活動(dòng)煙罩集箱流量分配數(shù)值模擬

王彥剛，王洪利，梁精龍，張振迎

(1. 華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

?剻??剻?在轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐中，并聯(lián)管組是活動(dòng)煙罩重要的配水系統(tǒng)，用于各受熱管管內(nèi)工質(zhì)流量的分配。活動(dòng)煙罩內(nèi)部的環(huán)境十分惡劣，受熱管路經(jīng)常出現(xiàn)穿孔、鼓包和破裂等現(xiàn)象，水分配不均是造成這些現(xiàn)象的主要原因之一。并聯(lián)管組還廣泛應(yīng)用于其它設(shè)備，如鍋爐集箱系統(tǒng)[1]、換熱器[2]、冷凝器、太陽(yáng)能集熱器[3]等，水分配不均會(huì)嚴(yán)重影響其換熱效率，更嚴(yán)重的甚至?xí)p壞設(shè)備，因此研究并聯(lián)管組流量分配具有重要意義。朱玉琴等[4,5]綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于單相流在并連管組內(nèi)流量分布的研究情況，并歸納了流量分布的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者[6,7]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)集箱幾何特性和流量分布的關(guān)系進(jìn)行了深入研究，并各自提出了優(yōu)化流量均勻分布的方案。劉巍等[8]對(duì)比了多種流量分配不均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差的方法是衡量不均性較為合理的指標(biāo)。WANG等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法分析了多種改進(jìn)集箱的方式對(duì)平行換熱器中流體流量的分布影響，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的集箱形式相比，每一種改進(jìn)方式都很大程度改善了其流量分布的不均勻性。

以上研究大部分都較為詳細(xì)地利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法深入研究了換熱器集箱配水均勻的問(wèn)題，但尚未見(jiàn)轉(zhuǎn)爐活動(dòng)煙罩集箱關(guān)于受熱管流量分布的研究，加之由于幾何之間差異較大，上述的研究在活動(dòng)煙罩設(shè)計(jì)工作中很難提供可靠的參數(shù)來(lái)進(jìn)行指導(dǎo)，因此對(duì)于活動(dòng)煙罩流量分布特性的研究顯得尤為重要。該研究同樣采用數(shù)值模擬的方法對(duì)影響受熱管流量分布的因素進(jìn)行詳細(xì)的討論，由于實(shí)際生產(chǎn)中轉(zhuǎn)爐活動(dòng)煙罩幾何的復(fù)雜性，在構(gòu)建幾何模型時(shí)，將盡量還原活動(dòng)煙罩的幾何細(xì)節(jié)，以保證模擬流體區(qū)域和實(shí)際流體區(qū)域的一致性。研究結(jié)果將為活動(dòng)煙罩設(shè)計(jì)工作中幾何參數(shù)的確定提供指導(dǎo)。

1并聯(lián)分布管組模型

1.1 幾何形狀的研究

該項(xiàng)研究的活動(dòng)煙罩幾何模型如圖1所示。該幾何模型是由一個(gè)配水集箱、一個(gè)匯水集箱和多根受熱管組成。冷卻水從配水聯(lián)箱進(jìn)口流入，經(jīng)過(guò)配水聯(lián)箱的分流把工質(zhì)分配給各個(gè)受熱管，然后匯集聯(lián)箱匯集所有受熱管的工質(zhì)并從匯集聯(lián)箱出口流出。

圖1 主視圖和三維模型

1.2 控制方程

連續(xù)性方程

(1)

動(dòng)量方程

(2)

能量守恒方程

(3)

k穩(wěn)態(tài)傳輸方程

(4)

ε的穩(wěn)態(tài)傳輸方程

(5)

其中，T——溫度，K；u——速度，m/s；ρ——密度，kg/m3；k——湍流動(dòng)能；ε——湍流能量耗散率；μt——?jiǎng)恿φ扯龋琸g/(m·s)；i、j——張量符號(hào)。

湍流常數(shù)σk=1.0，σε=1.3；經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取C1=1.44，C2=1.92。

1.3 邊界條件

進(jìn)口采用速度入口，出口采用自由出流，壁面設(shè)置為無(wú)滑移條件，選用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon(k-ε)模型，壁面熱流密度設(shè)為450 kW/m2，殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-4。

1.4 網(wǎng)格劃分

由于該活動(dòng)煙罩的幾何模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在劃分網(wǎng)格和fluent數(shù)值模擬的過(guò)程中，利用其一半的幾何結(jié)構(gòu)即可，這樣可以大大減小網(wǎng)格的數(shù)量，提高運(yùn)算的速度，對(duì)于兩側(cè)受熱管的編號(hào)如圖2所示。

利用ANSYS mesh來(lái)劃分如圖2所示網(wǎng)格，在網(wǎng)格劃分時(shí)采用了2種不同網(wǎng)格劃分方法來(lái)劃分該幾何體，集箱部分采用四面體網(wǎng)格，受熱管部分是采用掃略的方法劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。此外邊界層上做了細(xì)化，以獲得更精確的模擬結(jié)果。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性采用4種不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)活動(dòng)煙罩3D模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別為mesh1#、mesh2#、mesh3#、mesh4#，其代表的網(wǎng)格數(shù)量依次為3 087 929、3 546 318、5 037 207和6 735 608，由于流量分布是該研究的主要內(nèi)容，因此將不同網(wǎng)格數(shù)量下的流量繪制成如圖3所示分布情況。由圖3可以看出，mesh1#與其他幾個(gè)不同數(shù)量的網(wǎng)格相比有較大的變化，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多mesh2#、mesh3#、mesh4#的流量分布趨勢(shì)趨于一致，因此在后續(xù)的模擬計(jì)算中采用具有相同計(jì)算精度的mesh2#來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬。由于活動(dòng)煙罩幾何尺寸較大，產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)量也較多，因此網(wǎng)格劃分及數(shù)值計(jì)算均在具有專業(yè)性能的服務(wù)器上進(jìn)行。

圖3 受熱管的流量分布

2模擬結(jié)果

2.1 集箱直徑的影響

受熱管橫截面直徑為41 mm，集箱的長(zhǎng)度為1 283 mm。配水集箱和匯水集箱的間距為4 656 mm，集箱入口質(zhì)量流量為14.04 kg/s。分別對(duì)集箱直徑Dh=69～429 mm區(qū)間的3維模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,在圖4中可以看出集箱直徑在3個(gè)階段中隨著Dh的減小，受熱管的流量分布曲線趨于平緩，同樣也就意味著流量的分布更加均勻。圖4所示為集箱受熱管流量分布情況，從圖4可以明顯看出，沿集箱長(zhǎng)度方向(由上到下)每個(gè)管的流量呈逐漸減少的趨勢(shì)，并且隨著集箱直徑的減小這種趨勢(shì)會(huì)更加明顯，速度的分布云圖如圖5所示。在圖4(a)可以觀察到在Dh<135 mm時(shí)，第10根管的流量會(huì)有所增大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在集箱進(jìn)口流量一定的情況下，隨著配水集箱直徑減小，集箱內(nèi)的流速是不斷增加的，在高速的流動(dòng)中，集箱末端的受熱管會(huì)產(chǎn)生明顯的慣性效應(yīng)。隨著直徑的進(jìn)一步增大，在圖4(b)、圖4(c)中并未出現(xiàn)第10根管的流量的增大，這是由于集箱內(nèi)部流速的降低導(dǎo)致的。在圖4中還可以觀察到，在相同水平位置的受熱管的流量分布呈對(duì)稱分布，也就說(shuō)明在相同水平位置的2個(gè)受熱管的流量幾乎是相同的。

圖4 集箱受熱管流量分布情況

圖5為集箱速度云圖分布，配水集箱的速度分配與集箱的靜壓分布有直接的關(guān)系，在沿集箱長(zhǎng)度方向的靜壓如圖6所示，從圖6可以看出，靜壓隨集箱長(zhǎng)度方向(進(jìn)口水流方向)是不斷增大的，并且隨集箱直徑的減小，集箱內(nèi)部壓力梯度不斷增大，靜壓分布的劇烈變化直接導(dǎo)致了受熱管流量分布的不均勻。配水集箱內(nèi)靜壓的變化是由管壁的摩擦阻力和動(dòng)壓轉(zhuǎn)換2個(gè)原因所致，而導(dǎo)致沿長(zhǎng)度方向靜壓不斷增大的主要原因是由于動(dòng)壓不斷向靜壓轉(zhuǎn)換所造成的，此時(shí)摩擦阻力并不占主體地位。

圖5 集箱速度云圖分布

圖6 集箱靜壓分布

2.2 進(jìn)出口方式對(duì)流量分布的影響

受熱管理論所需要流量取決于活動(dòng)煙罩吸收爐氣的熱量，活動(dòng)煙罩是控制漏風(fēng)縫隙面積以及收集從轉(zhuǎn)爐爐口噴出的轉(zhuǎn)爐爐氣和燃燒產(chǎn)物的裝置，因此活動(dòng)煙罩的外形需要設(shè)計(jì)為上窄下寬的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)致使受熱管的長(zhǎng)度沿集箱的長(zhǎng)度方向依次增加，長(zhǎng)度的增加會(huì)使得受熱管理論吸收熱量增加，這就意味著集箱下端的受熱管將要吸收更多的熱量，同時(shí)受熱管也需更大流量的冷卻水。傳統(tǒng)采用“上進(jìn)上出”冷卻水進(jìn)出方式，如圖1(a)所示，通過(guò)模擬計(jì)算可以得出沿著集箱進(jìn)口水流方向(由上到下)越靠近下端，受熱管的流量越小，如圖8所示，而現(xiàn)實(shí)情況卻是越靠近下端，所需冷卻水的流量越大。通過(guò)增大集箱直徑方式只能使受熱管之間的流量分布更加均勻，而不能滿足每根受熱管依據(jù)各自受熱能力的理論配水需求。利用并聯(lián)管組水分配沿著集箱進(jìn)口水流方向，受熱管流量呈逐漸減小的分布特點(diǎn)，把“上進(jìn)上出”改為如圖7所示的“下進(jìn)下出”即可得到如圖9所示的流量分布。

圖7 “下進(jìn)下出”循環(huán)方式

圖8 受熱管和集箱的流線圖

圖9 “下進(jìn)下出”循環(huán)方式對(duì)流量分布的影響

已知該活動(dòng)煙罩的各項(xiàng)熱力性能如表1所示。

表1 活動(dòng)煙罩的熱力參數(shù)

根據(jù)公式(6)求得冷卻水循環(huán)量。

(6)

其中，H——活動(dòng)煙罩總冷卻水量，m3/h；Q——總傳熱量，kJ/h；Ψ——熱有效系數(shù)；ρ——密度，kg/m3；Δt——冷卻水進(jìn)出口溫差，℃；C——冷卻水比熱容，kJ/(kg·℃)。

在式(6)中，當(dāng)其他參數(shù)一定的情況下，得出H與Q為正比例關(guān)系，又因?yàn)镼與受熱面積的正比例關(guān)系，所以可以得出受熱管理論所需冷卻水量表達(dá)式(7)，并根據(jù)式(7)計(jì)算得到如圖9所示的受熱管理論流量分布曲線。

(7)

其中，hi——受熱管冷卻水量，m3/h；H——活動(dòng)煙罩總冷卻水量，m3/h；li——受熱管長(zhǎng)度，mm；L——受熱管總長(zhǎng)，mm。

在圖9中可以看出 “下進(jìn)下出”方式中Dh在不同取值條件下沿著集箱出口水流方向(由上到下)受熱管流量的分布趨勢(shì)都是逐漸遞增的。Dh=135 mm時(shí)這種逐漸遞增的趨勢(shì)更為明顯，受熱管流量之間差距顯著，流量變化的梯度較大，與理想狀態(tài)下的分布有很大差距，顯然不是合理的選擇。Dh=429 mm時(shí)，流量的分布均勻性為最好，但并不是最佳的流量分布趨勢(shì)，Dh=209 mm時(shí)，流量的曲線與理想狀態(tài)下的流量分布曲線顯然是吻合程度最高的。所以采用“下進(jìn)下出”的冷卻水循環(huán)方式，Dh=209 mm顯然是最佳的選擇。

3結(jié)論

(1)從不同集箱直徑對(duì)應(yīng)的流量分布效果來(lái)看，集箱的直徑尺寸越大，其流量分布就愈加均勻。因此，在活動(dòng)煙罩設(shè)計(jì)中，集箱的直徑在不影響其他設(shè)計(jì)條件的情況下，盡可能選取直徑較大的集箱。

(2)針對(duì)活動(dòng)煙罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析出每根受熱管理論的冷卻水流量，發(fā)現(xiàn)由傳統(tǒng) “上進(jìn)上出”變更為“下進(jìn)下出”的水循環(huán)方式，能夠符合受熱管理論循環(huán)水量由上到下逐漸變大的趨勢(shì)，在“下進(jìn)下出”方式中，Dh=209 mm時(shí)所得的流量分布和理論分布基本吻合。