具有余熱回收功能的旋風(fēng)分離器性能的數(shù)值分析

戚美，王伯韜，陳慶光，付琪琪

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

旋風(fēng)分離器具有整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)除塵領(lǐng)域.如何優(yōu)化旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)以及改進(jìn)旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)構(gòu)型，提高分離效率，凈化工作環(huán)境等問(wèn)題，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)[1-3].這些研究都是著重于如何提高旋風(fēng)分離器的分離效率，并未考慮對(duì)排出氣體的余熱進(jìn)行回收利用.

在余熱利用研究方面，劉健博[4]設(shè)計(jì)了一種套管換熱式旋風(fēng)分離器，并在換熱壁面處增加球形突起，通過(guò)數(shù)值模擬得出，當(dāng)采用32個(gè)突起的套管，套管內(nèi)水流速為0.1 m/s時(shí)，水的最大溫升可達(dá)6 ℃；WANG等[5]利用冷凝式換熱器和吸收式熱泵從高溫濕煙氣中回收余熱和水，對(duì)冷凝式換熱器的介質(zhì)流速、傳熱系數(shù)等性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明冷卻介質(zhì)流速增加3%～7%，出口水溫提高0.40～0.47 ℃，從煙氣中回收約70 MW的余熱；MA等[6]對(duì)鋼鐵工業(yè)爐渣水-水熱管換熱器的最佳運(yùn)行條件進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱管的傳熱系數(shù)隨著低溫水的流速增加而增大，在高溫水流速較低的情況下，其傳熱系數(shù)相對(duì)較小.

目前關(guān)于余熱利用的研究大部分利用換熱器通過(guò)水循環(huán)實(shí)現(xiàn)，而通過(guò)氣體吸收熱量進(jìn)行余熱回收的研究很少，特別是對(duì)旋風(fēng)分離器同時(shí)進(jìn)行除塵換熱的研究更少.

文中針對(duì)某企業(yè)希望通過(guò)對(duì)旋風(fēng)分離器中含有固體顆粒的廢氣中余熱的回收，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣(尤其在冬季)的加熱，提出一種新型的具有余熱回收功能的旋風(fēng)分離器，即在旋風(fēng)分離器的壁面外側(cè)沿氣流旋轉(zhuǎn)的螺旋方向安裝換熱管，通過(guò)對(duì)無(wú)換熱管和安裝不同直徑換熱管的旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬，研究換熱管直徑對(duì)旋風(fēng)分離器分離效率的影響，在保證旋風(fēng)分離器分離效率的前提下，考察換熱管直徑和進(jìn)氣流速對(duì)氣體換熱效果的影響.文中的研究將在不影響旋風(fēng)分離器分離效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)余熱回收，達(dá)到能源的循環(huán)利用，節(jié)能環(huán)保成本低，以期為設(shè)計(jì)和優(yōu)化兼顧氣固分離效率和余熱回收效果的旋風(fēng)分離器提供參考.

1 結(jié)構(gòu)模型及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)模型

具有余熱回收功能的旋風(fēng)分離器的三維模型如圖1所示，在旋風(fēng)分離器的外側(cè)壁面開(kāi)有螺旋型凹槽，螺距為650 mm，螺旋升角為16°.將換熱管嵌入凹槽內(nèi)，使換熱管中軸線與旋風(fēng)分離器壁面重合，換熱管一半在壁面內(nèi)，一半在壁面外.換熱管下端管口設(shè)為進(jìn)氣口，上端為出氣口.5種旋風(fēng)分離器模型Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ的換熱管直徑分別為0,80,100,130,150 mm.

圖1 旋風(fēng)分離器的三維幾何模型Fig.1 Three-dimensional geometric model of cyclone separator

旋風(fēng)分離器主要幾何尺寸：筒體直徑D1為700 mm，排氣管直徑D2為350 mm，排塵口直徑D3為350 mm，進(jìn)氣口高度a為350 mm,進(jìn)氣口寬度b為140 mm,排氣管插入深度S為385 mm，筒體高度H1為875 mm，錐體高度H2為1 225 mm.

1.2 工作原理

旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)分為外旋氣流和內(nèi)旋氣流[7]，帶有余熱的廢氣由切向進(jìn)氣口進(jìn)入旋風(fēng)分離器，氣流由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)氣流大部分以螺旋的形式沿著分離器內(nèi)壁向下流動(dòng)，稱(chēng)其為外旋氣流.外旋氣流在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中產(chǎn)生離心力，其固體顆粒在離心力的作用下甩向分離器內(nèi)壁面，固體顆粒接觸內(nèi)壁面，就會(huì)失去徑向速度，依靠自身重量和軸向速度沿壁面下落，與廢氣分離，并通過(guò)排塵口排出.氣體沿著筒壁旋轉(zhuǎn)至錐體底端，由于錐體的收縮而向分離器中心靠攏，根據(jù)旋矩不變?cè)?，其切向速度不斷提高，固體顆粒受到的離心力也不斷增強(qiáng)，當(dāng)氣體到達(dá)錐體底端某一位置時(shí)，以同樣的旋轉(zhuǎn)方式由分離器中心做上升螺旋運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)其為內(nèi)旋氣流.最后凈化的氣體經(jīng)排氣管排出.

具有余熱回收功能的旋風(fēng)分離器是將換熱管嵌入旋風(fēng)分離器外壁面的螺旋型凹槽內(nèi)，高溫廢氣經(jīng)分離器除塵的同時(shí)與換熱管內(nèi)氣體進(jìn)行熱交換，即換熱管通過(guò)熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱的方式與旋風(fēng)分離器內(nèi)的外旋氣流進(jìn)行熱交換，并以對(duì)流換熱的方式與其內(nèi)部的冷空氣換熱，換熱后的空氣經(jīng)換熱管出氣口流出，實(shí)現(xiàn)余熱回收，達(dá)到除塵換熱的目的.為提高換熱效果，設(shè)置換熱管內(nèi)的氣流流動(dòng)方向與普通旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流方向相反.

2 旋風(fēng)分離器的數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)5種旋風(fēng)分離器幾何模型的流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)傳熱區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密.將模型Ⅲ劃分為6.0×105，1.1×106，1.2×106，1.7×106和2.4×106這5種不同的網(wǎng)格數(shù)N，計(jì)算10 μm粒徑顆粒的分離效率η如圖2所示.

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Grid independence verification

當(dāng)網(wǎng)格增加到1.2×106的時(shí)候，分離效率隨網(wǎng)格數(shù)的增加趨向于穩(wěn)定.綜合考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力以及數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，文中研究的模型Ⅲ的網(wǎng)格數(shù)為1.7×106，其余旋風(fēng)分離器模型按照模型Ⅲ的網(wǎng)格尺寸劃分網(wǎng)格.

2.2 邊界條件

對(duì)于氣相流動(dòng)，將旋風(fēng)分離器的進(jìn)氣口設(shè)置為入口，取入口流速為17 m/s，垂直于進(jìn)氣口截面方向，入口氣體溫度為60 ℃.排氣管出口和排塵口設(shè)置為壓力出口條件.壁面設(shè)置為無(wú)滑移條件[8].換熱管進(jìn)氣口的入口氣流溫度設(shè)為10 ℃，氣體流速為變量，設(shè)置為1,3,5,7,10 m/s.出氣口設(shè)置為壓力出口條件，換熱管嵌入凹槽內(nèi)的壁面部分設(shè)置為耦合壁面，其余部分設(shè)置為壁面.壁面設(shè)置為絕熱條件，耦合壁面設(shè)置為對(duì)流換熱條件.不考慮換熱管壁厚對(duì)溫度的影響.

對(duì)于固相運(yùn)動(dòng)，除排塵口設(shè)置為壁面條件外，其他邊界條件和氣相流動(dòng)設(shè)置相同.排塵口的壁面設(shè)置為捕集邊界(trap)，排氣管出口設(shè)為逃逸邊界(escape)，其他壁面設(shè)為反射邊界(reflect).

2.3 計(jì)算方法

旋風(fēng)分離器的內(nèi)流場(chǎng)是具有強(qiáng)旋流的湍流場(chǎng)，具有明顯的各向異性流動(dòng)特征[9]，故采用RSM(reynolds stress model)湍流模型[10-13].旋風(fēng)分離器內(nèi)固相對(duì)于氣相來(lái)說(shuō)是非常稀疏的，所以離散相采用DPM模型[14].在用數(shù)值分析換熱管直徑對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)兩相流場(chǎng)的影響時(shí)，不考慮換熱管內(nèi)部的流動(dòng).

3 結(jié)果與分析

3.1 切向速度

旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)速度分為切向速度、徑向速度和軸向速度，其中切向速度的大小對(duì)分離效率影響較大.圖3為5種旋風(fēng)分離器在x=0截面的氣流切向速度vT云圖.由圖3可知，5種旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的切向速度分布大致相似，基本呈軸對(duì)稱(chēng)分布，切向速度沿徑向分層明顯，外層為向下運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)自由渦，內(nèi)層為向上運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)強(qiáng)制渦.切向速度在幾何中心處達(dá)到最小值，隨著半徑的增大，切向速度先增大再減小，在內(nèi)外旋流的交界處達(dá)到最大值.在旋風(fēng)分離器上端的凹槽處，由于氣體運(yùn)動(dòng)空間受換熱管直徑的影響突然縮減，切向速度較大，較大的切向速度形成的云圖類(lèi)似于橢圓狀，隨著換熱管直徑的增大，該橢圓的長(zhǎng)軸變大，容易造成局部沖蝕，破壞分離空間，降低分離效率.在進(jìn)氣口附近，隨著氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器的筒體，旋轉(zhuǎn)直徑增大，切向速度增大.當(dāng)換熱管直徑大于130 mm時(shí)，隨著換熱管直徑增大，進(jìn)氣口附近的切向速度逐漸減小，說(shuō)明換熱管直徑過(guò)大使得筒體直徑太小，切向速度減小，離心力減小，部分固體顆粒不能被甩向壁面，故不能與氣體分離，從而降低分離效率.安裝換熱管管徑為80，100 mm的旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的切向速度分布與不安裝換熱管的旋風(fēng)分離器大致相似，說(shuō)明安裝80，100 mm直徑的換熱管對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的切向速度分布影響較小，能夠保證其有較高的分離效率.

圖3 5種旋風(fēng)分離器x=0截面上的切向速度分布Fig.3 Contours of tangential velocity at the section of x=0 of the five cyclone separators

圖4為5種旋風(fēng)分離器在z=1.0 m，z=1.5 m軸向截面的氣流切向速度曲線圖，圖中d為旋風(fēng)分離器的徑向位置.

圖4 5種旋風(fēng)分離器z=1.0 m和z=1.5 m軸向截面的切向速度分布Fig.4 Tangential velocity profiles on axial sections z=1.0 m and z=1.5 m of the five cyclone separators

由圖4可知，切向速度在筒壁及近壁面處有突然下降的趨勢(shì)，這是由于壁面處摩擦力增大，增大了氣流旋轉(zhuǎn)阻力，使得切向速度在壁面處急劇降低.安裝換熱管管徑為130，150 mm的旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的最大切向速度明顯低于其他3種旋風(fēng)分離器，說(shuō)明換熱管直徑過(guò)大，使最大切向速度減小，降低分離效率.圖4a中，5種旋風(fēng)分離器中內(nèi)旋氣流的切向速度較為穩(wěn)定，說(shuō)明在z=1.0 m處換熱管直徑對(duì)內(nèi)旋氣流的切向速度影響較小.圖4b中，內(nèi)旋氣流中的切向速度變化較為劇烈，特別是模型Ⅴ，由于氣體在錐體段的運(yùn)動(dòng)空間明顯小于筒體段，換熱管直徑較大，使得氣體的運(yùn)動(dòng)空間較小，造成旋風(fēng)分離器內(nèi)外旋流的串流，極大影響了內(nèi)旋氣流的穩(wěn)定性，降低了分離效率.

3.2 靜 壓

5種旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的靜壓p分布如圖5所示，x=0截面上的靜壓沿徑向基本呈層狀對(duì)稱(chēng)分布，隨半徑的減小而減小，在中心軸線處達(dá)到最小.在軸線附近，由于處在旋渦的核心區(qū)域，靜壓很低，為負(fù)值，這有利于內(nèi)旋氣流向上運(yùn)動(dòng)，5種旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的負(fù)壓區(qū)大致相似，表明換熱管直徑不影響內(nèi)旋氣流靜壓的大小.當(dāng)換熱管直徑大于130 mm時(shí)，在旋風(fēng)分離器近壁面處的外旋氣流，隨著換熱管直徑增大，靜壓逐漸減小，安裝150 mm直徑換熱管的旋風(fēng)分離器內(nèi)，外旋氣流的靜壓最小，能量損失最大.模型Ⅱ和模型Ⅲ內(nèi)氣流的靜壓分布與模型Ⅰ基本相似，說(shuō)明安裝管徑為80，100 mm的換熱管對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的靜壓影響較小，能量損失較小.

圖5 5種旋風(fēng)分離器在x=0截面上的靜壓分布Fig.5 Contours of static pressure at x=0 of the five cyclone separators

3.3 不同粒徑顆粒的分離效率

分離效率是評(píng)價(jià)旋風(fēng)分離器性能的重要指標(biāo)之一，若進(jìn)入旋風(fēng)分離器的顆粒數(shù)為G1，被捕捉數(shù)為G2，則分離效率為

(1)

圖6為5種旋風(fēng)分離器針對(duì)不同粒徑顆粒對(duì)應(yīng)的分離效率，當(dāng)顆粒粒徑D小于8 μm時(shí)，隨著換熱管直徑的增大，旋風(fēng)分離器的分離效率逐漸降低.模型Ⅱ與模型Ⅲ的分離效率較模型Ⅰ降低不明顯，平均降低約1%.當(dāng)顆粒粒徑大于8 μm時(shí)，5種旋風(fēng)分離器的分離效率相同，說(shuō)明換熱管直徑不影響大粒徑顆粒的分離效率.所以，安裝管徑為80，100 mm的換熱管對(duì)旋風(fēng)分離器的分離效率影響較小.

圖6 5種旋風(fēng)分離器內(nèi)不同粒徑顆粒的分離效率Fig.6 Separation efficiency of different particle sizes in the five cyclone separators

3.4 換熱效果

由于直徑為80，100 mm的換熱管對(duì)旋風(fēng)分離器的氣相流場(chǎng)和分離效率影響較小，故重點(diǎn)考察這2種換熱管在不同氣體流速下的換熱效果.

3.4.1 換熱管內(nèi)氣體溫升

通過(guò)監(jiān)測(cè)換熱管進(jìn)氣口、出氣口的溫度，分析管內(nèi)氣體流速v對(duì)氣體溫升Tt的影響，如圖7所示.由圖可知，管內(nèi)氣體流速相同時(shí)，隨著換熱管管徑的增大，換熱管內(nèi)氣體溫升降低，這是因?yàn)楣軓皆龃?，處理的氣體流量增大，溫升降低.模型Ⅲ比模型Ⅱ的換熱管內(nèi)氣體溫升平均降低了約2.0 ℃.管徑不變時(shí)，隨著換熱管內(nèi)氣體流速的增加，換熱管內(nèi)氣體溫升逐漸減小，氣體流速為1 m/s時(shí)模型Ⅱ溫升最大，為27.3 ℃，氣體流速為10 m/s時(shí)，模型Ⅲ溫升最低，為12.3 ℃，這是因?yàn)闅怏w流速增加，導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)的氣體還未充分吸收壁面熱量便流出換熱管，換熱時(shí)間短，換熱不充分.

圖7 換熱管內(nèi)氣體溫升隨氣體流速的變化Fig.7 Variation of gas temperature rise with flow velocity in heat exchange tube

3.4.2 換熱管內(nèi)氣體熱量的吸收

換熱管內(nèi)氣體吸收的熱量表示為

Qc=qCΔt,

(2)

式中：Qc為吸收的熱量，W；q為氣體的質(zhì)量流量，kg/s；C為管內(nèi)氣體比熱容，J/(kg·℃)；Δt為換熱管進(jìn)出氣口氣體的溫差，℃.

圖8為換熱管內(nèi)氣體吸收的熱量曲線圖.由圖可知，管內(nèi)氣體流速相同時(shí)，隨著換熱管直徑的增大，吸收的熱量增加；換熱管直徑相同時(shí)，隨著管內(nèi)氣體流速增加，吸收的熱量增加.換熱管增大、管內(nèi)氣體流速增加，都使得氣體流量增大，但是溫差不斷減小，換熱管內(nèi)氣體吸收的熱量增加，說(shuō)明氣體流量對(duì)吸熱量影響較溫差大.100 mm換熱管比80 mm換熱管處理的氣體流量大，管內(nèi)氣體吸收的熱量也多，隨著氣流速度的增加，這種吸熱量增大幅度越來(lái)越大，換熱效果更好.

圖8 換熱管內(nèi)氣體吸收的熱量Fig.8 Heat absorbed of heat exchange tube

3.4.3 傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，當(dāng)傳熱面兩側(cè)空氣溫差為1 ℃時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積傳遞的熱量，表示為

(3)

式中：u為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Q為傳熱速率，W；S為傳熱面積，m2；Δtm為傳熱面兩側(cè)流體的對(duì)數(shù)平均溫度差，℃.

Q=Qc+QL，

(4)

式中：QL為熱損失，W.

(5)

式中：T1，t1分別為旋風(fēng)分離器和換熱管的氣體進(jìn)口溫度，℃；T2，t2分別為旋風(fēng)分離器和換熱管的氣體出口溫度，℃.

在不同氣體流速下，監(jiān)測(cè)得到的傳熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如圖9所示.由圖可知，管徑不變，管內(nèi)氣體流速增加，傳熱面的傳熱系數(shù)隨之增大，這是因?yàn)楣軆?nèi)流速的增加使管內(nèi)氣體的邊界層更新頻率增大，熱阻變小，傳熱系數(shù)增大；不同管徑的換熱管在同一氣體流速下，其傳熱面的傳熱系數(shù)相差不大，這是因?yàn)楣軓皆龃?，傳熱面積增大，但增大的幅度較小，故熱阻變化很小，傳熱系數(shù)相差不大.

圖9 傳熱系數(shù)隨管內(nèi)流速的變化Fig.9 Variation of heat transfer coefficient with flow velocity in the tube

4 結(jié) 論

1) 安裝管徑為80,100 mm的換熱管對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)氣流的切向速度和靜壓影響較小.當(dāng)顆粒粒徑小于8 μm時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率隨換熱管直徑的增加而降低，換熱管管徑為80，100 mm的旋風(fēng)分離器的分離效率比不安裝換熱管的旋風(fēng)分離器平均降低約1%.

2) 管徑100 mm換熱管的管內(nèi)氣體溫升比管徑80 mm換熱管平均降低了約2 ℃，但是其處理的氣體流量大，換熱管內(nèi)氣體吸收的熱量大，加之二者傳熱面的傳熱系數(shù)基本一致，綜合考慮分離效率和換熱效果，采用換熱管管徑為100 mm的旋風(fēng)分離器較好.