù)其品質(zhì)及生產(chǎn)狀況回收或放散.[10]在該系統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻器中，高壓液態(tài)水經(jīng)設(shè)備入口附近的噴槍噴灑到高溫氣體中，高壓作用下的液態(tài)水在噴口形成霧化液滴.此過程中液態(tài)水滴所占體積很小，故可僅考慮氣相對液滴的作用，忽略由于液滴體積和運動對氣相造成的能量和動量影響.因此，本文采用離散相模型（Discrete Phase Model，DPM）模擬氣-液兩相流動，并在分散相液滴上應用蒸發(fā)換熱模型，在DPM中選擇霧化器模型.

1.1 連續(xù)相控制方程

1.2 離散相控制方程

1.2.1 離散相運動方程

1.2.2 離散相的傳熱和傳質(zhì)模型

當液滴溫度低于蒸發(fā)溫度時，采用熱平衡方程關(guān)聯(lián)液滴溫度Tp與其表面的對流傳熱[11]，即

1.2.3 兩相間的耦合

在計算液滴運動軌跡的同時，跟蹤計算液滴沿軌道運動的熱量、質(zhì)量和動量的得失，并將這些量作用于隨后的連續(xù)相計算中.交替求解離散相與連續(xù)相的控制方程，直到二者均收斂為止，實現(xiàn)雙向耦合計算.

2 應用算例

2.1 計算模型

以某鋼廠200 t級轉(zhuǎn)爐蒸發(fā)冷卻器為研究對象，其入口直徑為3.825 m；U型段在水平方向上投影長度為7 m，直徑與入口直徑相同；噴槍位于U型段末端，本體直筒高為21 m，直徑為5.224 m.蒸發(fā)冷卻器三維模型及網(wǎng)格劃分示意見圖1.

按照傳統(tǒng)設(shè)計方法，18個噴槍在圓周方向上均勻布置，噴槍之間的角度間隔θ=20°，見圖2，其中：1，2，17和18號噴槍的插入深度為945 mm， 其他噴槍插入深度為600 mm.

噴槍噴管直徑為315 mm，噴嘴直徑為420 mm.噴管工作壓力為0.3 MPa.假設(shè)噴嘴在0.3 MPa壓力條件下冷卻水完全霧化且液滴呈30°實心圓錐體狀噴出，以此作為DPM模型的入口邊界條件.

計算網(wǎng)格采用完全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對噴嘴附近區(qū)域局部加密，網(wǎng)格數(shù)約為120萬個，最小網(wǎng)格尺寸約10 mm，遠小于噴嘴直徑.

由于系統(tǒng)龐大，蒸發(fā)冷卻器被布置在一個180°的管道彎頭后，進入蒸發(fā)冷卻器的氣流受此彎頭影響會明顯向彎管外側(cè)偏斜，傳統(tǒng)噴槍均勻布置方案必然無法達到理想的冷卻效果，因此必須優(yōu)化設(shè)計蒸發(fā)冷卻器上18個噴槍的霧化噴口方案，保證蒸發(fā)冷卻器出口溫度均衡為473±20 K，否則會影響下一步靜電除塵器工作；另外，還要盡量減少蒸發(fā)冷卻器上端壁面的高溫（>573 K）區(qū)域，以減少該區(qū)域耐高溫材料的使用量，降低成本.

2.2 計算工況及邊界條件

入口條件：煤氣流量為105 N·m3/h，溫度為1 273 K，密度為1.362 kg/m3，定壓比熱容為1.518 kJ/（m3·K），導熱系數(shù)為0.022 2 W/（m·K），動力黏度為1.61×10-5 Pa·s.出口為壓力出口邊界條件，表壓為-150 Pa.壁面為無滑移邊界條件.

DPM噴射條件為：（1）水流質(zhì)量入口12.795 18 kg/s，18個噴槍均分該水量；（2）根據(jù)設(shè)備廠家提供的參數(shù)，蒸發(fā)冷卻器中的噴槍噴灑出的平均噴射粒徑為60 μm；（3）液滴溫度為306 K.

2.3 計算結(jié)果及分析

對不噴灑液滴情況下的蒸發(fā)冷卻器流場進行仿真，結(jié)果見圖3.由此可知：蒸發(fā)冷卻器入口前的U型彎管對煤氣的速度分布產(chǎn)生很大影響，導致煤氣流量在蒸發(fā)冷卻器入口截面上分布不均勻，流動在彎管外側(cè)明顯較強而在內(nèi)側(cè)很弱，這就要求在流動較強一側(cè)設(shè)置更大的噴淋量.

通過反復調(diào)整噴槍布置并對比仿真結(jié)果，得到一種優(yōu)化方案，見圖4.圖中編號對應的線條代表噴槍的位置和插入深度（具體數(shù)值見表1）.該優(yōu)化方案的模擬結(jié)果見圖5，噴槍在蒸發(fā)冷卻器右側(cè)密集，使得右側(cè)高溫得到一定緩解，入口下方7 m處壁面最高溫度為562 K，入口下方6 m處壁面最高溫度為595 K，高溫區(qū)域集中在蒸發(fā)冷卻器入口下方7 m的范圍內(nèi).

優(yōu)化前后截面y=-9 m和出口的溫度場比較見圖6和7.優(yōu)化前后截面的溫度及偏差范圍（定義為（（最高溫-最低溫）/最低溫）×100%）見表2.

由圖6和7及表2可以看出：通過仿真優(yōu)化，截面溫度不均勻性得到明顯改善，出口處溫度由優(yōu)化前的473±40 K，縮小至473±9 K范圍以內(nèi)，滿足473±20 K的設(shè)計要求；出口截面左側(cè)溫度高于右側(cè)，說明如果進一步增強右側(cè)的噴淋強度，雖然可以減少蒸發(fā)冷卻器壁面高溫區(qū)域，但出口右側(cè)的溫度可能會過低，甚至有可能導致機械水的產(chǎn)生，不滿足設(shè)計要求.優(yōu)化后其他截面的溫度分布見圖8和9，各截面的最低溫度均超過373 K，因此可以判斷流場不存在機械水.

蒸發(fā)冷卻器中按照溫度渲染的噴淋液滴的流動跡線見圖10.由此可知，噴淋液滴全部蒸發(fā)，沒有碰到內(nèi)壁，不易引起濕壁和積灰結(jié)垢.

3 結(jié) 論

采用DPM對轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻器的工作過程進行模擬，成功將蒸發(fā)換熱模型施加在離散液滴上.通過該數(shù)值方法對某干法除塵系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻器的噴淋布置方案進行優(yōu)化，蒸發(fā)冷卻器出口溫度偏差范圍由原設(shè)計方案的18.6%降低至3.4%，滿足473±20 K設(shè)計要求；同時，蒸發(fā)冷卻器壁面的高溫區(qū)域減小，從而降低制造成本，提高系統(tǒng)的運行性能.

需要指出的是，由于工程尚未投產(chǎn)，缺乏實際生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)，本文采用的數(shù)值計算方法有待進一步確認.待條件成熟，可結(jié)合測試數(shù)據(jù)對該方法進行驗證與優(yōu)化，為未來蒸發(fā)冷卻器的持續(xù)改進與方案創(chuàng)新提供支撐.

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