氣液兩相流在蒸汽空氣預(yù)熱器中的應(yīng)用

秦為軍，錢鵬，趙鴻飛，景紅

(光大環(huán)保技術(shù)裝備(常州)有限公司，江蘇 常州 213011)

隨著我國城市化的飛速發(fā)展，城市生活垃圾主要通過焚燒進(jìn)行處理，爐排爐目前已成為國內(nèi)外主要的垃圾焚燒處理設(shè)備。爐排爐垃圾焚燒發(fā)電廠通常抽取余熱鍋爐汽包內(nèi)的高低壓蒸汽，通過蒸汽空預(yù)器加熱一次風(fēng)，作為助燃風(fēng)送入到爐排爐中，加速爐排上垃圾的干燥及燃燒。通過余壓疏水管道輸送至除氧器或疏水?dāng)U容器[1-3]。

潘兵輝[4]等人建立低壓蒸汽管道模型，使用FLUENT進(jìn)行氣液兩相流分析，采用Euler模型對(duì)不同液相比、不同液態(tài)顆粒直徑進(jìn)行分析，分別得到了軸面處的流場(chǎng)分布場(chǎng)。劉金海[5]對(duì)垃圾焚燒電廠一次風(fēng)加熱分析，推薦采用汽機(jī)一級(jí)抽汽和鍋爐汽包飽和蒸汽分別對(duì)蒸汽空氣預(yù)熱器的低壓段和高壓段進(jìn)行加熱，高壓段的疏水通過閃蒸回收蒸汽。王聲[6]等人建立中高溫空預(yù)器模型，利用 Fluent 對(duì)建立的中高溫空預(yù)器模型進(jìn)行流熱耦合分析，通過仿真分析結(jié)果確定了換熱性能最佳的中高溫空預(yù)器的結(jié)構(gòu)。上述文獻(xiàn)雖然對(duì)空預(yù)器的選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的研究與計(jì)算，但過程繁復(fù)，計(jì)算精度不高，工作量較大。新型蒸汽空預(yù)器采用U型管式，有效避免受熱面管道膨脹引起焊縫失效，導(dǎo)致空預(yù)器發(fā)生泄漏，影響空預(yù)器換熱效果。

本文使用SOLIDWORKS軟件對(duì)蒸汽空預(yù)器的U型管道進(jìn)行三維建模，再使用CFD軟件中的VOF模型進(jìn)行氣液兩相流分析，分析空預(yù)器中的U型管中的蒸汽壓力速度分布，確定U型管的受沖擊最大的位置，為空預(yù)器U型管道設(shè)計(jì)提供相關(guān)理論依據(jù)。計(jì)算的過程高效，而且計(jì)算精度高，為提高蒸汽空預(yù)器的結(jié)構(gòu)性能提供了切實(shí)且有效的計(jì)算方法。

1 計(jì)算模型

1.1 U型管模型

新型管殼式蒸汽空氣預(yù)熱器管程彎成U形，管子的兩端分別安裝在同一側(cè)不同的固定管板上，兩個(gè)固定管板分別與半圓集箱組成進(jìn)出口集箱，使受熱面管道可以在U型彎頭處自由膨脹，消除了熱應(yīng)力對(duì)管束的影響。使用SOLIDWORKS對(duì)空氣預(yù)熱器的U型管進(jìn)行三維建模，并使用ICEM CFD19.0對(duì)U型管進(jìn)行網(wǎng)格劃分。蒸汽空氣預(yù)熱器U型管的三維模型如圖1所示。

圖1 U型管模型圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算流體力學(xué)(Computional Fluid Dynamics)的簡(jiǎn)稱為CFD，是一門計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)值計(jì)算互相交叉的新型學(xué)科。本文使用FLUENT中的VOF模型對(duì)空預(yù)器的U型管進(jìn)行兩相流分析，VOF模型是以固定歐拉網(wǎng)格表面為基礎(chǔ)的跟蹤方法，使用相體積分?jǐn)?shù)對(duì)相界面追蹤不同流體，在解決多種不相融的流體界面的流場(chǎng)問題時(shí)，VOF模型得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)第q相，流體的微分方程如下：

(1)

(2)

(3)

1.3 邊界條件

計(jì)算范圍為整個(gè)U型管，U型管直徑為25 mm，管壁厚度為3 mm，U型管直線長度為1 792.5 mm，圓弧半徑為65 mm。在U型管的兩端設(shè)置進(jìn)口與出口，壓力入口為邊界條件，進(jìn)水口的水深根據(jù)水對(duì)于湍動(dòng)能k和耗散率ε可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。所有進(jìn)氣均采用壓力條件，壓力值為4.2 MPa，蒸汽的初始溫度為253 ℃，蒸汽的入口速度為4 m/s，U型管直管段的換熱系數(shù)為39 W/(m2·K)，彎頭處不進(jìn)行換熱。

2 數(shù)值模擬及分析

進(jìn)入U(xiǎn)型管中的蒸汽中液相比例分別在α為10%、20%、30%和40%時(shí)，將U型管的壁設(shè)置為無滑移壁邊界條件，對(duì)U型管的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)進(jìn)行流場(chǎng)分析。結(jié)合有限體積法將空間域上連接的控制方程轉(zhuǎn)化為離散方程 SIMPLE 算法求解壓力速度耦合方程組，控制方程對(duì)流項(xiàng)的離散二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)原項(xiàng)采用二階中心差分格式。

2.1 溫度場(chǎng)分析

由圖2～圖5溫度分布圖可知，α=10%，蒸汽出口溫度約為520 ℃；α=20%，蒸汽出口溫度約為518 ℃；α=30%，蒸汽出口溫度約為520 ℃；α=40%，蒸汽出口溫度約為521 ℃。當(dāng)汽水含量10%≤α≤20%時(shí)，隨著冷凝水含量的增加，出口溫度的降低，表明U型管的換熱效果增加。當(dāng)汽水含量20%≤α≤40%時(shí)，隨著冷凝水含量的增加，出口溫度的升高，U型管的換熱效果減小。

圖2 α=10%時(shí) U型管的溫度分布圖

圖3 α=20%時(shí) U型管的溫度分布圖

圖4 α=30%時(shí) U型管的溫度分布圖

圖5 α=40%時(shí) U型管的溫度分布圖

2.2 速度場(chǎng)分析

蒸汽會(huì)沖擊彎頭外側(cè)壁面，形成湍流造成管道阻力損失，并對(duì)管道進(jìn)行沖刷。由圖6～圖9可知，在相同的蒸汽速度下，當(dāng)汽水含量為10%≤α≤20%，隨著冷凝水含量的增加，彎頭內(nèi)側(cè)的靜水速度較彎頭外側(cè)處明顯減小。當(dāng)汽水含量為20%≤α≤40%，隨著冷凝水含量的增加，彎頭內(nèi)側(cè)的靜水速度較彎頭外側(cè)處明顯增加。當(dāng)含水率約30%時(shí)，彎頭外側(cè)的靜水速度達(dá)到最大，此時(shí)對(duì)彎頭的沖擊和磨損加劇。

圖6 蒸汽入口α=10%的速度分布圖

圖7 蒸汽入口α=20%的速度分布圖

圖8 蒸汽入口α=30%的速度分布圖

圖9 蒸汽入口α=40%的速度分布圖

2.3 截面分析

U型管中彎頭部分是著重需要分析研究的區(qū)域，在180°的彎曲部位等分了5個(gè)截面，彎頭處截面分布如圖10所示。

圖10 彎頭處截面分布圖

由圖11可知，在相同的蒸汽流速下，隨著蒸汽中水的含量的增加，在彎管處的速度逐漸增加，當(dāng)含水率約為30%時(shí)彎管處的C點(diǎn)的速度達(dá)到最大。再隨著蒸汽中水的含量增加，彎頭處的液膜逐漸增厚，彎管處的C點(diǎn)的速度減小。

圖11 不同蒸汽含量下彎管截面速度變化圖

圖12～15分別為蒸汽入口含水率α=10%、α=20%、α=30%和α=40%的截面C處的氣液兩相分布圖。

圖12 α=10%截面C處氣液分布圖

圖13 α=20%截面C處氣液分布圖

圖14 α=30%截面C處氣液分布圖

由圖12～圖15可知，截面C處的氣相濃度主要集中在瓦頭內(nèi)側(cè)靠近出口處，液相主要集中在外部外側(cè)。蒸汽在相同的速度下，隨著蒸汽入口含水率的增加，液相的分布區(qū)域也隨之增大，在彎頭外側(cè)及進(jìn)口的影響區(qū)域也逐漸增大。當(dāng)α=30%時(shí)，液相的分布區(qū)域在瓦頭外側(cè)達(dá)到最大。

圖15 α=40%截面C處氣液分布圖

3 結(jié)語

本文利用SOLIDWORKS軟件對(duì)空氣預(yù)熱器U型管進(jìn)行了三維建模，使用ANSYS FLUENT軟件中的VOF模型對(duì)蒸汽空預(yù)器中的U型管的溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)進(jìn)行了分析，得到了U型管中不同體積分?jǐn)?shù)的蒸汽的速度和溫度的變化規(guī)律。

(1)當(dāng)汽水含量10%≤α≤20%時(shí)，隨著水汽含量的增加，出口溫度的減少，表明U型管的換熱效果增加。當(dāng)汽水含量20%≤α≤40%時(shí)，隨著水汽含量的增加，出口溫度的增加，U型管的換熱效果減小。

(2)在相同的蒸汽速度下，當(dāng)蒸汽含量為10%≤α≤20%，隨著蒸汽含量的增加，彎頭內(nèi)側(cè)的靜水速度在較彎頭外側(cè)處明顯減小。當(dāng)蒸汽含量為20%≤α≤40%，隨著蒸汽含量的增加，彎頭內(nèi)側(cè)的靜水速度在較彎頭外側(cè)處明顯增加。

(3)當(dāng)含水率約30%時(shí)，彎頭外側(cè)的靜水速度達(dá)到最大，此時(shí)對(duì)彎頭的沖擊和磨損加劇。因此，在布置受熱面時(shí)應(yīng)盡量避開在含水率為20%～40%范圍內(nèi)設(shè)置彎頭，可降低汽水對(duì)管束的沖刷。

通過本文的模擬云圖和計(jì)算結(jié)果分析，可以對(duì)空預(yù)器中U型管中冷凝換熱現(xiàn)象和機(jī)理有了更為深入的了解和認(rèn)知，為提高蒸汽空預(yù)器的結(jié)構(gòu)性能提供了理論依據(jù)與實(shí)際方法，對(duì)制造空預(yù)器時(shí)節(jié)約材料降低成本有著重要的作用。