空冷凝汽器翅片管流態(tài)化清洗的數(shù)值模擬

王升龍 陳東偉 王建江 徐志明 楊善讓

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院)

空冷機(jī)組直接空冷凝汽器運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性取決于翅片管的換熱狀況[1]?？绽鋶u為管束結(jié)構(gòu)，管子數(shù)量多、管間距小且翅片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、翅片間距小。在空冷島運(yùn)行過程中，冷空氣不斷從翅片間通過，夾帶柳絮、泥沙等雜質(zhì)，使翅片管容易積灰或堵塞，致使空氣流動(dòng)阻力增加，傳熱惡化，換熱效果急劇變差，嚴(yán)重影響機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，對(duì)翅片管進(jìn)行清洗、優(yōu)化空氣流場(chǎng)，對(duì)改善凝汽器換熱效果具有重要意義。

為了提高空冷散熱器的換熱效果，文獻(xiàn)[2～5]已從翅片管污垢的清洗方面進(jìn)行論述；文獻(xiàn)[6]針對(duì)污垢的影響因素指出流速對(duì)污垢剝離過程的影響主要表現(xiàn)在壁面剪切應(yīng)力和污垢層本身的強(qiáng)度上；筆者考慮湍流強(qiáng)度、壁面剪切應(yīng)力對(duì)污垢清洗的影響，應(yīng)用Fluent軟件，采用歐拉多相流模型，對(duì)翅片管內(nèi)的液固兩相流的湍流特性、污垢的清洗強(qiáng)度及清洗效果等進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了計(jì)算域入口流體流速、固相顆粒的體積分?jǐn)?shù)、粒徑對(duì)湍流強(qiáng)度、壁面剪切應(yīng)力的影響，探討了滿足清洗效果的條件下，合理的流速，固相體積分?jǐn)?shù)和粒徑的選擇。

1 數(shù)值模擬

1.1幾何模型

筆者采用蛇形翅片管單排管作為清洗對(duì)象，該單排管為扁管芯纖焊硅鋁合金蛇形翅片，呈“幾”字形排列(圖1)，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如下：

翅片長度L200mm

翅片高度h19mm

翅片厚度t0.35mm

翅片間距P2.8mm

扁管長度a220mm

a. 翅片示意圖

b. 扁管示意圖

扁管厚度b1.5mm

扁管半徑r10mm

為便于數(shù)值模擬，將蛇形翅片簡化為矩形翅片?？紤]管束的對(duì)稱性，數(shù)值模擬只取兩根扁平管之間的一半?yún)^(qū)域。在扁平管管長方向，取兩個(gè)相鄰翅片間的區(qū)域作為數(shù)值模擬的計(jì)算域，并將計(jì)算區(qū)域入口邊界和出口邊界分別延長50、150mm，以避免入口處的入口效應(yīng)和出口邊界的回流現(xiàn)象對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。用GAMBIT建立模型，蛇形翅片管的計(jì)算域如圖2所示。

圖2 蛇形翅片管計(jì)算域

1.2控制方程

筆者采用歐拉多相流模型。單相模型中，只求解一套動(dòng)量和連續(xù)性的守恒方程，為了實(shí)現(xiàn)從單相模型到多相模型的改變，必須引入附加的守恒方程。在引入附加的守恒方程的過程中，必須修改原始的設(shè)置。這個(gè)修改涉及到多相體積分?jǐn)?shù)α1,α2,…,αn的引入和相之間動(dòng)量交換的機(jī)理。

1.2.1體積分?jǐn)?shù)

q相的體積Vq定義為：

(1)

αq是第q相的體積分?jǐn)?shù)，則：

(2)

1.2.2質(zhì)量守恒

q相連續(xù)方程為：

(3)

1.2.3動(dòng)量守恒

動(dòng)量守恒方程為：

(4)

(5)

1.3邊界條件

入口為流速型入口條件，分別對(duì)混合相、單相進(jìn)行設(shè)置，入口流速范圍是12～18m/s，固相是不同粒徑的巖屑，密度ρ為2 500kg/m3，粒徑為0.1～0.5mm，體積分?jǐn)?shù)為2%～10%；出口為自由壓力出口；在管束和翅片對(duì)稱平面上，滿足對(duì)稱邊界條件；在扁平管管長方向的兩個(gè)計(jì)算平面上，取為周期性邊界條件；翅片和橢圓基管采用鋁材。

1.4計(jì)算方法

采用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面，各方程的離散化均采用一階迎風(fēng)格式，壓力與流速的耦合關(guān)系采用Simple算法。求解器采用壓力基隱式求解器。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1湍流強(qiáng)度分析

圖3為相同粒徑(0.4mm)時(shí)，不同流速、體積分?jǐn)?shù)對(duì)湍流強(qiáng)度的影響。由圖3可知，固相顆粒的引入使湍流強(qiáng)度增加，有利于除垢，湍流強(qiáng)度隨著流速和固相體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。流速和固相體積分?jǐn)?shù)Vα在較小的變化范圍內(nèi)對(duì)湍流強(qiáng)度的影響幾乎相同，隨著流速和體積分?jǐn)?shù)的增大，體積分?jǐn)?shù)對(duì)湍流強(qiáng)度的影響大于流速對(duì)湍流強(qiáng)度的影響。在空冷凝汽器高壓水除垢過程中，考慮到節(jié)水、節(jié)能，可以合理的增加固相體積分?jǐn)?shù)。

圖3 流速、體積分?jǐn)?shù)對(duì)湍流強(qiáng)度的影響

圖4為相同流速(14m/s)時(shí)，不同固相粒徑、體積分?jǐn)?shù)對(duì)湍流強(qiáng)度的影響。由圖4可知，湍流強(qiáng)度隨著固相粒徑和體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，說明固相粒徑和體積分?jǐn)?shù)的增大，加大了擾流強(qiáng)度。同時(shí)由圖4可以看出，在體積分?jǐn)?shù)Vα較小時(shí)(2%～4%)，隨著顆粒粒徑的增加湍流強(qiáng)度變化幅度較??；在體積分?jǐn)?shù)Vα相對(duì)較大時(shí)(6%～10%)，隨著顆粒粒徑的增加湍流強(qiáng)度變化幅度較大，在實(shí)際工程條件允許條件下，顆粒粒徑可以選擇在0.3～0.5mm之間。

圖4 固相粒徑、體積分?jǐn)?shù)對(duì)湍流強(qiáng)度的影響

2.2壁面剪切應(yīng)力分析

圖5為在相同粒徑(0.4mm)下，流速、固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)翅片流道平均剪切應(yīng)力影響曲線。由圖5可知，固相顆粒的引入，翅片管壁面的平均剪切應(yīng)力均高于單相水(Vα=0%)的平均剪切應(yīng)力。在顆粒粒徑相同時(shí)，隨著流速的增大和體積分?jǐn)?shù)的增加，翅片管平均剪切應(yīng)力增大，有利于壁面污垢的清洗。圖5表明流速和體積分?jǐn)?shù)對(duì)平均剪切應(yīng)力的影響效果強(qiáng)弱不同，體積分?jǐn)?shù)增大對(duì)平均剪切應(yīng)力的影響明顯大于流速增加的影響。對(duì)翅片管進(jìn)行流態(tài)化清洗時(shí)，為了達(dá)到同樣的除垢效果而又能夠節(jié)水節(jié)能，可以合理增加固相體積分?jǐn)?shù)。

圖5 流速、固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)平均剪切應(yīng)力的影響

圖6為入口流速相同(14m/s)時(shí)，固相粒徑、體積分?jǐn)?shù)對(duì)翅片流道平均剪切應(yīng)力的影響曲線。圖6表明：在入口流速相同時(shí)，隨著顆粒粒徑和體積分?jǐn)?shù)的增加，翅片管壁面的平均剪切應(yīng)力增大，而且增加體積分?jǐn)?shù)對(duì)壁面剪切應(yīng)力的影響明顯大于粒徑增大時(shí)的影響。對(duì)翅片管進(jìn)行流態(tài)化清洗時(shí)，為了達(dá)到同樣的除垢效果而又能節(jié)水節(jié)能，可以合理增加固相體積分?jǐn)?shù)和粒徑，而在一定范圍內(nèi)體積分?jǐn)?shù)越大時(shí)，增加粒徑的清洗效果越明顯。

圖6 固相粒徑、體積分?jǐn)?shù)對(duì)平均剪切應(yīng)力的影響

2.3污垢清洗經(jīng)濟(jì)性分析

筆者為了評(píng)價(jià)流態(tài)化清洗效果，以某公司空冷凝汽器清洗設(shè)備為依據(jù)，該設(shè)備單個(gè)噴嘴流量為6.1L/min，噴口直徑1.1mm，為了保證相應(yīng)的噴淋面積，安裝高度250mm(即噴頭距模擬流速入口200mm)，可以徹底清除凝汽器翅片縫隙中灰塵及污物。筆者對(duì)其噴頭噴射流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，噴射流速隨噴射位移的變化分布狀況如圖7所示。位移從0.000～0.025m為噴頭內(nèi)流速變化，在x=0.025m處噴射流速達(dá)到最大，即噴口處流速最大。由圖7可知，在x=0.225m(模擬流速入口處)時(shí)流速約為18m/s，以該流速對(duì)應(yīng)的翅片處的平均剪切應(yīng)力值(1 540Pa)作為清洗干凈的依據(jù)，圖5中水平虛線以上的平均剪切應(yīng)力均能滿足清洗要求。

圖7 噴射流速隨位移變化曲線

在滿足清洗要求情況下，要綜合考慮流體的流速、固相體積分?jǐn)?shù)和粒徑對(duì)節(jié)水節(jié)能的影響。流速和固相體積分?jǐn)?shù)不能選擇過大，流速越大能耗越大，體積分?jǐn)?shù)過大則容易堵塞流道。因此，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選出能夠滿足翅片處的平均剪切應(yīng)力要求的數(shù)據(jù)列于表1。在所模擬范圍內(nèi)綜合考慮節(jié)水節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性因素，蛇形翅片管流態(tài)化清洗的最佳參數(shù)為流速14m/s，體積分?jǐn)?shù)為8%，粒徑為0.3mm。

表1 不同流速、固相粒徑、體積分?jǐn)?shù)在翅片入口處壓力

3 結(jié)論

3.1在原有高壓水射流清洗的基礎(chǔ)上，引入固體顆粒，進(jìn)行液固兩相流態(tài)化清洗，提高了清洗效果，為實(shí)現(xiàn)空冷凝汽器翅片管在線清洗的節(jié)水節(jié)能提供了依據(jù)。

3.2湍流強(qiáng)度、剪切應(yīng)力均隨流速、粒徑和體積分?jǐn)?shù)增加而增大，三者相比，體積分?jǐn)?shù)的作用效果最明顯，粒徑的作用效果最弱。為了達(dá)到最佳的清洗效果，要綜合考慮這3方面因素。

3.3綜合考慮節(jié)水節(jié)能，蛇形翅片管流態(tài)化清洗存在一個(gè)最佳的參數(shù)：翅片管進(jìn)口流速為14m/s，固相粒徑0.3mm，體積分?jǐn)?shù)為8%。

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