大直徑立式廢熱鍋爐殼側(cè)相變的流場分析

安連想 雷 飛 孟繁然

（天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

在全世界提倡環(huán)境保護(hù)的形勢下，具有能量回收能力的產(chǎn)品顯得尤為重要，廢熱鍋爐作為在化工、熱動等領(lǐng)域內(nèi)重要的能量回收設(shè)備，在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。 與輻射式廢熱鍋爐相比，立式火管式廢熱鍋爐具有結(jié)構(gòu)簡單、易清洗及操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，對其結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)成為大多數(shù)行業(yè)專家關(guān)注的焦點(diǎn)。

陳翠柳等采用Fluent軟件中的離散相模型研究了氣固兩相流過程中的顆粒運(yùn)動情況，得出換熱管內(nèi)部粉塵的流速變化較小，且回流區(qū)有顆粒富集［1］；閆丹麗等研究廢熱鍋爐內(nèi)的沸騰相變工況， 用Mixture模型與UDF編程相結(jié)合的方式，分析沸騰過程中相變的質(zhì)量和能量傳遞源相［2，3］；張傳美等采用組分輸運(yùn)方程和Realizable k-ε湍流模型聯(lián)立對廢熱鍋爐受熱面和環(huán)隙內(nèi)合成氣進(jìn)行模擬分析， 得出顆粒質(zhì)量濃度在合成氣入口、上段堵板擋住區(qū)域和各段受熱面底部較大［4］；還有學(xué)者采用有限元理論對廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)和流體做云圖分析和安全評定工作［5～7］。

基于以上研究，筆者針對上管板殼側(cè)易積汽過燒等現(xiàn)象， 在立式廢熱鍋爐殼側(cè)設(shè)計(jì)噴管，并研究噴管不噴水和噴水情況下上管板溫度的變化和上管板附近水氣泡的運(yùn)動分布情況。 用Fluent軟件中的歐拉模型對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場數(shù)值模擬，為噴管結(jié)構(gòu)合理性提供判斷依據(jù)。

1 廢熱鍋爐整體結(jié)構(gòu)

由于廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此采用1/2結(jié)構(gòu)模型（圖1）進(jìn)行分析，主要對廢熱鍋爐的殼程區(qū)域內(nèi)相變傳熱和有無噴管時(shí)上管板溫度的變化過程進(jìn)行模擬計(jì)算，簡化后的計(jì)算流域模型如圖2所示。

圖1 廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)模型

2 模擬參數(shù)設(shè)置

2.1 邊界條件設(shè)定

模擬過程為非穩(wěn)態(tài)工況，殼體外壁溫度設(shè)為絕熱壁面，與液態(tài)水的進(jìn)口溫度保持一致，設(shè)定初始的邊界條件如下： 高溫氣體的入口溫度為600℃，每小時(shí)氣體流量的總焓值為200GJ；高溫氣體的出口溫度為300℃，每小時(shí)氣體流量的總焓值為130GJ。 殼側(cè)5.0MPa飽和水的流量為600t/h，變成飽和蒸汽時(shí)的流量為30t/h。

2.2 控制方程

鑒于沸騰相變過程內(nèi)容較為復(fù)雜，影響因素也很多，并伴隨有大量汽化潛熱，流體介質(zhì)各物理量（如壓力、密度、黏度及導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)）的變化都是瞬態(tài)的。 故采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程與熱平衡關(guān)系式聯(lián)立的方式，得到較為合理的相變過程中各物理量的變化情況。 熱平衡關(guān)系式為：

圖2 簡化的廢熱鍋爐計(jì)算流域模型

式中 I′、I″——進(jìn)、出口氣的焓值，kJ/kg；

Q——產(chǎn)生蒸汽的熱量，kJ/h；

Qin、Qout——進(jìn)、出口氣的熱量，kJ/h；

Vr——?dú)怏w的體積流量，m3/h；

η——廢熱鍋爐熱損失系數(shù)；

φ——廢熱鍋爐殼體的保溫系數(shù)。

2.3 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS ICEM CFD軟件來劃分網(wǎng)格單元， 由于各計(jì)算域的模型不存在復(fù)雜的尖點(diǎn)結(jié)構(gòu)，無需用虛擬拓?fù)涔ぞ邅磉M(jìn)行光滑面處理。 為有效降低計(jì)算量、提升計(jì)算精度，使用SWEEP劃分工具盡量生成六面體網(wǎng)格單元。 各計(jì)算域網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)的分布如圖3所示。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)的分布

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 不同計(jì)算流域溫度分布

在廢熱鍋爐模擬分析中，靠近換熱管的液態(tài)水與換熱管內(nèi)流動的高溫氣體存在溫差，液態(tài)水會不斷吸收換熱管的熱量，受熱后逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，就會發(fā)生沸騰相變，液態(tài)水沸騰相變形成水氣泡，以水蒸氣的形式存在，在拖曳力和浮升力的共同作用下不斷向上移動，并伴隨著相間的熱量傳遞，故在上管板附近的局部區(qū)域聚集大量水氣泡，通常稱之為積汽過燒現(xiàn)象。 為了避免該現(xiàn)象的發(fā)生， 在廢熱鍋爐殼側(cè)設(shè)置噴管結(jié)構(gòu)，殼程噴管在不噴水和噴水狀態(tài)下各計(jì)算域溫度場云圖變化情況如圖4所示。

圖4 不同計(jì)算流域溫度場分布云圖

3.2 上管板的溫度分布

圖5為廢熱鍋爐殼側(cè)噴管不噴水和噴水狀態(tài)下上管板溫度場分布云圖，可以看出，噴水狀態(tài)能夠有效降低額定工況下上管板的溫度。

3.3 殼程氣液相體積占比

為了確定廢熱鍋爐殼側(cè)噴管合理的安裝高度， 需要在相變流場分析的基礎(chǔ)上確定不噴水和噴水狀態(tài)下上管板附近水氣泡的運(yùn)動分布，即氣液相體積占比的分布情況， 以此為大直徑立式火管式廢熱鍋爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖5 上管板溫度場分布云圖

4 結(jié)論

4.1 通過對廢熱鍋爐殼程噴管有、 無噴水狀態(tài)下不同計(jì)算流域溫度的分布云圖進(jìn)行比較的結(jié)果為：噴管噴水時(shí)，各計(jì)算域相同位置處溫度比不噴水時(shí)下降約15～75K。

4.2 為有效緩解氣體對上管板的傳熱現(xiàn)象，一般會在上管板表面設(shè)置澆注料，增強(qiáng)上管板的受熱能力，廢熱鍋爐殼側(cè)設(shè)置噴管結(jié)構(gòu)后，噴水狀態(tài)下上管板相同位置處的溫度比不噴水狀態(tài)下低20～75K。

4.3 為了進(jìn)一步優(yōu)化廢熱鍋爐殼側(cè)的噴管結(jié)構(gòu)（安裝高度），可以通過流場實(shí)驗(yàn)裝置模擬上管板附近水氣泡的運(yùn)動分布規(guī)律，即氣液相體積占比分布。