回流式單通道冷卻系統(tǒng)過飽和場的數(shù)值模擬

葉曉輝， 張 軍， 閭 荔， 代安穩(wěn)， 尹 杰

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

傳統(tǒng)的除塵設(shè)備對燃煤煙氣中粉塵脫除效率可達95%以上[1]，但對細顆粒物的脫除效率并不高[2]。煙氣中細顆粒物的排放會導(dǎo)致大氣污染，因此如何提高傳統(tǒng)除塵設(shè)備對細顆粒物的脫除效率已成為重要的研究課題。主要的研究思路是在煙氣進入除塵器之前，通過物理或化學(xué)方法使細顆粒長大成較大的顆粒。目前，促使細顆粒長大的技術(shù)主要有電聚并技術(shù)[3]、聲波團聚技術(shù)[4]、化學(xué)團聚技術(shù)[5]、水汽相變技術(shù)[6]等。

水汽相變技術(shù)的原理是通過構(gòu)建過飽和蒸汽環(huán)境，使煙氣中的蒸汽在細顆粒表面凝結(jié)，促使細顆粒長大[7]。水汽相變技術(shù)的關(guān)鍵是構(gòu)建過飽和場，并且過飽和場中過飽和度越大，細顆粒長大的效果越好[8]。目前，燃煤電廠普遍安裝濕法煙氣脫硫裝置，煙氣經(jīng)濕法脫硫后基本接近飽和狀態(tài)[9]，此時通過換熱器將煙氣降溫即可使煙氣處于過飽和狀態(tài)，從而實現(xiàn)過飽和場的構(gòu)建。

煙氣降溫的過程中，蒸汽在冷卻管外壁凝結(jié)，引起的蒸汽耗散會減小煙氣過飽和度。因此，提出煙氣回流方法來緩解該問題，即在換熱器中加入回流管路，抽取換熱器出口的煙氣部分加入到換熱器之前，以對煙氣進一步進行降溫來提高煙氣過飽和度。

為了解煙氣回流下過飽和場的變化規(guī)律，筆者以單通道煙氣冷卻系統(tǒng)為對象，研究回流比(回流體積流量占入口體積流量的百分比)、回流抽取點、回流加入點對煙氣過飽和度分布的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 含不凝性氣體冷凝的數(shù)值模擬

煙氣經(jīng)換熱器冷凝降溫，煙氣中的蒸汽會在換熱器管壁上冷凝，且蒸汽的質(zhì)量分數(shù)占比低，此時的冷凝屬于含不凝性氣體的蒸汽冷凝。冷凝形成的液膜附近會聚集大量不凝性氣體阻礙蒸汽繼續(xù)冷凝，主流區(qū)的蒸汽只能以對流傳質(zhì)和擴散方式到達壁面，所以總傳熱量由質(zhì)量擴散到達壁面冷凝釋放的潛熱量和煙氣與壁面的對流傳熱量組成[10]，具體計算公式為：

q=qcond+qconv

(1)

qcond=mHV

(2)

式中：q為總傳熱量，W；qcond為蒸汽冷凝釋放的潛熱量，W；qconv為對流傳熱量，W；m為蒸汽凝結(jié)量，kg/(m3·s)；H為蒸汽液化的潛熱，J/kg；V為劃分網(wǎng)格的體積，m3。

1.2 基本假設(shè)

為了降低計算復(fù)雜度，結(jié)合研究的重點對計算模型進行如下簡化：

(1) 假設(shè)混合氣體是由蒸汽和空氣組成的單相多組分理想氣體。

(2) 假設(shè)壁面的凝結(jié)水可以迅速排出，忽略壁面凝結(jié)水的熱阻，將管壁面視為氣液界面，管壁溫度即為氣液界面溫度。

(3) 不考慮空間凝結(jié)，只考慮壁面凝結(jié)，凝結(jié)產(chǎn)生的質(zhì)量、動量、能量和組分擴散源項加載在壁面附近的網(wǎng)格。

(4) 不考慮蒸發(fā)現(xiàn)象。

當不凝性氣體的質(zhì)量分數(shù)大于10%時，冷凝過程中的熱阻主要集中在不凝性氣體層[11]，筆者研究的混合氣體中空氣的質(zhì)量分數(shù)大于60%，適用于不凝性氣體質(zhì)量分數(shù)占比較大的情況。此外，目前換熱器材質(zhì)通常采用氟塑料或者在換熱器表面涂刷防水涂層，這些措施都會加快凝結(jié)水的排除。

1.3 控制方程

相關(guān)控制方程[12]如下。

質(zhì)量方程為：

動量方程為：

(4)

能量方程為：

組分方程為：

1.4 源項的計算與加載

源項的計算公式[13]為：

Sm=mcondAface/Vcell

(7)

Su=mcondAfaceu/Vcell=Smu

(8)

Se=mcondAfaceω/Vcell=Smω

(9)

Si=mcondAfaceH/Vcell=SmH

(10)

通過FLUENT軟件提供的用戶自定義功能，編寫蒸汽凝結(jié)源項的相關(guān)程序，并將其加載到FLUENT軟件的計算程序中。假定當壁面溫度低于壁面網(wǎng)格上蒸汽分壓力對應(yīng)的飽和溫度時，蒸汽在壁面凝結(jié)，并在FLUENT軟件中加載源項，同時設(shè)定壁面蒸汽質(zhì)量分數(shù)為飽和蒸汽質(zhì)量分數(shù)。

1.5 過飽和度的計算

過飽和度為蒸汽分壓力和當?shù)販囟葘?yīng)的飽和蒸汽壓力的比[15]，具體計算公式為：

S=pv/psat(T)

(12)

pv=p/[0.622(1-ω)/ω+1]

式中：S為無量綱的過飽和度；pv為蒸汽分壓力，Pa；psat(T)為當?shù)販囟葘?yīng)的飽和蒸汽壓力[16]，Pa。

1.6 計算模型的驗證

根據(jù)過飽和度的計算公式，準確計算過飽和度的關(guān)鍵是計算蒸汽分壓力和飽和蒸汽壓力，而這兩者又是根據(jù)蒸汽質(zhì)量分數(shù)、混合氣體的壓力和溫度計算得到的，同時混合氣體的壓力又與溫度有關(guān)，所以只要準確模擬得到含不凝性氣體冷凝過程中蒸汽質(zhì)量分數(shù)和溫度，就可以準確計算出過飽和度。

為了驗證該計算模型的可靠性，建立與文獻[17]中相同的物理模型，并且設(shè)定相同的邊界條件和網(wǎng)格劃分方式。圖1為距離入口0.1 m處截面的模擬結(jié)果和文獻結(jié)果的對比。由圖1可得：模擬結(jié)果與文獻結(jié)果的吻合良好，最大相對誤差不超過6%，所以該計算模型是可靠的。

圖1 模擬結(jié)果和文獻結(jié)果的對比

2 物理模型及邊界條件

回流式單通道冷卻系統(tǒng)物理模型見圖2，其中：l為回流加入點與第一根管子的距離，k為回流抽取點與最后一根管子的距離，左側(cè)入口到回流加入點的距離n為500 mm，右側(cè)出口到回流抽取點的距離z為1 000 mm。該模型是將三維模型簡化后的二維模型，模型垂直紙面的深度為1 000 mm，左側(cè)入口的高度為28 mm；回流入口為矩形，寬度為14 mm；氣體流動經(jīng)過7根圓形冷卻管，冷卻管外徑D為14 mm，冷卻管的間距為28 mm?？諝?蒸汽混合氣體從左側(cè)入口流入，速度為3 m/s，溫度為353.15 K，蒸汽的質(zhì)量分數(shù)為0.352 8；右側(cè)出口為自由出流邊界條件；冷卻管壁溫度為313.15 K；其余壁面為絕熱壁面。

圖2 回流式簡單通道冷卻系統(tǒng)的物理模型

3 結(jié)果分析

3.1 抽取點的影響

圖3為l=3D時，不同抽取點對出口平均過飽和度的影響。

圖3 不同抽取點對出口平均過飽和度的影響

出口平均過飽和度隨抽取點變化主要有2種形式，具體表現(xiàn)為：

(1) 當回流比為20%和30%時，出口平均過飽和度隨抽取點的后移(即k的不斷增加)先增加后趨于定值。當回流比較小時，抽取的氣體主要是通道上壁面的氣體，這部分氣體會隨著抽取點的后移，而被溫度較低的通道中心氣體逐漸冷卻，因此通道上壁面處過飽和度逐漸增加，并且出口平均過飽和度也逐漸增加。當k足夠大時，通道上壁面氣體和中心氣體混合均勻，氣體溫度趨于定值，因此出口平均過飽和度趨于定值。

(2) 當回流比為40%～80%時，出口平均過飽和度隨抽取點的后移，先增加后減小最后趨于定值。圖4為回流比為40%時，抽取點對過飽和度分布的影響。

圖4 回流比為40%時抽取點對過飽和度分布的影響

由圖4可得：當回流比較大時，回流抽取的氣體不僅有通道上壁面的氣體，還有溫度較低的通道中心氣體，且隨著抽取點的后移，抽取的中心氣體會越來越多，因此出口的過飽和度會增加(見圖4(a)和圖4(b))。當抽取點繼續(xù)后移，中心氣體和壁面氣體充分混合，而混合后的氣體溫度一定高于當k較小時原管道中心處的氣體溫度，所以混合后出口的過飽和度會減小(見圖4(c))。當k足夠大時，中心氣體和壁面氣體已基本混合均勻，氣體溫度趨于定值，過飽和度也趨于定值(見圖4(d))。

當回流比一定時，定義出口過飽和度最大時對應(yīng)的抽取點為最佳抽取點。例如：當回流比為40%時，最佳抽取點的k=4D；當回流比為60%時，最佳抽取點的k=3D。隨著回流比的增加，最佳抽取點不斷前移，是因為回流比越大，混合氣體速度越大，壁面氣體和中心氣體混合越劇烈，并且在更短的距離內(nèi)就可以混合均勻，進而導(dǎo)致最佳抽取點前移。

3.2 回流比的影響

研究k=4D、l=3D時，不同回流比時出口過飽和度的分布情況，回流比對出口主要參數(shù)的影響見圖5。

圖5 回流比對出口主要參數(shù)的影響

由圖5可得：有回流時，出口平均過飽和度比沒有回流時要大，且隨回流比的不斷增加，出口平均過飽和度也在不斷增加。主要原因是回流相當于對氣體進行二次冷卻，同時回流比越大，沖刷冷卻管的速度也就越大，導(dǎo)致對流傳熱越劇烈，平均溫度降低的幅度越大(見圖5(b)，并且平均飽和蒸汽壓力會隨著平均溫度的降低而降低，但此時平均蒸汽分壓力減小的幅度沒有平均飽和蒸汽壓力大(見圖5(c))，最終導(dǎo)致出口平均過飽和度隨著回流比的增加而增加。

3.3 加入點的影響

設(shè)定k=4D，回流比分別為30%、50%和70%時，加入點對出口過飽和度分布的影響見圖6。

圖6 加入點對出口過飽和度分布的影響

由圖6可得：相同回流比條件下，出口最大過飽和度減小，最小過飽和度增加。原因為回流的氣體被由左側(cè)入口進入的高溫氣體加熱，回流氣體溫度升高，左側(cè)入口的氣體溫度降低。m越大，兩股氣流的溫差越小，則過飽和度分布得越均勻。隨著回流比的增加，這種趨勢越明顯，因為回流比越大，兩股氣流的熱量交換越劇烈，在相同的距離內(nèi)混合得越均勻，出口過飽和度分布越均勻。

出口平均過飽和度隨加入點的變化見圖7。由圖7可得：加入點對出口平均過飽和度的影響不大?；亓鞅葘Τ隹谄骄^飽和度的影響最大，抽取點的影響次之，加入點的影響最小。

圖7 加入點對出口平均過飽和度的影響

4 結(jié)語

(1) 相較于無回流的情況，回流的存在可以增加流場內(nèi)的過飽和度。

(2) 回流比對出口平均過飽和度的影響最大。隨著回流比的增加，出口平均過飽和度也在增加。

(3) 回流抽取點對出口平均過飽和度的影響次之。針對不同的回流比，存在最佳的回流抽取點，使得流場內(nèi)可以獲得最大的過飽和度。

(4) 回流加入點對出口平均過飽和度影響較小，但是對過飽和場內(nèi)過飽和度分布的均勻性影響很大?；亓骷尤朦c與第一根管子的距離越遠，過飽和度分布越均勻。