基于高爐渣顆粒繞流異形管傳熱過程的數(shù)值模擬研究

楊成禹

(中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司，重慶 400010)

高爐渣是高爐煉鐵過程中的主要副產(chǎn)品，其排放溫度在1 450～1 650 ℃[1]，是一種高品位的余熱資源。近年來，高爐渣干法?；坝酂釙夹g(shù)得到了廣泛關(guān)注[2]。針對粒化后的高溫渣粒，自流床余熱鍋爐直接回收高溫渣粒余熱的技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。與其他方法相比，該技術(shù)降低了空氣鼓風的能量損失，減少了余熱回收過程造成的環(huán)境污染，使余熱回收效率得到明顯提高。

在自流床余熱鍋爐內(nèi)，高溫顆粒在重力的作用下向下流動，顆粒流繞流鍋爐管束進行換熱。在這個過程中，顆粒的流動行為將直接影響著高溫顆粒與鍋爐管束的換熱特性。Kurochkin[3]通過實驗對顆粒環(huán)繞圓管流動特性進行研究，發(fā)現(xiàn)管束頂部存在停滯區(qū)，且顆粒直徑越大，停滯區(qū)范圍越小。Niegsch[4]等人通過實驗研究了小直徑顆粒繞流叉排管束時的流動行為，對管束停滯區(qū)與空隙區(qū)范圍的計算方法進行分析，并搭建了漏斗流模型用以描述顆粒繞流管束時的速度場分布。于慶波等人[5]在進行高溫渣粒繞流管束流動與傳熱特性的數(shù)值模擬研究中，將流動的高爐渣顆粒當作連續(xù)的黏性流體，發(fā)現(xiàn)增大顆粒的入口速度，換熱效果提高。Bartsch[6]研究了埋有水平換熱管的移動床內(nèi)顆粒的流動換熱過程，并分別建立了CFD模型和DEM模型進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)兩種模型都能較好描述顆粒繞流圓管的過程。

目前，針對高溫顆粒繞管流動與傳熱耦合特性的研究尚需進一步進行完善與補充，而顆粒的流動特性直接決定了其與管束間的傳熱效果，因此有必要深入研究高溫顆粒繞流換熱管的流動與傳熱特性。本文采用MFiX軟件，分析高爐渣顆粒繞流換熱管束的流動與傳熱耦合特性，研究換熱管型及其排列方式對顆粒流動特性與傳熱特性的影響，進而指導自流床余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 模型建立

1.1 幾何模型

選取自流床余熱鍋爐結(jié)構(gòu)的特征單元，并將其簡化為一個帶管束的矩形模型[7]，如圖1所示。其中換熱管的外徑為38 mm，從上至下共設(shè)置4排，換熱管橫向與縱向中心間距均為76 mm，即2倍管外徑。模型頂端距離首排管束頂端57 mm，底端距離最后一排管束底端19 mm。在本研究中，換熱管選用3種管型，分別為圓管、橢圓管與菱形管，且其中心定位位置保持一致。

圖1 幾何模型圖

1.2 數(shù)學模型

顆粒繞流換熱管的流動過程中，顆粒的運動狀態(tài)可以分為平動與轉(zhuǎn)動[8]，故對于單個顆粒i來說，其運動的控制方程如式(1)～式(2)所示。

平動方程：

(1)

轉(zhuǎn)動方程

(2)

本文研究的高爐渣顆粒溫度高于1 000 ℃，所以輻射換熱不可忽略。顆粒在自流床余熱鍋爐中的移動速度相對較小，顆粒間隙內(nèi)的空氣被顆粒攜帶移動，故對流換熱作用小，所以換熱過程中忽略氣固兩相間的對流換熱。因此換熱過程包括顆粒之間的導熱和輻射兩大部分，其中導熱又可以分為：通過顆粒與顆粒之間直接接觸面積的導熱、通過顆粒與顆粒之間氣膜的導熱、通過顆粒與換熱管壁面接觸面積的導熱以及通過顆粒與換熱管壁面之間氣膜的導熱；輻射換熱部分同樣可以分為顆粒與顆粒和顆粒與換熱管壁面之間的輻射換熱。故單個顆粒i傳熱的控制方程為

(3)

式中：cp,i為顆粒i的比熱容，J/(kg·℃)；Ti為顆粒i在t時刻的溫度，℃；Qi,j,cond、Qi,j,rad分別為顆粒i與其他顆粒的導熱量和輻射換熱量，J；Qi,tube,cond、Qi,tube,rad分別為顆粒i與換熱管壁面的導熱量和輻射換熱量，J。

在邊界條件的設(shè)置中，模型上方為高溫顆粒的入口，設(shè)置為質(zhì)量流量邊界，給定顆粒的入口溫度與顆粒的質(zhì)量流量；模型下方為顆粒的出口，同樣設(shè)置為質(zhì)量流量邊界，給定顆粒出口流速；換熱管束外壁為固定溫度的無滑移壁面；其余表面均為絕熱的無滑移壁面。

1.3 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

計算網(wǎng)格為均勻矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2倍顆粒直徑。根據(jù)目前的檢測水平，不同溫度條件下高爐渣顆粒的相關(guān)物性參數(shù)難于確定。所以，在本研究中高爐渣顆粒的物性參數(shù)保持恒定，具體參數(shù)如表1所示。

表1 高爐渣顆粒的參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 換熱管管型及排列方式對顆粒流動特性的影響

圖2為不同管型和管排列方式條件下顆粒的運動軌跡。在遠離換熱管束的上部區(qū)域，無論何種管排列方式，顆粒的流動過程為平推流[9]，其運動軌跡為直線。這是由于運動過程中，顆粒間的相互作用較小，且不受管束等其他物體的阻礙作用，因此顆粒的運動不會發(fā)生橫向偏移。當顆?？拷着艙Q熱管時，顆粒的運動軌跡開始發(fā)生變化，這是由于在換熱管上部區(qū)域處顆粒的運動發(fā)生了較大變化，然后通過力鏈的傳遞作用，進而影響靠近換熱管的顆粒。顆粒與首排管束接觸碰撞后，便產(chǎn)生了明顯的水平速度，故發(fā)生橫向偏移，此時貼壁顆粒沿著換熱管的外輪廓進行移動，其運動軌跡與管型相似。

圖2 顆粒流線圖

當換熱管順排排列時，顆粒流過首排管束后，其運動軌跡基本為一條直線。繞流區(qū)的顆粒在下落過程中與管壁接觸，并發(fā)生繞流，其運動軌跡近似為半“S”形，非繞流區(qū)顆粒大多未與管壁接觸，且受到其他顆粒的擾動較小，其運動軌跡近似為一條直線。從圖2(a)～圖2(c)可以看出，當換熱管為圓管或者橢圓管時，由于換熱管的阻礙作用，顆粒在換熱管正上方形成顆粒“停滯區(qū)”；在重力的作用下，顆粒繞流換熱管移動至換熱管下方，然后顆粒與換熱管分離，在換熱管正下方形成顆?！翱障秴^(qū)”；當換熱管為菱形管時，顆粒沿著菱形管的垂直壁面直接向下流動，然后沿著斜面向菱形管的正下方移動。

當換熱管叉排排列時，顆粒繞管換熱管的運動軌跡近似為“S”型曲線[9]。在這種布置方式下，顆粒的整體流動狀態(tài)則是由入口處的平推流過渡為管束外的“S”形流動。在y方向上，整個流動區(qū)域由非繞流區(qū)和繞流區(qū)交替組合形成，致使管束外的每個顆粒都會繞管流動，具有較大的x方向偏移量，故顆粒間的摻混效果更好。此外，在相同管間距的情況下，由于在叉排排列時具有“S”形運動軌跡，顆粒的實際流動距離要比順排排列時顆粒的流動距離更長，這說明叉排時顆粒與管壁的接觸時間長，利于顆粒與換熱管壁的充分換熱。

圖3為不同管束排列方式條件下首排換熱管處顆粒在y方向的速度分布圖。從圖中可以看出，順排時顆粒的y方向速度分布由正反的“U”形峰交替組合而成，而叉排時顆粒的y方向速度分布則是由正反的“V”形峰交替組合而成。二者在非繞流區(qū)的流速相差無幾，故使顆粒的豎直流動距離相當。但是在“停滯區(qū)”附近，叉排時顆粒具有更大的流速，這也表明叉排時顆粒的整體流動性更好，“停滯區(qū)”內(nèi)顆粒也在參與流動，進而能強化“停滯區(qū)”內(nèi)顆粒的擾動，強化該區(qū)域顆粒與流動區(qū)域內(nèi)顆粒的混合、傳熱。

圖3 水平方向上顆粒的縱向速度分布

圖4為不同管型和管排列方式條件下顆粒與管壁的接觸面積。顆粒與換熱管壁的接觸面積越大，則顆粒與換熱管之間的導熱量則增多。由于顆粒在換熱管周圍的作用力方向不同，在換熱管的圓周方向，顆粒與管壁的接觸面積發(fā)生著顯著變化。在換熱管的正上方，顆粒與管壁的接觸面積最大，而在換熱管的正下方，顆粒與換熱管壁的接觸面積為0，說明該區(qū)域為顆?？障秴^(qū)。當換熱管順排排列時，顆粒與管周向壁面的接觸面積基本相似，其中六邊形管的空隙區(qū)最大，橢圓管的空隙區(qū)最小。當換熱管叉排排列時，顆粒與管上部的接觸面積較大，其中同樣是六邊形管的空隙區(qū)最大，橢圓管的空隙區(qū)最小。因此，顆粒與橢圓換熱管壁間的接觸更緊密，從而更有利于顆粒與管壁間的熱交換。

2.2 換熱管型及排列方式對顆粒傳熱特性的影響

圖5為不同管型和管排列方式條件下顆粒的溫度分布圖。通過前面的分析可知，換熱管排列方式的不同使顆粒在管間的運動軌跡不同，從而影響管間的顆粒溫度分布。換熱管順排排列時，在換熱管的上下相鄰管間存在明顯的顆粒流動“停滯區(qū)”，此區(qū)域內(nèi)的顆粒流動緩慢，進而與換熱管接觸換熱的時間較長，所以在溫度分布圖中可以觀察到顆粒的低溫區(qū)域出現(xiàn)在下層換熱管的正上方。換熱管叉排排列時，管間不存在明顯的流動死區(qū)，故在同一水平高度處顆粒的溫度分布相對均勻。從圖5中可以看出，換熱管管型的變化對顆粒溫度分布的影響并不明顯。

圖4 顆粒與管周向壁面的接觸面積

圖5 顆粒溫度分布隨換熱管管型和排列方式的變化

圖6為不同顆粒流速時各換熱管管型的熱回收率。從圖6中可以看出，在所研究顆粒流速范圍內(nèi)，系統(tǒng)熱回收率隨顆粒流速的增大而不斷下降。雖然顆粒流速的增大會使換熱系數(shù)增大，但同時會有更多比例的顆粒未能與換熱管進行充分的換熱，造成綜合熱回收率的下降，所以在較大顆粒流速工況下，換熱裝置需要裝備更多的換熱管。從圖6中還可以看出，在低顆粒流速下，采用圓形換熱管時系統(tǒng)的余熱回收率相對較高，這是由于在低流速范圍時，顆粒在換熱管周圍的堆積相對密實，換熱管下方的顆粒空隙區(qū)均較小。當換熱管的當量直徑相等時，圓形換熱管的表面積要大于橢圓形換熱管的表面積，因而圓形換熱管與渣粒的換熱量相對較大。隨著顆粒流速的增加，顆粒運動到換熱管下半周的時候會很快脫離換熱管表面，換熱管下方的顆?？障秴^(qū)面積逐漸增大。而對于橢圓形換熱管來說，由于顆粒的流動方向與橢圓的長軸方向相同，顆粒與橢圓換熱管表面的接觸時間相對較長，即實際的換熱面積相對大一些，所以，在高顆粒流速下會出現(xiàn)橢圓形換熱管的熱回收率偏高。但是在實際應(yīng)用當中，橢圓形換熱管的加工難度相對較大，該類型的換熱裝置的制造成本會相對較高，所以，在確定換熱管類型的時候要結(jié)合顆粒的流速及熱回收裝置的制造成本進行綜合考量。

圖6 換熱管管型對熱回收率的影響

3 結(jié) 論

本文以開源代碼MFiX為平臺，基于CFD-DEM方法，對自流床內(nèi)顆粒物料繞流換熱管束的流動與傳熱過程進行了數(shù)值模擬研究，獲得了顆粒繞流管束流動與傳熱的耦合特性。

(1)在換熱管順排排列時，顆粒在流經(jīng)首排換熱管時產(chǎn)生橫向偏移，而后運動軌跡近似為直線；而在換熱管順排排列時叉排時，顆粒繞管呈“S”型流動，顆粒在通道內(nèi)的流動時間相對較長，且加強了顆粒在流動過程中的擾動作用，強化了顆粒與管壁的換熱作用。

(2)在換熱管順排排列時，由于在換熱管的下方存在明顯的顆?！巴^(qū)”，換熱管的上下相鄰管間存在低溫顆粒區(qū)域；在換熱管順排排列時叉排時，由于顆粒的流型強化了顆粒的擾動作用，顆粒在管間同一水平位置的溫度分布更加均勻。

(3)由于換熱管結(jié)構(gòu)形式的不同，菱形管下方的空隙區(qū)最大，橢圓管下方的空隙區(qū)最小，因此顆粒與橢圓換熱管壁間的接觸更緊密，且在高顆粒流速下，橢圓形換熱管的熱回收率相對較高。但考慮橢圓形換熱管的加工難度大等問題，換熱管的選型要根據(jù)熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟效益進行綜合考量。