林宸煜 張光學(xué) 吳林陶 王進(jìn)卿 顧海林 袁定琨

（中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院 浙江杭州 310018）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市用地逐漸緊張，因城市建設(shè)的要求大量工廠遷出城區(qū)，遺留的污染土地往往用做房地產(chǎn)開發(fā)，因而需要將污染土壤進(jìn)行快速修復(fù)，重新恢復(fù)使用［1-2］。土壤污染的主要來源為重金屬污染和有機物污染，目前相關(guān)的治理與修復(fù)技術(shù)主要可分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和聯(lián)合修復(fù)［3］。

熱脫附技術(shù)是1 種常見的物理修復(fù)技術(shù)，其主要原理是通過直接或間接熱交換，將土壤中的污染物加熱到足夠的溫度后，使其從土壤中揮發(fā)或分離，再對尾氣進(jìn)行收集和揮發(fā)，從而實現(xiàn)土壤的修復(fù)作用［4］。根據(jù)加熱方式的不同，主要可分為直接熱脫附和間接熱脫附［5］。

直接熱脫附是將受污染土壤直接與加熱的煙氣接觸，從而達(dá)到熱脫附的效果，該技術(shù)傳熱效率高、成本低，但是其尾氣處理復(fù)雜［6］，且處理周期具有一定的不確定性［7］；間接熱脫附的主要原理是用燃料燃燒生成的高溫?zé)煔?，通入到中心管?nèi)為周圍的土壤進(jìn)行間接換熱，使土壤中的污染組分達(dá)到揮發(fā)或分離的程度，從而實現(xiàn)熱脫附。

土壤間接熱脫附設(shè)備的使用在我國起步較晚，工程應(yīng)用始于杭州某持久性污染場地修復(fù)項目中。該項目使用間接熱脫附設(shè)備處理量達(dá)2 t/h～4 t/h［8］。在國家“863”計劃課題“多氯聯(lián)苯類污染場地修復(fù)技術(shù)設(shè)備研發(fā)與示范”中，于杭州某農(nóng)藥污染場地中使用間接熱脫附設(shè)備處理量為1.2 t/h［9］，大量工程項目結(jié)果［5］表明該方法具有尾氣產(chǎn)量低、環(huán)保清潔的優(yōu)點，然而單臺設(shè)備的處置規(guī)模較小，并且由于土壤是被煙氣間接加熱的，存在換熱效率低、能耗高的問題，所以亟需加強中心管的換熱性能［10-11］。

強化管殼式換熱概念自提出以來，經(jīng)過長時間發(fā)展技術(shù)已較為成熟。強化管殼式換熱主要從增加流體湍流度、擴展受熱面和增大流體流速的角度出發(fā)［12］，其中翅片管式換熱器由于其傳熱能力強、結(jié)構(gòu)簡單、改造靈活等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域中［13-15］。

綜合來看，已有不少關(guān)于翅片管內(nèi)增加肋片結(jié)構(gòu)強化傳熱的數(shù)值模擬研究報道，并且許多結(jié)果均能夠較好地符合實際情況，但其中針對土壤間接熱脫附強化傳熱方面的研究較少。本文采用計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬的方法針對土壤間接熱脫附換熱效率低的問題進(jìn)行研究，對土壤熱脫附中心管不同肋片結(jié)構(gòu)、排布方式以及運行工況進(jìn)行分析，探究最佳肋片結(jié)構(gòu)和運行工況，為土壤間接熱脫附技術(shù)提供更為高效的技術(shù)手段。

1 計算模型

1.1 物理模型

本文所研究的土壤熱脫附仔心管的幾何模型如圖1 所示，主要分為煙氣流道與土壤流道兩部分，中心管的總長度2L=1600 mm，煙氣流道內(nèi)徑d=400 mm，管道總直徑D=900 mm。改變煙氣流道中心管的肋片結(jié)構(gòu)及排布方式來探究肋片對中心管強化傳熱的影響，圖2 為3 種肋片管的基本結(jié)構(gòu)示意圖。分別從肋片數(shù)、肋片夾角及螺旋管螺距等多角度，研究了上述3 種肋片管的換熱性能與阻力系數(shù)的變化情況。

圖2 3 種肋片管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 模擬方法

本文利用Fluent 模擬軟件進(jìn)行模擬，采用Fluent meshing進(jìn)行多面體網(wǎng)格繪制。為保證對壁面處溫度梯度的準(zhǔn)確模擬，在壁面處繪制3 層邊界層。湍流模型選用k-epsilon 模型，為簡化問題不考慮壁面間的輻射傳熱，同時認(rèn)為模擬處于穩(wěn)態(tài)條件，中心管的網(wǎng)格劃分示意如圖3 所示。

圖3 中心管網(wǎng)格劃分示意圖

模型的計算工質(zhì)為土壤與煙氣，兩者采用逆流形式換熱，物性參數(shù)為等效溫度下的常量，中心管與其中的肋片材質(zhì)均為不銹鋼；邊界條件設(shè)置為速度入口與壓力出口，煙氣進(jìn)口為速度進(jìn)口，給定高溫?zé)煔獾臏囟葹? 023 K，改變進(jìn)口的煙氣速度，煙氣的出口壓力設(shè)為Pout=0 Pa；雷諾數(shù)Re 由式（1）求得，進(jìn)口流速在10 m/s～50 m/s，Re 大于10 000 為旺盛湍流，則設(shè)定黏性模型為本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，其中煙氣的具體物性參數(shù)參考文獻(xiàn)［16］，中心管的傳熱及流動必須滿足基本控制方程：能量方程、質(zhì)量守恒方程、動量方程。

式中：D 為煙氣通道的水力直徑，m；uin為煙氣入口流速，m/s；μ為該溫度下的動力黏度，Pa·s。

基于計算流體力學(xué)原理［17］，可得到流體域范圍內(nèi)的溫度、速度與壓力。換熱系數(shù)h、壓降ΔP 的計算公式按式（2）和（3）處理。

式中：Q 為單位時間通過煙氣換熱面的熱量，W；A 為煙氣與土壤換熱面的面積，m2；ΔT 為煙氣進(jìn)出口溫差，℃。

式中：Pin為煙氣入口平均靜壓，Pa；Pout為煙氣出口平均靜壓，Pa。

2 數(shù)值計算及結(jié)果分析

2.1 直肋片管換熱性能分析

通過改變直肋片管的總肋片數(shù)對其換熱性能及流動阻力進(jìn)行分析，直肋片管的結(jié)構(gòu)示意如圖4 所示，其中肋片寬度B=800 mm，肋高H=60 mm，肋厚δ=20 mm，肋片總數(shù)分別為8、12及16。

圖4 直肋片管基本結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)數(shù)值計算后，獲得了直肋片管的壓降和換熱系數(shù)及土壤出口溫度隨煙氣進(jìn)口速度變化的規(guī)律。圖5 為煙氣進(jìn)口速度為10 m/s～50 m/s 時，直肋片管煙氣的進(jìn)出口壓降與光管的對比情況。

圖5 不同肋片數(shù)下直肋片管的壓降隨進(jìn)口速度變化趨勢

由圖5 可知，隨煙氣進(jìn)口速度的增加，光管與直肋片管的壓降均隨之增大，且壓降的變化趨勢隨進(jìn)口速度的增大而升高，直肋片管壓降增加的趨勢較光管更大。這是由于在中心管內(nèi)，壓降主要包含加速壓降與摩擦壓降兩部分，而直肋片管在煙氣流場中增加了肋片，導(dǎo)致其換熱面積較光管更多，產(chǎn)生了較大的摩擦阻力，能量損耗大于光管［18］。

圖6 為直肋片管的換熱性能圖，可以看出，直肋片管的換熱系數(shù)隨煙氣進(jìn)口速度的增大而逐漸增大，呈現(xiàn)均勻升高的趨勢，相較于光管，直肋片管的換熱系數(shù)較大，其中肋片的數(shù)量為16 時的換熱系數(shù)最大。其主要原因為在流場中增加肋片后，煙氣與管道的換熱面積增大，且煙氣管道的流場也因為增加了肋片后加強了其流體擾流的效果，進(jìn)一步提高了整體的換熱效果。

圖6 不同肋片數(shù)下直肋片管的換熱系數(shù)隨進(jìn)口流速變化趨勢

由于本文研究的是污染土壤經(jīng)中心管加熱后，使其內(nèi)部的有機污染物達(dá)到揮發(fā)或分離的溫度，從而實現(xiàn)熱脫附，所以土壤的出口溫度也是一個重要的指標(biāo)［19］。圖7 為直肋片管的土壤出口溫度隨煙氣進(jìn)口速度變化的趨勢圖，由圖7 可見，土壤的出口溫度與煙氣進(jìn)口速度的關(guān)系較小，隨進(jìn)口速度的變化其波動較小，且直肋片管的土壤出口溫度總體較光管更大，光管的土壤出口溫度約為230 ℃，直肋片管的土壤出口溫度約為260 ℃～280 ℃，其中肋片數(shù)為16 時土壤出口的溫度最高，在275 ℃附近波動。

圖7 不同肋片數(shù)下直肋片管的土壤出口溫度隨進(jìn)口流速的變化趨勢

2.2 斜肋片管換熱性能分析

圖8 為斜肋片管的基本結(jié)構(gòu)示意圖，在保持其肋高H 及肋厚δ 不變的情況下，改變其中的肋片傾角α，探究斜肋片管的換熱及流動規(guī)律，肋高H 為20 mm，肋厚δ 為4 mm，傾角α分別為45°、90°及135°。

圖8 斜肋片管基本結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)數(shù)值計算后，獲得了斜肋片管的壓降和換熱系數(shù)及土壤出口溫度隨煙氣進(jìn)口速度變化的規(guī)律。斜肋片管的壓降隨進(jìn)口速度變化關(guān)系見圖9，可以看出，斜肋片管的壓降隨煙氣進(jìn)口速度的變化趨勢與直肋片管大致相同，其中肋片傾角為45°與135°的2 種肋片的壓降變化基本相同，這是由于在流場中增加了微小斜肋片后，盡管其換熱面積增加的較少，然而獨特的肋片結(jié)構(gòu)使得流場中的流體擾動現(xiàn)象十分明顯［20］，增加了煙氣流動阻力，造成了較多的能量損失。

圖9 不同傾角斜肋片管的壓降隨進(jìn)口流速變化趨勢

圖10 為斜肋片管的換熱性能圖，3 種斜肋片管的換熱系數(shù)均隨進(jìn)口速度的增加而升高，且大致趨勢相同，3 種肋片的換熱系數(shù)均比光管大。其中肋片傾角為135°時其換熱系數(shù)最高，相較于光管，其換熱系數(shù)增大了10.6 W/（m2·K）～29.1 W/（m2·K），其主要原因在于增加微小斜肋片后，換熱面積相較于光管有所增加，同時，由于微小斜肋片的存在增加了煙氣流動的阻力，使其換熱更為充分。

圖10 不同傾角斜肋片管的換熱系數(shù)隨進(jìn)口流速變化趨勢

圖11 為斜肋片管的土壤出口溫度曲線圖，由圖可見，斜肋片管土壤出口溫度隨煙氣進(jìn)口速度的變化趨勢較為平坦，與直肋片管的趨勢相似。肋片傾角為135°時其土壤出口溫度總體最高，相較于光管其溫度升高了43 ℃～50 ℃左右，初步分析是由于斜肋片傾角為135°時，其肋片傾角結(jié)構(gòu)與流體流動方向相反，最大程度的增加了流體與壁面的流動阻力，提升了其換熱性能從而使土壤出口溫度增高。

圖11 不同傾角斜肋片管的土壤出口溫度隨進(jìn)口流速變化趨勢

2.3 螺旋凸管換熱性能分析

為增大中心管內(nèi)的換熱性能，本文創(chuàng)新性地提出了1 種新型肋片，其基本結(jié)構(gòu)見圖12，由于具有螺旋型的特殊構(gòu)造，稱之為螺旋凸管，在保持凸肋半徑R 及翅片管直徑d 等參數(shù)不變的情況下，改變其中的螺距P 的長度得到該型號肋片管的換熱性能及流動特性。其中凸肋半徑R 為30 mm，翅片管直徑d 與直肋片管及斜肋片管直徑相同，均為400 mm，改變螺距P 分別為160 mm、200 mm 和250 mm。

圖12 螺旋凸管結(jié)構(gòu)示意圖

3 種不同螺距下的螺旋凸管換熱器的壓降隨煙氣進(jìn)口速度的變化趨勢見圖13，其中螺距為160 mm 與200 mm 的2 種肋片的壓降較高。分析可知，由于煙氣進(jìn)口速度較大，在管內(nèi)處于旺盛湍流狀態(tài)。此時，流體的粘性不斷增加，導(dǎo)致螺旋凸管內(nèi)的煙氣與管壁摩擦力增加，并且螺旋凸管內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)與旋流效應(yīng)更加明顯，導(dǎo)致壓降高于光滑管道。

圖13 不同螺距下螺旋凸管的壓降隨進(jìn)口流速變化趨勢

圖14 為螺旋凸管的換熱性能圖，由圖可見，螺旋凸管的換熱系數(shù)隨煙氣進(jìn)口流速的增大呈線性增加的趨勢，且均比光滑管道的換熱系數(shù)大。這是由于螺旋凸管的特殊結(jié)構(gòu)，使得其中流體與中心管壁面間觸點較多，致使其中的流體在流動過程中產(chǎn)生了垂直于流動方向的二次流，增加了換熱。其中螺距為160 mm 時螺旋凸管的換熱系數(shù)最佳，并且螺距越大換熱性能越差。這是因為在流體的質(zhì)量流量相同時，螺距的增加會使相鄰?fù)构荛g對流體的擾動出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象［21］，即前一段凸管對流體邊界層的作用消失時，后一段凸管對流體邊界層的作用尚未形成，從而導(dǎo)致其換熱系數(shù)降低。

圖14 不同螺距下螺旋凸管的換熱系數(shù)隨進(jìn)口流速變化趨勢

圖15 為螺旋凸管換熱器的土壤出口溫度隨煙氣進(jìn)口速度的變化趨勢圖，與直肋片管及斜肋片管的趨勢相似，螺旋凸管的土壤出口溫度與煙氣進(jìn)口速度的關(guān)系較小，土壤出口溫度均大于光管，并且其中螺距最小的螺旋凸管的土壤出口溫度最高，在同等進(jìn)口流速下較光管升高了48 ℃～56 ℃。

圖15 不同螺距下螺旋凸管的土壤出口溫度隨進(jìn)口流速變化趨勢

3 最佳肋片結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)的分析

為了更直觀地展示土壤熱脫附中心管的強化換熱效果，現(xiàn)將三種肋片中換熱性能最好的肋片結(jié)構(gòu)與光管進(jìn)行比較。如圖16 所示，3 種肋片的整體換熱系數(shù)均高于光管，而其中螺旋凸管的換熱性能較另兩種肋片管更好，當(dāng)煙氣的進(jìn)口流速為50 m/s 時，其換熱系數(shù)能達(dá)到97 W/（m2·K），相較于光管其換熱系數(shù)提升了約140%。

圖16 最優(yōu)肋片結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱系數(shù)隨進(jìn)口流速變化趨勢

圖17 為這3 種肋片結(jié)構(gòu)下土壤經(jīng)中心管后加熱后，出口溫度隨煙氣進(jìn)口速度變化的比較圖。由圖17 可見，經(jīng)螺旋凸管強化傳熱后的土壤出口溫度最高，另2 種肋片管的土壤出口溫度相差較小，說明單純從土壤熱脫附后的出口溫度角度考慮，使用螺旋凸管的效果最好。3 種肋片管的土壤出口溫度隨煙氣進(jìn)口速度增加而變化的趨勢較小，由于3 種肋片管的壓降均隨煙氣進(jìn)口流速的增大而增大，能量損失增多，從經(jīng)濟性角度考慮，使用3 種肋片管時的煙氣進(jìn)口流速不宜過大。

圖17 最優(yōu)肋片結(jié)構(gòu)下土壤出口溫度隨進(jìn)口流速變化趨勢

4 結(jié)論

本文通過建立不同肋片結(jié)構(gòu)的土壤中心管傳熱模型，對土壤熱脫附中心管的肋片結(jié)構(gòu)、排布方式及運行參數(shù)進(jìn)行分析，為增強土壤間接熱脫附技術(shù)提供了有效的手段，并得到以下結(jié)論：

（1）相較于光管，直肋片管、斜肋片管及螺旋凸管隨煙氣進(jìn)口流速的增大壓降逐漸變大，且3 種肋片管的壓降升高趨勢更為明顯。

（2）3 種肋片管強化傳熱的效果較為明顯，隨煙氣進(jìn)口流速的增大其換熱系數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢，其中螺旋凸管的傳熱效果最好，且螺距越小其換熱效果越好，在同等進(jìn)口流速下其換熱系數(shù)提升了約140%，顯著增加了中心管的換熱性能。

（3）土壤經(jīng)3 種肋片管強化傳熱后，出口溫度提升都較為明顯，在不同煙氣進(jìn)口流速螺旋凸管的出口溫度較光管提升了48 ℃～56 ℃，并且土壤出口溫度隨煙氣進(jìn)口流速變化較小，綜合考慮能量損失，應(yīng)選擇煙氣進(jìn)口流速小的運行工況進(jìn)行熱脫附。