鄭志敏，張銀森，汪 洋，李鵬鵬，顧明言

橢圓形換熱單管積灰特性的數(shù)值模擬研究*

鄭志敏?，張銀森，汪 洋，李鵬鵬，顧明言

（安徽工業(yè)大學 能源與環(huán)境學院，安徽 馬鞍山 243002）

橢圓形換熱管作為一種強化換熱元件，在抗積灰性能方面具有一定優(yōu)勢。本文基于ANSYS FLUENT軟件平臺建立了一套模擬程序，針對橢圓形換熱單管的積灰特性展開了數(shù)值模擬研究。重點研究了換熱管的橢圓度、煙氣流速以及飛灰顆粒粒徑對飛灰沉積特性的影響。研究表明，當換熱管的橢圓度在1～2之間變化時，5～100 μm粒徑的顆粒沉積率最小值大體分布在1.2～1.6之間；煙氣流速在1.14～9 m/s變化時，粒徑30 μm以上顆粒的撞擊率增大，但黏附率下降，最終沉積率呈下降趨勢；隨著顆粒直徑的增大，顆粒的撞擊率增大，但其黏附率下降，而其沉積率先增大后降低，煙氣流速在3～9 m/s變化時，顆粒沉積率的峰值出現(xiàn)在粒徑為20～30 μm之間。

橢圓管；離散相模型，積灰特性；沉積模型

0 前 言

鍋爐換熱器的積灰問題一直困擾著鍋爐的運行[1]。換熱器的積灰不僅增加傳熱熱阻，而且?guī)砀g問題，并增大煙道的流通阻力[2]。嚴重的積灰甚至會阻塞煙道，造成鍋爐停爐事故。因此，非常有必要加強對換熱器積灰問題的研究。然而，積灰的形成機理十分復雜，影響積灰的因素也是多方面的，如煤質(zhì)、操作條件、換熱管的形狀和管束的布置方式等因素[3]。因此，如何有效減少鍋爐換熱器的積灰問題至今仍存在諸多困難和挑戰(zhàn)。

近些年，橢圓形換熱管作為一種強化換熱元件日益受到人們的重視[4-5]。與常規(guī)圓管換熱器相比，橢圓管換熱器結(jié)構(gòu)更為緊湊，可以有效減小換熱器整體體積，并具有更低的流通阻力和更高的傳熱效率。目前，關(guān)于橢圓形換熱器的研究，主要集中在傳熱和流通性能方面[6-8]，而對其積灰特性的研究比較少。WALMSLEY 等[9]研究了10種換熱管的形式對積灰特性的影響，結(jié)果表明橢圓管在抗積灰方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。WANG等[10]采用格子玻爾茲曼方法對橢圓形單管的積灰特性進行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，橢圓管的積灰量要明顯小于圓管，而且隨著橢圓度的增大，積灰量減少。HAN等[11]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，橢圓管尾部渦流區(qū)相對圓管較為狹窄，因此飛灰顆粒進入尾渦區(qū)流量減少，飛灰沉積率大大減少。BOURIS等[12]研究表明，相比圓管管束，橢圓管束的沉積率和壓降分別下降73%和81%。葉俠豐等[13]對比了圓形管束和橢圓形管束的積灰情況，通過分析流體在換熱管附近的低速回流區(qū)的大小來研究管束的積灰特性，結(jié)果表明，橢圓管束的積灰量明顯小于圓管束。由此可見，除了在傳熱和減阻力方面外，橢圓形換熱管在抗積灰方面也有明顯作用。但目前的研究較少關(guān)注橢圓管的結(jié)構(gòu)和尺寸對飛灰顆粒沉積特性的影響。因此非常有必要進一步開展相關(guān)方面的研究，以此加強對橢圓管抗積灰性能的認識。

本文利用計算流體力學（computational fluid dynamics, CFD）商業(yè)軟件FLUENT對含灰煙氣外掠橢圓形換熱管的積灰特性進行研究，考察了換熱管的橢圓度、煙氣流速和顆粒尺寸對飛灰顆粒的沉積特性的影響。該研究可為新型橢圓管換熱器的設計和優(yōu)化提供借鑒。

1 計算模型和方法

1.1 離散相模型

FLUENT軟件自帶的離散相模型采用歐拉?拉格朗日法的計算思路，以歐拉法來計算流場中的流體相（主相），以拉格朗日法來計算顆粒相（離散相）。流體中的粒子離散成的一個個粒子，先計算連續(xù)相流場，再結(jié)合流場變量對每連續(xù)相流場中每個顆粒進行受力分析，獲得顆粒的速度，從而求得每一個顆粒的軌跡。

在不考慮顆粒間的碰撞和旋轉(zhuǎn)的情況下，認為顆粒主要受曳力、重力和附加力的作用。因此，單個顆粒的運動方程可以寫為：

在本文的模擬中，只考慮顆粒的曳力、重力、和熱泳力的影響，忽略其他附加力的影響。

1.2 沉積模型

圖1 顆粒撞擊換熱管時的受力分析簡圖

范德華力可以表示為：

顆粒所受到的重力可以表示為：

2 物理模型和計算驗證

2.1 模型和計算方法

2.1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

采用的二維計算模型如圖2所示。計算域的長和寬分別為2 000 mm和400 mm。含灰煙氣從左側(cè)進入，從右側(cè)出去。換熱管位于計算域的中心。計算區(qū)域的邊界條件如下：入口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，換熱管壁面采用壁面邊界條件，上下邊界采用對稱邊界條件。其中入口的煙氣溫度為873 K，換熱管壁溫為723 K。

圖2 物理模型的示意圖

顆粒從左側(cè)以面源的方式噴入計算域中，并設定顆粒入口速度與氣相速度相同。顆粒與管束碰撞表面設為反彈邊界條件。顆粒的密度為1 692 kg/m3，顆粒的導熱系數(shù)為0.5 W/(m?K)。

采用前處理軟件Gambit6.3.2對物理模型進行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的三角形網(wǎng)格。為保證計算精度，采用Gambit自帶的Size Function對換熱管附近的網(wǎng)格進行加密處理。部分網(wǎng)格劃分的示意圖，如圖3所示。

圖3 部分網(wǎng)格劃分的示意圖

2.1.2 計算方法

基于穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法，采用SIMPLEC算法對連續(xù)相的壓力和速度進行耦合，選擇二階迎風格式對能量控制方程、動量方程和-方程中的對流項進行了離散化?？紤]到低雷諾數(shù)的影響，湍流模型選擇可實現(xiàn)-模型，壁面采用非平壁函數(shù)。輻射模型采用P-1輻射傳熱模型。在離散型模型中，考慮了離散型和連續(xù)相之間的相互影響，進行了雙向耦合計算。通過使用隨機軌道模型，考慮湍流擴散對顆粒的運動軌跡的影響。

具體的模擬流程如圖4所示，首先對連續(xù)相流場進行求解，達到完全收斂條件后，投入顆粒，然后耦合求解，直到完全收斂，最后加載用戶自定義函數(shù)來計算撞擊量和沉積量，并將結(jié)果輸出。

圖4 顆粒沉積計算流程

2.1.3 相關(guān)參數(shù)的定義

含灰煙氣外掠換熱管的示意圖如圖5所示。其中換熱管的橢圓度定義為換熱管的長軸與短軸的比值，即/。當含灰煙氣外掠橢圓形換熱管時，飛灰顆粒隨煙氣一起運動，在換熱管附近煙氣的運動會受換熱管的影響而發(fā)生改變，運動慣性較小的顆粒會隨煙氣一起流動而遠離換熱管，而運動慣性較大的顆粒會與換熱管碰撞，然后反彈或黏附到管壁上。

圖5 含灰煙氣外掠橢圓形換熱管的示意圖

為便于分析和比較，引入撞擊率、黏附率和沉積率這三個重要的參數(shù)，分別定義如下[15]：

2.2 計算驗證

2.2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

換熱管附近的網(wǎng)格質(zhì)量對顆粒的撞擊有顯著影響[16]，因此本文以圓管為例，考察了換熱管的網(wǎng)格數(shù)量對顆粒撞擊率的影響。如表1所示，隨著換熱管上節(jié)點的增加，撞擊率的模擬值與理論值的誤差逐漸減小。當網(wǎng)格尺寸劃分到3.27 × 10?4m以下時，模擬值與理論值之間的誤差維持不變，表明網(wǎng)格進一步細化對模擬結(jié)果影響不大。因此，將所有算例的換熱管壁面網(wǎng)格尺寸均劃分為3.27 × 10?4m。

表1 不同網(wǎng)格節(jié)點下撞擊率模擬值和理論值對比

2.2.2 顆粒撞擊率驗證

顆粒的運動軌道直接影響到顆粒的撞擊率?？赏ㄟ^比較數(shù)值模擬獲得的撞擊率與理論計算的撞擊率來驗證顆粒軌道的可靠性。

顆粒的有效斯托克斯數(shù)定義如下[16]：

顆粒的理論撞擊率表達式如下[16]：

式中：取0.125；取1.25；c取0.014；取5.08 × 10?5。

表2 顆粒的撞擊率的模擬計算值與理論計算值的對比

顆粒撞擊率的模擬計算值與理論計算值的對比結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，隨著顆粒直徑的增大，顆粒在換熱管表面的撞擊率在增大，而撞擊率模擬值與理論值的誤差逐漸減小，而且誤差在允許范圍內(nèi)，這說明數(shù)值模擬顆粒在換熱管上的撞擊量是合理的。

2.2.3 飛灰沉積率驗證

為了進一步驗證本文計算模型的可靠性，首先對含灰氣流橫掠單圓管的飛灰沉積特性進行了數(shù)值模擬，并與前期的實驗結(jié)果進行了對比和驗證。所用的試驗臺示意圖如圖6所示。該試驗臺主要由主體加熱爐、配氣系統(tǒng)、給料系統(tǒng)、沉積灰采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和煙塵處理系統(tǒng)組成。在某個工況下，通過一個可控溫的沉積探針在一定的時間內(nèi)采集一定量的沉積灰，從而獲得該時間段內(nèi)飛灰的平均沉積效率。關(guān)于試驗的具體細節(jié)見文獻[17]。表3為模擬計算的沉積效率與實驗獲得的平均沉積效率的對比結(jié)果。從表中可知，計算結(jié)果與實驗結(jié)果趨勢較一致，且誤差在10%以內(nèi)。

表3 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

圖6 熱態(tài)飛灰沉積試驗裝置系統(tǒng)圖

3 結(jié)果與討論

3.1 換熱管橢圓度的影響

對短軸為40 mm，橢圓度分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0的橢圓管進行數(shù)值模擬，研究了不同橢圓度對不同飛灰顆粒的撞擊率、黏附率和沉積率的影響，結(jié)果如圖7所示。此時，入口煙氣速度為5 m/s，顆粒粒徑范圍為5～100 μm。

從圖7a中可以看出，隨橢圓度的增大，10 μm以下顆粒的撞擊率并沒有顯著的變化，但10 μm以上顆粒的撞擊率總體上均呈現(xiàn)下降的趨勢，而且隨著顆粒直徑的增大，這種下降的趨勢更加明顯。從圖7b中可以發(fā)現(xiàn)，對于直徑為5 μm和100 μm的顆粒，隨著橢圓度的增大，其黏附率幾乎沒有變化，而對10～70 μm的顆粒，其黏附率受換熱管橢圓度的影響比較明顯，并隨橢圓度的增大呈現(xiàn)微小波動的趨勢。不同橢圓度下不同顆粒的沉積率如圖7c所示。從圖中可以看出，隨著換熱管橢圓度的增大，不同直徑的顆粒的沉積率所呈現(xiàn)的規(guī)律并不一致。對于5 μm和100 μm的顆粒，橢圓度的變化對其沉積率的影響并不明顯。而對于20～70 μm的顆粒，隨著橢圓度的增大，顆粒的沉積率呈現(xiàn)不同的規(guī)律。對于50 μm顆粒，其沉積率的變化曲線呈現(xiàn)W形，而其他顆粒的變化曲線大體上呈現(xiàn)V形。另外，最小的沉積率對應的橢圓度大體分布在1.2～1.6之間。

圖7 不同橢圓度下的模擬結(jié)果：（a）撞擊率；（b）黏附率；（c）沉積率

圖8為顆粒在不同橢圓度換熱管上的撞擊位置分布圖。其中顆粒的撞擊位置以圖5中所示的角度表示。從圖中可以看出顆粒發(fā)生碰撞的位置主要集中在換熱管的迎風面，并且迎風面上最大的撞擊量位于撞擊角度為180°處，即迎風面中心處。背風面的撞擊量遠小于迎風面，這是由于顆粒撞擊主要由慣性碰撞主導[18]。進一步觀察可知，隨著橢圓度的增大，兩側(cè)的撞擊量在不斷減小。

圖8 不同橢圓度下的顆粒撞擊位置分布圖

圖9 顆粒撞擊換熱管的過程分析圖

為直觀地給出橢圓度對換熱管表面附近流體運動的影響，給出了相同入口煙氣速度下不同橢圓度換熱管附近流體的速度場云圖，如圖10所示。隨著橢圓度逐漸增大，換熱管兩側(cè)的高速區(qū)域也隨之增大，這意味著更多顆?？赡軙粺煔鈳ё遊19]。另外發(fā)現(xiàn)，換熱管尾部的尾跡越來越狹小，將降低小顆粒被卷吸進渦流區(qū)的可能性，進一步降低了顆粒在換熱管背面的沉積率[18]。

圖10 不同橢圓度下?lián)Q熱管附近流體的速度云圖

3.2 煙氣流速的影響

以橢圓度為1.4的橢圓換熱管為例，考察煙氣速度對不同顆粒的撞擊率、黏附率和沉積率的影響，模擬結(jié)果如圖11所示。從圖11a中發(fā)現(xiàn)，對于小粒徑顆粒（5～10 μm），煙氣流速在1.14～9 m/s變化時，顆粒的撞擊率并沒有明顯增大，但對于30 μm以上顆粒，隨著煙氣流速的增大，顆粒的撞擊率明顯增大。這是由于小顆粒受煙氣曳力的影響比較大，不易撞擊到換熱管表面，而大顆粒受慣性力的作用相對比較大，因此煙氣流速增大有助于增大顆粒的撞擊率。從顆粒撞擊率的理論計算表達式中也可以得出相同的結(jié)論。

圖11 顆粒在不同煙氣流速下的模擬結(jié)果：（a）撞擊率；（b）黏附率；（c）沉積率

從圖11b中可以發(fā)現(xiàn)，5 μm粒徑顆粒的黏附率為100%，并不受煙氣流速的影響。而對于10～150 μm粒徑范圍內(nèi)的顆粒，隨著煙氣流速的增大，在1～5 m/s的煙氣流速下顆粒的黏附率急劇下降，在5～9 m/s的煙氣流速下變化趨勢緩慢，整體呈下降趨勢。圖11c表明，對于5 μm的顆粒，隨著煙氣流速的增大，顆粒的沉積率變化不大；對10 μm和 20 μm 顆粒，沉積率呈先增大后減小的趨勢。

對于30～150 μm的顆粒，隨著煙氣流速的增大，顆粒的沉積率呈明顯下降趨勢。由此可見，煙氣流速對顆粒沉積特性的影響與顆粒的直徑有很大關(guān)系。對于30 μm以上的大顆粒，隨著煙氣流速的增大，顆粒的撞擊率增大，但黏附率下降，最終沉積率呈下降趨勢。

3.3 顆粒粒徑的影響

以橢圓度為1.4的橢圓換熱管為例，進一步考察了不同直徑的顆粒在不同速度下的撞擊率、黏附率和沉積率，結(jié)果如圖12所示。從圖12a中可以發(fā)現(xiàn)，在粒徑5～150 μm范圍內(nèi)，隨著顆粒粒徑的增大，顆粒的撞擊率不斷增大。5 μm顆粒的撞擊率趨于0，150 μm顆粒的撞擊率接近100%。這是由于小顆粒受氣體曳力的影響比較大，不容易撞擊到換熱管[20]，而大顆粒慣性力比較大，容易撞擊到換熱管上。從圖12b可以看出，隨著顆粒粒徑的增大，顆粒的黏附率急劇下降。由前面沉積模型的表達式可知，顆粒的法向反彈力與顆粒直徑的平方成正比。這意味著顆粒直徑越大，顆粒的法向反彈力越大，顆粒越容易反彈。圖12c表明，在煙氣流速為1.14～9 m/s范圍內(nèi)，隨著顆粒直徑的增大，5～150 μm顆粒的沉積率均呈先增大后減小的趨勢。在煙氣流速為3～9 m/s范圍內(nèi)，顆粒沉積率的峰值出現(xiàn)在粒徑為20～30 μm之間。

圖12 在不同顆粒直徑下的模擬結(jié)果：（a）撞擊率；（b）黏附率；（c）沉積率

圖13是橢圓度為1.4、煙氣流速為5 m/s條件下，不同粒徑顆粒的運動軌跡圖。從圖中可以看出，隨著顆粒粒徑的增大，撞擊換熱管的顆粒數(shù)量明顯增加。這與前面的模擬結(jié)果保持一致。小顆粒氣流的跟隨性比較好，而大顆粒由于慣性力作用容易撞擊到換熱管上。

圖13 不同粒徑顆粒的運動軌跡圖

4 結(jié) 論

基于ANSYS FLUENT平臺，采用用戶自定義函數(shù)編寫相應代碼，運用數(shù)值模擬的方法對含灰煙氣外掠橢圓形換熱管的沉積特性進行研究，分別考察了換熱管橢圓度、煙氣流速以及顆粒粒徑三種因素對顆粒的碰撞率、黏附率和沉積率的影響，得到如下結(jié)論：

（1）在5 m/s煙氣流速下，對于5 μm和100 μm的顆粒，橢圓度的變化對顆粒的沉積率影響不明顯，對于20～70 μm的顆粒，隨著橢圓度的增大，顆粒的沉積率呈現(xiàn)不同的規(guī)律，但沉積率的最小值大體分布在橢圓度為1.2～1.6之間；

（2）當煙氣流速在1.14～9 m/s變化，對于30 μm以下的顆粒，其沉積特性的變化規(guī)律并不一致，但對30 μm以上的顆粒，隨著煙氣流速的增大，顆粒的撞擊率增大，但黏附率下降，最終沉積率呈下降趨勢；

（3）當換熱管的橢圓度為1.4，煙氣流速控制在1.14～9 m/s變化時，隨著顆粒直徑的增大，顆粒的撞擊率增大，黏附率下降，沉積率總體上呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，而且當煙氣流速大于3 m/s時，顆粒沉積率的峰值出現(xiàn)在粒徑為20～30 μm 之間。

[1] 陳自勇, 程旻, 廖強, 等. 燃煤鍋爐煙氣側(cè)換熱表面的積灰機制及影響因素[J]. 中國電機工程學報, 2019, 39(5): 1349-1365. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.180430.

[2] 何雅玲, 湯松臻, 王飛龍, 等. 中低溫煙氣換熱器氣側(cè)積灰、磨損及腐蝕的研究[J]. 科學通報, 2016, 61(17): 1858-1876. DOI: 10.1360/N972016-00248.

[3] 岑可法, 樊健人, 池作和, 等. 鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理與計算[M]. 北京: 科學出版社, 1994.

[4] HARRIS D K, GOLDSCHMIDT V W. Measurements of the overall heat transfer from combustion gases confined within elliptical tube heat exchangers[J]. Experimental thermal and fluid science, 2002, 26(1): 33-37. DOI: 10.1016/S0894-1777(02)00105-X.

[5] LI X Z, ZHU D S, YIN Y D, et al. Experimental study on Heat transfer and pressure drop of twisted oval tube bundlein cross flow[J]. Experimental thermal and fluid science, 2018,99: 251-258. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2018.07.030.

[6] 齊守良, 李慶領(lǐng). 橫掠橢圓管的換熱及流動特性分析[J]. 青島科技大學學報, 2003, 27(S1): 74-77. DOI: 10.3969/j.issn.1672-6987.2003.z1.024.

[7] 梁才航, 楊永旺, 黃斯珉. 繞橢圓柱管束的流動與傳熱特性[J]. 科學技術(shù)與工程, 2013, 13(13): 3592-3597.DOI: 10.3969/j.issn.1671-1815.2013.13.014.

[8] MATOS R S, VARGAS J V C, LAURSEN T A, et al. Optimization study and heat transfer comparison of staggered circular and elliptic tubes in forced convection[J]. International journal of heat and mass transfer, 2001, 44(20): 3953-3961. DOI: 10.1016/S0017-9310(01)00006-0.

[9] WALMSLEY T G, WALMSLEY M R W, ATKINS M J, et al. Numerical performance comparison of different tube cross–sections for heat recovery from particle-laden exhaust gas streams[J]. Procedia engineering, 2012, 42: 1351-1364. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.07.527.

[10] WANG N H, GUO J F, GU M Z, et al. Simulation of particle deposition on the tube in ash-laden flow using the lattice Boltzmann method[J]. International communications in heat and mass transfer, 2016, 79: 31-38. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2016.10.012.

[11] HAN H, HE Y L, TAO W Q, et al. A parameter study of tube bundle heat exchangers for fouling rate reduction[J]. International journal of heat and mass transfer, 2014, 72(5): 210-221. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.01.010.

[12] BOURIS D, PAPADAKIS G, BERGELES G. Numerical evaluation of alternate tube configurations for particle deposition rate reduction in heat exchanger tube bundles[J]. International journal of heat and fluid flow, 2001, 22(5): 525-536. DOI: 10.1016/S0142-727X(01)00110-2.

[13] 葉俠豐, 丁紅蕾, 潘衛(wèi)國, 等. 圓管束與橢圓管束換熱、磨損及積灰特性的數(shù)值研究[J]. 中國電機工程學報, 2018, 38(11): 3289-3294. DOI: 10.13334/j.0258-8013. pcsee.171074.

[14] WAC?AWIAK K, KALISZ S. A practical numerical approach for prediction of particulate fouling in PC boilers[J]. Fuel, 2012, 97: 38-48. DOI: 10.1016/j.fuel. 2012.02.007.

[15] WEBER R, SCHAFFEL-MANCINI N, MANCINI M, et al. Fly ash deposition modelling: requirements for accurate predictions of particle impaction on tubes using RANS-based computational fluid dynamics[J]. Fuel, 2013, 108: 586-596. DOI: 10.1016/j.fuel.2012.11.006.

[16] ISRAEL R, ROSNER D E. Use of a generalized Stokes number to determine the aerodynamic capture efficiency of non-Stokesian particles from a compressible gas flow[J]. Aerosol science and technology, 1982, 2(1): 45-51. DOI: 10.1080/02786828308958612.

[17] 鄭志敏. CFB富氧燃燒下飛灰沉積的試驗和數(shù)值模擬研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2015. DOI: 10.7666/d.D01102710.

[18] 陳衡, 王云剛, 趙欽新, 等. 燃煤鍋爐低溫受熱面積灰特性實驗研究[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(S1): 118-124. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.S.016.

[19] 英鵬. 煉化廢液焚燒飛灰粒子沉積與分布特征研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2015.

[20] 穆林, 趙亮, 尹洪超. 廢液焚燒余熱鍋爐內(nèi)氣固兩相流動與飛灰沉積的數(shù)值模擬[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(29): 30-37. DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee. 2012.29.013.

Numerical Simulation Study on Ash Deposition Characteristics of a Single Elliptical Heat Exchanger Tube

ZHENG Zhi-min, ZHANG Yin-sen, WANG Yang, LI Peng-peng, GU Ming-yan

(School of Energy and Environment, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, Anhui, China)

As an enhanced heat transfer element, elliptical heat exchanger tubes have certain advantages in terms of preventing ash deposition issues. In this paper, a simulation program based on ANSYS FLUENT software platform was established to investigate the ash deposition characteristics of an elliptical heat exchanger single tube. The effects of the ellipticity of the heat exchanger tube, the flue gas flow rate, and the particle size of fly ash on ash deposition were studied. The study showed that when the ellipticity of the heat exchanger tube varied between 1 and 2, the minimum values of deposition efficiency of 5-100 μm particles were roughly distributed between 1.2 and 1.6; as the flue gas flow rate varied from 1.14 m/s to 9 m/s, for particles above 30 μm, the particle impact efficiency increased, but the adhesion efficiency decreased, and the final deposition efficiency showed a decreasing trend; as the particle diameter increased, the particle impact efficiency increased, but its adhesion efficiency decreased, while its deposition efficiency firstly increased and then decreased, and the peaks of the deposition efficiency of particles was between 20 and 30 μm when the flue gas flow rate varied from 3 to 9 m/s.

elliptical tubes; discrete phase models, ash deposition characteristics; deposition models

TK172

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2021.04.001

2095-560X（2021）04-0265-09

2021-04-28

2021-05-26

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFB0601805）

鄭志敏，E-mail：zhengjimi2018@ahut.edu.cn

鄭志敏（1983-），男，博士，講師，主要從事煤和生物質(zhì)鍋爐灰沉積問題的形成和控制機理研究。