高溫煙氣水冷換熱管的數(shù)值模擬及結構優(yōu)化

摘 要 由于煙氣水冷熱交換器煙氣側溫度很高，能快速提升換熱管的溫度，如果此時冷卻水吸收的熱量不足以冷卻換熱管則會造成換熱管超溫爆管。采用FLUENT軟件對某新型煙氣急冷器換熱管進行數(shù)值模擬，并進行結構優(yōu)化。結果顯示，由于煙氣入口側的溫度較高，流速較快，造成換熱管壁面溫度也較高，從而導致?lián)Q熱管外的冷卻水形成膜狀沸騰。對異形換熱管進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)與圓形換熱管相比冷卻水側產(chǎn)生的水蒸氣分布更均勻，在壁面處不會形成局部水蒸氣含量過多的情況，同時能使換熱管壁面最高溫度降低約265 K，使換熱管壁面平均溫度降低4.8%～8.3%。并且研究了煙氣處理量對換熱管的影響，發(fā)現(xiàn)隨著煙氣處理量的增加，煙氣出口溫度和換熱管壁面溫度也隨之升高；在相同的煙氣處理量下，異形管外冷卻水吸收的熱量多于圓形管外冷卻水吸收的熱量。

關鍵詞 急冷換熱器 高溫煙氣 沸騰吸熱 異形管 數(shù)值模擬

中圖分類號 TQ051.5 " 文獻標志碼 A " 文章編號 0254?6094（2024）04?0539?07

急冷換熱器是在高溫高壓條件下工作的，管內(nèi)高溫氣體與管外冷卻水進行換熱，若冷卻水不能及時將熱量吸收并帶走，則會出現(xiàn)管壁長時過熱而爆管的情況［1，2］。炭黑煙氣是在高溫條件下裂解炭黑原料油與燃料油生產(chǎn)炭黑的過程中產(chǎn)生的復雜煙氣，主要含微量固體顆粒物（炭黑）、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、氫及其他氣體［3］。趙加佩等研究了輻射廢熱鍋爐內(nèi)合成氣體的輻射特性［4］。張禹等對煙氣水冷換熱管的輻射換熱進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著煙氣入口溫度的不斷提高，輻射換熱甚至能達到總換熱的40%以上，輻射換熱的影響不能忽略［5］。

當炭黑煙氣加熱換熱管，使管壁溫度高于液體的飽和溫度時，發(fā)生池沸騰。完整的池沸騰曲線可分為自然對流、核態(tài)沸騰、過渡膜沸騰、穩(wěn)定的膜沸騰4種狀態(tài)，大多數(shù)被動式換熱器設計在核態(tài)池沸騰條件下運行。王尊策等研究了急冷器雙套管內(nèi)的流場與溫度場分布，發(fā)現(xiàn)當熱流密度過大時，核態(tài)沸騰轉變?yōu)槟B(tài)沸騰時在管壁面形成了一層氣膜，阻礙了冷卻水吸收壁面?zhèn)鬟f的熱量，使壁面溫度急劇上升并超過管材的使用溫度，最終導致管壁發(fā)生超溫失效［6］。PARLATAN Y和ROHATGI U S研究了水在接近大氣壓的垂直表面上沸騰時在自然對流、核態(tài)沸騰、過渡膜沸騰和穩(wěn)定膜沸騰狀態(tài)下，熱通量和傳熱系數(shù)隨壁面過熱溫度的變化規(guī)律［7］。李超等研究了火管式余熱鍋爐管板冷卻室內(nèi)的傳熱與流動，發(fā)現(xiàn)在煙氣入口處煙氣尚未被有效冷卻，其溫度較高，極易引起合成氣管端部燒損［8］。潘金平等研究了

15CrMo鋼隨保溫時間的延長，珠光體球化程度的變化，發(fā)現(xiàn)當使用溫度大于550 ℃時，珠光體球化程度嚴重，其熱強性能顯著降低［9］。筆者應用

FLUENT軟件對急冷鍋爐內(nèi)部沸騰過程進行了數(shù)值模擬研究，以得到急冷鍋爐內(nèi)部流場和溫度場的分布特性，為后續(xù)的換熱管失穩(wěn)原因分析提供依據(jù)。

1 設計工況

山東某炭黑企業(yè)收集的炭黑煙氣組成成分除含80～100 g/m3的炭黑外，還含有N、CO、H、

CH、O等，據(jù)此可知進入換熱器的煙氣主要組分見表1［10］。

根據(jù)虞斌等研究的高溫高含塵爐氣急冷器系統(tǒng)的工藝要求和設備運行狀況［11］，設定煙氣水冷換熱器工況輸入條件如下：

煙氣進口溫度T 1 773 K

煙氣進口密度ρ 0.47 kg/m3

煙氣進口流速V 6.5 m/s

煙氣側壓強p 0.3 MPa

冷卻水進口溫度T 393 K

冷卻水進口流速V 0.6 m/s

冷卻水側壓強p 4 MPa

急冷器熱端集箱的結構尺寸和材料如下：

換熱管內(nèi)徑 52 mm

換熱管壁厚 5 mm

換熱管長度 1 500 mm

煙氣入口管直徑 1 000 mm

殼體直徑 1 216 mm

殼體壁厚 12 mm

換熱管材料 15CrMo

2 研究對象及網(wǎng)格無關性驗證

為了研究煙氣水冷熱交換器設計結構是否安全，對換熱器進行了數(shù)值模擬驗證。煙氣水冷熱交換器主要換熱區(qū)域如圖1所示。異形管結構如圖2所示，其物理模型和網(wǎng)格劃分如圖3所示。

采用FLUENT軟件進行網(wǎng)格劃分。由于換熱器整體關于中心面對稱，所以選取二分之一模型進行計算。對模型分別劃分158萬、194萬、241萬和293萬個網(wǎng)格進行數(shù)值模擬。圖4是煙氣出口速度和進出口煙氣壓降隨網(wǎng)格數(shù)的變化圖。其中網(wǎng)格數(shù)241萬與293萬相比，煙氣出口速度差值為1.25%，進出口煙氣壓降差值為3.1%，說明達到241萬后網(wǎng)格數(shù)量的增加對結果的影響不大。綜合考慮計算所需的時間和精度，最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為241萬。

3 模型及邊界條件設置

模型可劃分為兩個流域，管內(nèi)為高溫煙氣流域，管外為冷卻水流域。煙氣流域為單相湍流流動，主要考慮對流和輻射換熱；冷卻水流域為兩相沸騰流動，主要考慮沸騰換熱。

3.1 湍流模型

由于模型結構簡單，計算能力需求較低，基于雷諾N?S方程的k?ε模型已在燃燒器、換熱器及輻射鍋爐等工程問題中獲得了廣泛的應用和驗證［12，13］。文中采用Realizable k?ε模型來計算模型中的湍流流動。具體如下：

其中，μ=ρck；c=1/（A+Ak/ε）；c=max（0.43，η/（η+5））；η=s/ε；σ=1.2；c=1.9。

3.2 輻射模型

由于煙氣溫度較高，文中考慮了輻射傳熱過程。根據(jù)煙氣組成成分參考《工業(yè)鍋爐設計計算方法》對煙氣的物性進行計算?？紤]到DO模型的計算精度，且DO模型在鍋爐、換熱器中已獲得了廣泛的應用和驗證［14，15］。筆者采用DO模型進行計算，其輻射傳熱方程為：

式中 I——輻射強度；

I——黑體輻射強度。

k——介質(zhì)的吸收系數(shù)；

k——介質(zhì)的散射系數(shù)。

3.3 兩相流模型

VOF模型是一種在固定的歐拉網(wǎng)格下追蹤各相交界面的方法，適用于模擬一種或多種互不相溶流體間的交界面。計算時，不同的流體組分共用一套動量方程，每個計算單元內(nèi)都記錄下各相流體的體積分數(shù)。VOF模型模擬氣液界面演化行為已得到了廣泛的應用［16，17］。筆者采用VOF模型模擬冷卻水側的沸騰換熱。

3.4 模型邊界條件設置

入口條件，煙氣側設置速度進口6.5 m/s，溫度1 773 K，煙氣發(fā)射率0.385；冷卻水側設置質(zhì)量流量進口1.1 kg/s，溫度393 K，水的發(fā)射率取0.96。

出口條件，設置煙氣側為壓力出口，壓力為0.3 MPa；冷卻水側為壓力出口，壓力為4 MPa。

壁面條件，設置壁面材料為15CrMo，壁面厚度為5 mm，內(nèi)部發(fā)射率為0.850。

4 結果分析

4.1 理論分析

煙氣水冷熱交換器在煙氣側是輻射與對流耦合的換熱，根據(jù)輻射換熱公式計算輻射換熱系數(shù)kr：

k=（4）

式中 T——煙氣溫度，K；

T——壁面溫度，K；

α——煙氣吸收率；

ε′——煙氣輻射率；

ε′——壁面輻射率；

σ——黑體輻射常數(shù)，5.678×10 "W/（m·K）。

對流換熱系數(shù)采用Sieder?Tate的經(jīng)驗公式計算，即：

Nu=0.023RePr（）（5）

其中，Nu、Re與Pr均是無量綱數(shù)；μ/μ一般情況下取為1。

4.2 數(shù)值模擬結果分析

圖5為急冷器熱端集箱在中心對稱面處的溫度云圖，由圖5可以看出，急冷器煙氣入口側溫度較高，流入換熱管后溫度逐漸降低，在煙氣出口處平均溫度為1 285 K。冷卻水平均溫度為465 K，小于此時工況下的飽和溫度，所以冷卻水側為過冷沸騰。

圖6為急冷器熱端集箱在中心對稱面處的速度云圖，由圖6可以看出，在煙氣流入換熱管時，平均流速驟然升高至85.6 m/s，流入換熱管后流速逐漸降低，煙氣出口處平均流速降至64.5 m/s。冷卻水側流速幾乎為零。

圖7為急冷器熱端集箱的壓力云圖，由圖7a可以看出，在煙氣入口側壓力最大，出口側壓力最小，進出口壓降為2 516 Pa。由圖7b可以看出，冷卻水流域壓降變化不大，進出口壓降為843 Pa。

結合溫度場和速度場可以分析出，在煙氣入口側的煙氣溫度較高，流速較快，而冷卻水的流速幾乎為零，此處換熱管可能存在溫度過高的情況。當冷卻水被持續(xù)加熱達到飽和溫度后，冷卻水將會汽化吸收大量熱量。

圖8是圓形換熱管外冷卻水體積分數(shù)云圖，圖9是異形換熱管外冷卻水體積分數(shù)云圖。A?A截面是距離煙氣入口端部200 mm處的截面。對比圖8、9可以發(fā)現(xiàn)，異形換熱管外水蒸氣分布較均勻，同時在壁面處不會形成局部蒸汽含量過高的情況。

圖10是距離煙氣入口端部200 mm處圓形管壁面溫度沿徑向的分布。由圖10可以看出，壁面溫度沿徑向逐漸降低，并且分布不均勻，不同角度處最多相差10 K左右，整體平均溫度約930 K。

圖11是距離煙氣入口端部200 mm處異形管壁面溫度沿徑向的分布，由圖11可以看出，相比圓管壁面溫度分布異形管壁面溫度較均勻，整體平均溫度為765 K，比圓形管壁面溫度降低了約165 K。

圖12是壁面平均溫度和平均熱流密度沿z軸的變化，由圖12可以看出，當采用異形管時，首先可以使換熱管壁面最高溫度降低265 K，其次采用異形管時入口側壁面溫度可以很快冷卻到材料允許的溫度范圍內(nèi)，使換熱管在安全的工況下工作；同時采用異形管可以提高約7.8%的煙氣入口側熱流密度。在煙氣出口側，由于進口冷卻水溫度為393 K，尚未達到沸點523 K，此時主要是冷卻水與煙氣管道的對流換熱，熱流密度較小。

4.3 煙氣處理量對換熱性能的影響

保持煙氣的成分比例、入口溫度一定，改變每根換熱管的平均煙氣處理量，分析不同煙氣處理量下異形管和圓形管的換熱特性。

圖13是出口煙氣溫度隨煙氣處理量的變化，由圖13可以看出隨著煙氣處理量的增加，出口煙氣溫度隨之上升，并且異形管和圓形管之間的差值逐漸減小。這是因為隨著煙氣處理量的增加，輻射換熱量所占的比例逐漸減小，而采用異形管主要是通過降低換熱管壁面的溫度從而增加了高溫煙氣輻射換熱量。

圖14是壁面平均溫度和冷卻水吸收熱量隨煙氣處理量的變化圖。由圖14可以看出隨著煙氣處理量的增加管壁面平均溫度和冷卻水吸收熱量都增加。并且在相同煙氣處理量下，圓形管的出口煙氣溫度和換熱管壁面平均溫度高于異形換熱管，導致圓形換熱管冷卻水側吸收的熱量少于異形換熱管。

5 結論

5.1 對比了圓形換熱管和異形換熱管的換熱效果，發(fā)現(xiàn)異形換熱管外冷卻水側水蒸氣分布較均勻，在壁面處不會形成局部的水蒸氣含量過多的情況，同時可以使換熱管壁面平均溫度最高值降低約265 K。

5.2 隨著煙氣處理量的增加，出口煙氣溫度和換熱管壁面溫度隨之升高；在相同的煙氣處理量下，異形換熱管外冷卻水吸收的熱量多于圓形換熱管外冷卻水吸收的熱量。

參 考 文 獻

［1］ 宋理彬.某320MW亞臨界鍋爐水冷壁爆管失效分析［J］.安徽電氣工程職業(yè)技術學院學報，2022，27（3）：46-52.

［2］ 王彥剛，王洪利，梁精龍，等.轉爐汽化冷卻煙道數(shù)值模擬［J］.化學工程，2022，50（10）：69-73.

［3］ 和淑婷.山東某炭黑企業(yè)炭黑尾氣利用煙氣脫硫脫硝凈化技術經(jīng)濟分析［J］.煤炭加工與綜合利用，2020（9）：74-79.

［4］ 趙加佩，周昊，岑可法.輻射廢鍋內(nèi)高溫高壓合成氣的輻射特性［J］.浙江大學學報（工學版），2010，44（9）：1781-1786.

［5］ 張禹，褚浩然，徐衛(wèi)，等.煙氣水冷換熱器考慮熱輻射影響時的數(shù)值模擬［J］.化學工程，2020，48（3）：42-47；78.

［6］ 王尊策，孔令真，徐艷.急冷鍋爐內(nèi)流場傳熱特性及失效分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2011，43（S1）：131-135.

［7］ "PARLATAN Y， ROHATGI U S. Simple Model of Boiling Heat Transfer on Tubes in Large Pools［J］.Journal of Heat Transfer，1997，119（2）：376-379.

［8］ 李超，黃波，代正華，等.火管式余熱鍋爐管板冷卻室內(nèi)流動傳熱研究［J］.中國電機工程學報，2015，35（17）：4423-4429.

［9］ 潘金平，潘柏定，程宏輝，等.15CrMoG鋼管的壽命評估新方法［J］.金屬熱處理，2012，37（10）：71-75.

［10］ 張慧明，牛平波，林小妍.炭黑工業(yè)煙氣余熱的回收及利用［J］.節(jié)能，1996（2）：31-35.

［11］ 虞斌，涂善東，莫遜.高溫高含塵爐氣急冷器：CN20101094938.3［P］.2010-06-08.

［12］ 吳孟麗，王馳宇，李世偉，等.新型橫紋螺旋盤管強化傳熱的數(shù)值模擬［J］.熱能動力工程，2018，33（1）：27-32.

［13］ 鄧斌，陶文銓.管殼式換熱器殼側湍流流動的數(shù)值模擬及實驗研究［J］.西安交通大學學報，2003，37（9）：889-893；924.

［14］ 支靜濤，劉浩，蘇賢偉，等.凸起黑體輻射元件對鍛壓爐爐膛輻射換熱的影響［J］.南京師范大學學報（工程技術版），2016，16（1）：48-52.

［15］ 郭磊.對FLUENT輻射模型的數(shù)值計算與分析［J］.制冷與空調(diào)（四川），2014，28（3）：358-360.

［16］ 張勇，郝奇，耿佃橋.R32在傾斜微通道中流動沸騰換熱的數(shù)值模擬［J］.低溫與超導，2020，48（10）：62-67；78.

［17］ 羅新奎，王小軍，羅云，等.R30在矩形微通道內(nèi)沸騰換熱數(shù)值模擬［J］.真空與低溫，2017，23（2）：120-123.

（收稿日期：2023-06-28，修回日期：2024-07-08）

Numerical Simulation and Structural Optimization of High

Temperature Flue Gas Water?cooled Heat Exchange Pipe

LV Lin， YU Bin， WANG Feng?lu， SHANG Yu?xun

（School of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University）

Abstract " The high temperature on the flue gas side of the flue gas water?cooled heat exchanger can raise temperature of the heat exchange tube quickly and the insufficient "heat absorbed by cooling water will overheat the heat exchange tube and burst. In this paper， having FLUENT software adopted to simulate new flue gas quenching cooler’s heat exchange tube and optimize its structure was implemented. The results show that， high temperature at the inlet side of the flue gas and the fast flow rate， as well as high wall temperature of the heat exchange tube can incur cooling water’s film boiling outside the heat exchange tube. The numerical simulation results show that， compared with the circular heat exchanger， the distribution of water vapor generated on the cooling water side becomes more uniform and the local water vapor is not excessive at the wall. At the same time， the wall’s maximum temperature of the heat exchanger tube can be reduced by about 265 K and the wall’s average temperature there reduced by 4.8% to 8.3%. Investigating the effect of flue gas treatment on heat exchange pipe indicates that， with the increase of flue gas treatment， both outlet temperature of flue gas and wall temperature of heat exchange pipe rises. Under the same amount of flue gas treatment， the heat absorbed by the cooling water outside the profiled tube is more than that absorbed by the cooling water outside the circular tube.

Key words " quenching heat?exchanger， high?temperature flue gas， boiling endothermic， special?shaped pipe， numerical simulation

作者簡介：呂林（1998-），碩士研究生，從事高效傳熱傳質(zhì)設備的研究。

通訊作者：虞斌（1965-），教授，從事化工過程機械的研究，abyu@njtech.edu.cn。

引用本文：呂林，虞斌，王風錄，等.高溫煙氣水冷換熱管的數(shù)值模擬及結構優(yōu)化［J］.化工機械，2024，51（4）：539-545.