陳曉慧，劉智勇

（蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

隨著世界范圍的能源危機(jī)日益嚴(yán)重，減少能源的浪費(fèi)成為重中之重，用來(lái)回收工業(yè)廢熱的廢熱鍋爐在占據(jù)減少能源浪費(fèi)中處于舉足輕重的地位。而廢熱鍋爐殼側(cè)的兩相流動(dòng)和傳熱是工業(yè)生活中的常見(jiàn)現(xiàn)象。而由于煙管及其他因素對(duì)含氣率的影響而造成的溫度分布不均勻，設(shè)備損壞等問(wèn)題很常見(jiàn)。

對(duì)于火管式廢熱鍋爐的殼管式換熱器的含氣率的研究，陳斌等人[1]和馬保衛(wèi)等人[2]分別使用單纖光纖探針和電導(dǎo)探針對(duì)管束間含氣率的分布進(jìn)行測(cè)量，得出了含氣率隨不同參數(shù)的變化規(guī)律和水平截面含氣率的計(jì)算式。李維等人[3]在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)測(cè)帶有折流板的管殼式換熱器殼側(cè)氣液兩相流沿水平方向橫掠水平管束截面含氣率的理論模型。劉朝暉[4]等人利用壓差法得到了管束外部流動(dòng)體積平均截面含氣率。國(guó)外學(xué)者分別使用快速開(kāi)啟閥門(mén)法和單射線(xiàn)的γ 密度計(jì)測(cè)量了體積平均含氣率和弦平均含氣率[5～6]。

本次研究對(duì)象是一臺(tái)火管式廢熱鍋爐，液態(tài)水進(jìn)口位于廢熱鍋爐蒸發(fā)器的下部，水蒸氣出口位于廢熱鍋爐蒸發(fā)器上部，水在殼側(cè)以?xún)上嗔鞯哪Ｊ綇南碌缴狭鲃?dòng)，煙氣在煙管內(nèi)從上到下流動(dòng)。使用Gambit 軟件建立廢熱鍋爐蒸發(fā)器的物理模型，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并進(jìn)行前期處理，使用Fluent 軟件對(duì)模型進(jìn)行后期處理和分析計(jì)算。對(duì)其蒸發(fā)器殼側(cè)的氣液兩相流采用沸騰傳質(zhì)模型和Mixture 多相流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得出平均體積分?jǐn)?shù)隨液態(tài)水進(jìn)口溫度，蒸汽出口管徑以及煙管直徑的變化而發(fā)生的變化。

2 研究對(duì)象結(jié)構(gòu)

研究對(duì)象火管式廢熱鍋爐的蒸發(fā)器簡(jiǎn)化模型如圖1 所示，液態(tài)水進(jìn)口位于蒸發(fā)器的下方，管徑為60mm；水蒸氣出口位于蒸發(fā)器的上方，管徑為60mm；煙氣的進(jìn)口管徑為48mm，煙管長(zhǎng)5200mm，煙氣從上到下流動(dòng)；蒸發(fā)器的直徑為900mm。初始時(shí)刻，設(shè)定殼側(cè)的壓力為0.5MPa，溫度為70℃，煙管壁的溫度為300℃。蒸發(fā)器外壁面和上下壁面均為無(wú)滑移絕熱壁面。蒸汽與水的體積分?jǐn)?shù)之和為1。為簡(jiǎn)化計(jì)算，此次模擬計(jì)算截取簡(jiǎn)化模型的四分之一使用。

圖1 蒸發(fā)器簡(jiǎn)化模型

3 Mixture 模型

Mixture 模型是一種簡(jiǎn)化的多相流模型，它使用單流體模擬有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多相流，不同相之間的耦合能力很強(qiáng)。通常用來(lái)模擬計(jì)算有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多相流體運(yùn)動(dòng)，主要用于計(jì)算混合相能量守恒方程，動(dòng)量守恒方程和連續(xù)性方程等。Mixture 模型主要用于旋風(fēng)分離器，低負(fù)載的粒子負(fù)載流和沉降問(wèn)題以及氣泡流其中的分析計(jì)算。在此次模擬計(jì)算中，處于殼側(cè)的液態(tài)水和水蒸氣是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩相流。

4 液態(tài)水進(jìn)口溫度的影響

將換熱煙管的進(jìn)口流速設(shè)定為1m/s，溫度設(shè)定為定值573K。其他條件不變，只改變液態(tài)水的進(jìn)口溫度來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算分析。圖2 中表示的是隨著液態(tài)水進(jìn)口溫度的變化，含氣率和氣液混合相平均溫度的變化。

圖2 含氣率隨液態(tài)水進(jìn)口溫度的變化

由圖2 可知，隨著液態(tài)水進(jìn)口溫度的升高，氣液混合相的平均溫度和含氣率都呈上升趨勢(shì)。原因是：在煙氣通過(guò)換熱煙管給出的熱量不變，換熱煙管的表面積也不變時(shí)，液態(tài)水的進(jìn)口溫度越大，氣液混合相的平均溫度就越高，與煙管表面的溫差越小。同時(shí)液態(tài)水與煙管壁的溫差越小越容易發(fā)生沸騰相變，產(chǎn)生的水蒸氣越多，含氣率也就越多。

5 蒸汽出口管徑的影響

在其他條件保持不變的情況下，將蒸汽的出口管徑設(shè)定為55mm，60mm 和64mm 分別進(jìn)行模擬計(jì)算分析。圖3 表示的是在不同蒸汽出口管徑情況下含氣率隨著時(shí)間的變化。

圖3 含氣率隨不同蒸汽出口管徑的變化

由圖3 可知，不同蒸汽進(jìn)口管徑的含氣率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)是大致相同的，只是在管徑為55mm的時(shí)候，含氣率明顯要比管徑為60mm 和64mm 的時(shí)候要大很多，而且在蒸汽出口管徑為60mm 和蒸汽出口管徑為64mm 時(shí)，含氣率隨著時(shí)間的變化很相似。考慮到水蒸氣會(huì)堆積在水蒸氣出口處，過(guò)多的水蒸氣可能會(huì)造成設(shè)備損壞出現(xiàn)危險(xiǎn)，同時(shí)出于實(shí)際經(jīng)濟(jì)情況和實(shí)際工程操作情況考慮，蒸汽出口管徑取60mm 比較合理。

6 煙管直徑對(duì)含氣率的影響

在其他條件保持不變的時(shí)候，將換熱煙管的直徑分別設(shè)置為44mm，46mm，48mm 和50mm，來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算分析。圖4 表示的是含氣率和傳熱系數(shù)在不同管徑的條件下隨著時(shí)間的變化。

圖4 含氣率隨煙氣直徑的變化

由圖4 可知，傳熱系數(shù)和含氣率都隨著煙管直徑的增大而呈下降趨勢(shì)。原因是：由換熱公式φ=hA(tw-tf)[7]，在換熱的溫差不變并且煙氣傳遞出的熱量不變的情況下，換熱的面積與換熱系數(shù)成反比，所以煙管的直徑越大，即換熱的面積越大，換熱系數(shù)就越小，與此同時(shí)換熱系數(shù)越小，產(chǎn)生的蒸汽就越少，含氣率也就越低。

7 結(jié)論

通過(guò)以上的模擬分析計(jì)算，我們首先得出，液態(tài)水的進(jìn)口溫度的變化和煙管直徑的變化都是通過(guò)影響傳熱系數(shù)進(jìn)而影響含氣率的。在其他條件不變的情況下，含氣率隨液態(tài)水的進(jìn)口溫度的升高而升高；含氣率對(duì)于不同的蒸汽出口管徑隨時(shí)間的變化基本呈上升趨勢(shì)，但是對(duì)于實(shí)際工程而言，含氣率不能太高，當(dāng)過(guò)多的高溫水蒸氣聚集在蒸汽出口管處時(shí)，會(huì)加速設(shè)備的損壞；含氣率隨著煙管直徑的增大而減小，即煙管直徑不宜過(guò)小，含氣率過(guò)高會(huì)引起上積汽過(guò)燒現(xiàn)象[9]，減少設(shè)備壽命，容易發(fā)生危險(xiǎn)。