套管換熱式旋風(fēng)除塵器數(shù)值模擬

袁永萬，閔春華，姜永超，劉建博，李小龍，陳占秀

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300401）

套管換熱式旋風(fēng)除塵器數(shù)值模擬

袁永萬，閔春華，姜永超，劉建博，李小龍，陳占秀

（河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津300401）

設(shè)計(jì)了一種套管換熱式旋風(fēng)除塵器，用于回收煙氣余熱.采用數(shù)值模擬的方法研究了套管式旋風(fēng)除塵器的換熱性，并與熱管換熱式旋風(fēng)除塵器進(jìn)行了比較.結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對于熱管式旋風(fēng)除塵器，隨著熱管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)溫度增加，熱回收率降低；對于套管式旋風(fēng)除塵器，隨著套管進(jìn)口水流速增加，熱回收量增加，且一般情況下，熱回收量高于熱管式旋風(fēng)除塵器；根據(jù)需要可采用帶突起的旋風(fēng)除塵器，在研究范圍內(nèi)，熱回收量是熱管式旋風(fēng)除塵器熱回收量的1.33～3.06倍；套管式旋風(fēng)除塵器因?yàn)闅饬餍D(zhuǎn)運(yùn)動，壁面附近邊界層較薄，故換熱較強(qiáng).

旋風(fēng)除塵器；套管；強(qiáng)化傳熱；余熱回收；數(shù)值模擬

0 引言

我國工業(yè)發(fā)展具有高能耗、高污染特點(diǎn)[1].工業(yè)煙氣在排放前均要經(jīng)過凈化處理.本文關(guān)注的是煙氣中煙塵的處理.旋風(fēng)除塵器是目前一種有效的除塵裝置，含塵煙氣在筒體內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在離心力的作用下被甩向壁面與器壁接觸，與氣體相分離，通過排灰口排出，潔凈氣流在中心向上排出.關(guān)于旋風(fēng)除塵器，主要針對流場分析和提高除塵效果開展研究，如張雅等[2]模擬了旋風(fēng)除塵器內(nèi)流場湍流的各向異性特性.王帥等[3]采用LES-DEM方法研究了旋風(fēng)除塵器內(nèi)的氣固兩相流動特性.Hu等[4]的模擬研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)口處、頂灰環(huán)處、排灰口處及上行氣流與下行氣流交界處，湍流強(qiáng)度大且變化尖銳.大部分區(qū)域存在著湍流的各向異性.時(shí)均切向速度在環(huán)形空間內(nèi)是不對稱的，時(shí)均軸向速度在排氣管內(nèi)的流動與在主體區(qū)域內(nèi)的流動是不同的.Bernardo等[5]對不同入口角度的蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬.Wang等[6]研究了出口段長度對旋風(fēng)除塵器內(nèi)部流場的影響.趙宏強(qiáng)等[7]采用大渦模擬方法研究了旋風(fēng)除塵器內(nèi)的速度分布規(guī)律.宋健斐等[8]利用改進(jìn)的雷諾應(yīng)力模型及顆粒隨機(jī)軌道模型對旋風(fēng)除塵器內(nèi)顆粒濃度進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)了顆粒逃逸區(qū)域、顆粒捕集區(qū)及中間顆粒分離區(qū)的分布狀況.李丹等[9]分析入口速度及顆粒粒徑對于旋風(fēng)除塵器內(nèi)固體顆粒軌跡的影響，探索旋風(fēng)除塵器的運(yùn)動機(jī)理，結(jié)果表明，入口速度與顆粒粒徑均對旋風(fēng)除塵器的顆粒軌跡具有影響，且小顆粒更易受到入口速度影響.李濟(jì)吾等[10]建立了旋風(fēng)靜電除塵器三維模型，研究了供電電流與除塵效果的影響.Elsayed[11]提出了一種新擴(kuò)口型的排氣管，降低壓降，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的旋風(fēng)分離器與傳統(tǒng)的普通旋風(fēng)分離器相比，節(jié)省66%的驅(qū)動電源.高翠芝等[12]研究了排氣管直徑與形態(tài)對旋風(fēng)除塵器中心軸向流速的影響，優(yōu)化了旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu).Oscar等[13]對5～15 μm直徑范圍內(nèi)的除塵效果進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)隨著壓降減小導(dǎo)致分離效率增加的原因是切向速度的峰值隨著壓降的減小而向筒壁移動.

旋風(fēng)除塵器可與節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，如文獻(xiàn)[13-14]提出了一種熱管換熱式旋風(fēng)除塵器，用于回收煙氣余熱.本文提出一種套管式旋風(fēng)除塵器用于回收煙氣余熱，并與文獻(xiàn)中熱管換熱式旋風(fēng)除塵器的熱回收效果進(jìn)行比較.

1 模型建立

本文建立加設(shè)熱管或套管結(jié)構(gòu)的旋風(fēng)除塵器，用于回收煙氣余熱.熱管式旋風(fēng)除塵器參考文獻(xiàn)[14]中的結(jié)構(gòu)，本文重點(diǎn)研究套管式旋風(fēng)除塵器，并與熱管式旋風(fēng)除塵器進(jìn)行比較.旋風(fēng)除塵器煙氣流動為典型的氣固兩相流，在流動與換熱特性上與單相流有顯著差異.本文在相同條件比較兩種結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果，為簡化模擬，僅考慮單相流動.

1.1 旋風(fēng)除塵器物理模型的建立

首先，在文獻(xiàn)[14-16]的基礎(chǔ)上，建立了內(nèi)含15根熱管的旋風(fēng)除塵器，如圖1a）所示.圖中熱管僅畫出蒸發(fā)段，其長度與旋風(fēng)除塵器高度相等.熱管的特點(diǎn)是可在較低溫差下工作.對于蒸發(fā)端，工質(zhì)達(dá)到飽和狀態(tài)下的蒸發(fā)溫度.忽略固體壁導(dǎo)熱熱阻和熱管內(nèi)對流傳熱熱阻，則熱管外表面的溫度可近視為蒸發(fā)溫度.模擬時(shí)，將熱管近似處理為恒壁溫，即蒸發(fā)溫度.為避免出口回流對內(nèi)部流場的影響，在旋風(fēng)除塵器煙氣出口上增加了一圓管，圓管長度是直徑的10倍，其它模型出口處理方式相同.熱管式旋風(fēng)除塵器模擬結(jié)果作為套管換熱式旋風(fēng)除塵器的比較基礎(chǔ).

然后，作為本文的核心，建立了套管換熱式旋風(fēng)除塵器，其結(jié)構(gòu)是在旋風(fēng)除塵器圓筒外增加一個(gè)同心套管，套管內(nèi)流動介質(zhì)為水，結(jié)構(gòu)如圖1b）所示.旋風(fēng)除塵器內(nèi)煙氣和套管內(nèi)的流體均作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且運(yùn)動方向相反，與壁面之間的摩擦力較大，故換熱較強(qiáng).為進(jìn)一步增強(qiáng)換熱，在旋風(fēng)除塵器圓筒上利用小球向里按壓，得到球冠形凸起，小球直徑為100 mm，球冠形凸起的高度為30 mm，如圖1c）所示.各圖中，煙氣進(jìn)口管、進(jìn)水管和出水管與x方向平行，z軸正方向向上，坐標(biāo)原點(diǎn)在排灰口中心.模型主要尺寸與文獻(xiàn)[14]相同，如表1所示.值得注意的是，旋風(fēng)除塵器對圓度及表面光滑度要求較高，否則降低除塵效率，增加流動阻力.本文在旋風(fēng)除塵器表面設(shè)置球冠形突起，可能破壞上述要求，影響除塵效率及增加流動阻力.因此，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)情況減少突起的數(shù)量及尺寸.另外，根據(jù)余熱回收量，初步設(shè)定套管尺寸.后續(xù)工作將陸續(xù)開展上述方面的研究工作.

圖1 旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a cyclone separator

表1 模型幾何尺寸Tab.1 Geometrical sizes of the model mm

1.2 計(jì)算方法與邊界條件

旋風(fēng)除塵器內(nèi)的流動介質(zhì)為煙氣，套筒內(nèi)的流動介質(zhì)為水.假定煙氣的物性參數(shù)與空氣相同，且為常數(shù).模擬中需求解質(zhì)量方程、動量方程與能量方程，利用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算.對計(jì)算區(qū)域劃分非均勻網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相混合的網(wǎng)格形式.網(wǎng)格總數(shù)約180萬，滿足網(wǎng)格獨(dú)立性解.采用RNG k-ε模型處理湍流流動.采用SIMPLEC算法處理速度與壓力的耦合關(guān)系.迭代計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)性方程和動量方程的殘差分別小于1×10-6和1×10-8或迭代殘差不隨迭代次數(shù)變化.

邊界條件設(shè)置為：進(jìn)口邊界給定速度和溫度，煙氣進(jìn)口流速和溫度分別給定為20 m/s和300℃；出口邊界為壓力出口；固體壁面采用無滑移邊界條件，熱管表面溫度給定.

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的正確性，將本文模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[12]中用到的Stairmand模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.用于比較的模型尺寸和邊界條件與文獻(xiàn)[12]中的相同，即圓筒直徑為200 mm、圓通高度為300 mm、圓錐高度為500 mm、進(jìn)口高度為100 mm、進(jìn)口寬度為40 mm、排煙管直徑為100 mm、排灰口直徑為75 mm.取排灰口中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，向上為z軸正方向.在z=510 mm截面上，經(jīng)過中心軸各點(diǎn)的切向速度uτ分布如圖2所示.可以看出，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，證明模型可靠.

圖2 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Fig.2 Comparison of numerical and experimental results

3 結(jié)果與討論

3.1 熱管換熱式旋風(fēng)除塵器煙氣換熱率與熱管蒸發(fā)溫度的關(guān)系

圖3所示為熱管式旋風(fēng)除塵器熱回收量與熱管表面溫度之間的關(guān)系，圖中Φ為熱回收量.可以看出，隨著熱管表面溫度的升高，煙氣余熱回收量越低.考慮到20℃為常溫狀態(tài)，對于熱管，幾乎達(dá)到最低溫度，此時(shí)余熱回收量最高.本文后面以該溫度的熱管式旋風(fēng)除塵器為比較基準(zhǔn)，分析套管式旋風(fēng)除塵器的熱回收量，凸顯套管式旋風(fēng)除塵器的熱回收效果.

圖3熱回收量與蒸發(fā)溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between heat recovery and wall temperature of the heat pipe

圖4 所示為通過除塵器中心軸截面的煙氣溫度分布.可以看出，一方面，相對于壁面附近的煙氣，中心處煙氣溫度較低，表明熱管的顯著吸熱作用.另一方面，由于壁面煙氣溫度較高，說明未充分利用該部分煙氣的加熱作用.但壁面附近不能布置熱管，因?yàn)檫@樣會阻礙煙氣的旋轉(zhuǎn)流動，并進(jìn)一步阻礙除塵效果.因此，熱管式旋風(fēng)除塵器余熱回收效果有待改進(jìn)，也是本文開展套管式旋風(fēng)除塵器研究的原因之一.

圖4 通過除塵器中心軸截面溫度分布Fig.4 Temperature distribution through the center of the cyclone seperator

3.2 套管式旋風(fēng)除塵器與帶突起的套管式旋風(fēng)除塵器熱回收率

對于帶突起的套管式旋風(fēng)除塵器，突起數(shù)量為32個(gè).不同進(jìn)口水的流速下，熱回收量如圖5所示.可以看出：1）隨著進(jìn)口水流速增加，熱回收量逐漸增加，且當(dāng)流速大于1.0 m/s后，熱回收量的增加程度降低；2）對于不帶突起的套管式旋風(fēng)除塵器，當(dāng)流速為0.5 m/s時(shí)，熱回收量約為103.8 kW，略高于熱管式旋風(fēng)除塵器，表明套管式旋風(fēng)除塵器熱回收效果較好；3）對于帶突起的套管式旋風(fēng)除塵器，進(jìn)口水流速在0.1～1.5 m/s范圍內(nèi)，熱回收量由134.2 kW增加到308.4 kW，是熱管式旋風(fēng)除塵器熱回收量的1.33～3.06倍.設(shè)置突起后，可能導(dǎo)致除塵效果降低和流動阻力增大.這一問題將在后續(xù)研究中展開.

圖5 不同水進(jìn)口流速下熱回收量Fig.5 Heat recovery under different water inlet velocity

3.3 強(qiáng)化傳熱機(jī)理分析

以上分析表明，由于傳熱增強(qiáng)，帶突起的套管式旋風(fēng)除塵器具有較好的熱回收效果.根據(jù)流線分布規(guī)律揭示強(qiáng)化傳熱機(jī)理，在除塵器內(nèi)，取一通過有突起的截面（這里取z=3.75 m），給出有突起和無突起兩種情況下該截面的速度流線圖，如圖6所示.可以看出，對于無突起的情況，流線光滑，且由于煙氣高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，破壞了壁面附近邊界層的發(fā)展，因此，換熱較強(qiáng)；對于有突起的情況，由于受到突起的擾動作用，流線發(fā)生彎曲，并在除塵器內(nèi)產(chǎn)生旋渦，進(jìn)一步破壞邊界層的發(fā)展，因此，換熱更強(qiáng).另外，雖然壁面上有突起，但流線仍然緊貼壁面，表明，顆?？梢圆皇軞饬饔绊懚侣?

圖6 除塵器內(nèi)流線分布Fig.6 Streamline distribution of dust collector

3.4 套管式旋風(fēng)除塵器除塵效果分析

利用DPM模型對有突起或無突起的套管式旋風(fēng)除塵器顆粒運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行模擬，顆粒直徑為10μm，如圖7所示.可以看出，兩種情況顆粒運(yùn)動軌跡相似.另外，從顆粒逃逸的角度，兩種情況下，顆粒捕集率均為100%，表明，突起結(jié)構(gòu)沒有影響顆粒的捕集效果.

圖7 顆粒運(yùn)動軌跡Fig.7 Path line of the Particle

4 結(jié)論

本文對熱管式旋風(fēng)除塵器、套管式旋風(fēng)除塵器和帶突起的套管式旋風(fēng)除塵器的余熱回收效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

1）對于熱管式旋風(fēng)除塵器，隨著熱管內(nèi)工質(zhì)蒸發(fā)溫度增加，熱回收率降低；

2）對于套管式旋風(fēng)除塵器，隨著套管進(jìn)口水流速增加，熱回收量增加；當(dāng)進(jìn)口水流速為0.5 m/s時(shí)，熱回收量與熱管旋風(fēng)除塵器相當(dāng)；

3）對于帶突起的旋風(fēng)除塵器，在研究范圍內(nèi)，熱回收量是熱管式旋風(fēng)除塵器熱回收量的1.33～3.06倍；

4）套管式旋風(fēng)除塵器因?yàn)闅饬餍D(zhuǎn)運(yùn)動，壁面附近邊界層較薄，故換熱較強(qiáng)；帶突起的套管式旋風(fēng)除塵器進(jìn)一步破環(huán)邊界層的發(fā)展，換熱更強(qiáng)，但除塵效果沒有下降.

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[責(zé)任編輯 田豐]

Numerical simulation of cyclone separator with casing pipe heat exchanger

YUAN Yongwan,MIN Chunhua,JIANG Yongchao, LIU Jianbo,LI Xiaolong,CHEN Zhanxiu
（School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

A cyclone separator with casing pipe heat exchanger is designed for heat recovery.The heat transfer performance of the cyclone separator is comparably modeled with the cyclone separator with heat pipe heat exchanger.The numerical results show that the heat recovery of the cyclone separator with heat pipe heat exchanger decreases with the evaporating temperature of the working medium in the heat pipe.The heat recovery of the cyclone separator with casing pipe heat exchanger increases with the inlet velocity of water.Generally,the heat recovery of the cyclone separator with casing pipe heat exchanger and bulges is 1.33-3.06 times higher than that with heat pipe heat exchanger.The air and water rotating flow in the cyclone separator and casing pipe,respectively,disturb the boundary layer development,and hence the heat transfer is enhanced.

cyclone separator;casing pipe;enhancement of heat transfer;heat-recovering;numerical simulation

TK124

A

1007-2373（2017）04-0064-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.011

2017-03-17

國家自然科學(xué)基金（51576059）；河北省自然科學(xué)基金（E2015202272）；教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)）項(xiàng)目（201503-404）

袁永萬（1991-），男，碩士研究生.通訊作者：閔春華（1974-），男，教授，chmin@hebut.edu.cn.