套管換熱式旋風除塵器數值模擬

袁永萬，閔春華，姜永超，劉建博，李小龍，陳占秀

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津300401）

套管換熱式旋風除塵器數值模擬

袁永萬，閔春華，姜永超，劉建博，李小龍，陳占秀

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津300401）

設計了一種套管換熱式旋風除塵器，用于回收煙氣余熱.采用數值模擬的方法研究了套管式旋風除塵器的換熱性，并與熱管換熱式旋風除塵器進行了比較.結果發現：對于熱管式旋風除塵器，隨著熱管內工質蒸發溫度增加，熱回收率降低；對于套管式旋風除塵器，隨著套管進口水流速增加，熱回收量增加，且一般情況下，熱回收量高于熱管式旋風除塵器；根據需要可采用帶突起的旋風除塵器，在研究范圍內，熱回收量是熱管式旋風除塵器熱回收量的1.33～3.06倍；套管式旋風除塵器因為氣流旋轉運動，壁面附近邊界層較薄，故換熱較強.

旋風除塵器；套管；強化傳熱；余熱回收；數值模擬

0 引言

我國工業發展具有高能耗、高污染特點[1].工業煙氣在排放前均要經過凈化處理.本文關注的是煙氣中煙塵的處理.旋風除塵器是目前一種有效的除塵裝置，含塵煙氣在筒體內旋轉運動，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.關于旋風除塵器，主要針對流場分析和提高除塵效果開展研究，如張雅等[2]模擬了旋風除塵器內流場湍流的各向異性特性.王帥等[3]采用LES-DEM方法研究了旋風除塵器內的氣固兩相流動特性.Hu等[4]的模擬研究發現，在進口處、頂灰環處、排灰口處及上行氣流與下行氣流交界處，湍流強度大且變化尖銳.大部分區域存在著湍流的各向異性.時均切向速度在環形空間內是不對稱的，時均軸向速度在排氣管內的流動與在主體區域內的流動是不同的.Bernardo等[5]對不同入口角度的蝸殼式旋風分離器內部流場進行模擬.Wang等[6]研究了出口段長度對旋風除塵器內部流場的影響.趙宏強等[7]采用大渦模擬方法研究了旋風除塵器內的速度分布規律.宋健斐等[8]利用改進的雷諾應力模型及顆粒隨機軌道模型對旋風除塵器內顆粒濃度進行了模擬，發現了顆粒逃逸區域、顆粒捕集區及中間顆粒分離區的分布狀況.李丹等[9]分析入口速度及顆粒粒徑對于旋風除塵器內固體顆粒軌跡的影響，探索旋風除塵器的運動機理，結果表明，入口速度與顆粒粒徑均對旋風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.李濟吾等[10]建立了旋風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]提出了一種新擴口型的排氣管，降低壓降，發現優化后的旋風分離器與傳統的普通旋風分離器相比，節省66%的驅動電源.高翠芝等[12]研究了排氣管直徑與形態對旋風除塵器中心軸向流速的影響，優化了旋風除塵器結構.Oscar等[13]對5～15 μm直徑范圍內的除塵效果進行模擬，發現隨著壓降減小導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.

旋風除塵器可與節能技術相結合，如文獻[13-14]提出了一種熱管換熱式旋風除塵器，用于回收煙氣余熱.本文提出一種套管式旋風除塵器用于回收煙氣余熱，并與文獻中熱管換熱式旋風除塵器的熱回收效果進行比較.

1 模型建立

本文建立加設熱管或套管結構的旋風除塵器，用于回收煙氣余熱.熱管式旋風除塵器參考文獻[14]中的結構，本文重點研究套管式旋風除塵器，并與熱管式旋風除塵器進行比較.旋風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構的節能效果，為簡化模擬，僅考慮單相流動.

1.1 旋風除塵器物理模型的建立

首先，在文獻[14-16]的基礎上，建立了內含15根熱管的旋風除塵器，如圖1a）所示.圖中熱管僅畫出蒸發段，其長度與旋風除塵器高度相等.熱管的特點是可在較低溫差下工作.對于蒸發端，工質達到飽和狀態下的蒸發溫度.忽略固體壁導熱熱阻和熱管內對流傳熱熱阻，則熱管外表面的溫度可近視為蒸發溫度.模擬時，將熱管近似處理為恒壁溫，即蒸發溫度.為避免出口回流對內部流場的影響，在旋風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.熱管式旋風除塵器模擬結果作為套管換熱式旋風除塵器的比較基礎.

然后，作為本文的核心，建立了套管換熱式旋風除塵器，其結構是在旋風除塵器圓筒外增加一個同心套管，套管內流動介質為水，結構如圖1b）所示.旋風除塵器內煙氣和套管內的流體均作旋轉運動，且運動方向相反，與壁面之間的摩擦力較大，故換熱較強.為進一步增強換熱，在旋風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，煙氣進口管、進水管和出水管與x方向平行，z軸正方向向上，坐標原點在排灰口中心.模型主要尺寸與文獻[14]相同，如表1所示.值得注意的是，旋風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.本文在旋風除塵器表面設置球冠形突起，可能破壞上述要求，影響除塵效率及增加流動阻力.因此，實際設計時需根據情況減少突起的數量及尺寸.另外，根據余熱回收量，初步設定套管尺寸.后續工作將陸續開展上述方面的研究工作.

圖1 旋風除塵器結構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 計算方法與邊界條件

旋風除塵器內的流動介質為煙氣，套筒內的流動介質為水.假定煙氣的物性參數與空氣相同，且為常數.模擬中需求解質量方程、動量方程與能量方程，利用Fluent軟件進行計算.對計算區域劃分非均勻網格，采用結構化與非結構化相混合的網格形式.網格總數約180萬，滿足網格獨立性解.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系.迭代計算的收斂標準是連續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變化.

邊界條件設置為：進口邊界給定速度和溫度，煙氣進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 模型驗證

為驗證模型的正確性，將本文模擬結果與文獻[12]中用到的Stairmand模型的實驗結果進行比較.用于比較的模型尺寸和邊界條件與文獻[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、進口高度為100 mm、進口寬度為40 mm、排煙管直徑為100 mm、排灰口直徑為75 mm.取排灰口中心點為坐標原點，向上為z軸正方向.在z=510 mm截面上，經過中心軸各點的切向速度uτ分布如圖2所示.可以看出，模擬與實驗結果符合較好，證明模型可靠.

圖2 模擬與實驗結果比較Fig.2 Comparison of numerical and experimental results

3 結果與討論

3.1 熱管換熱式旋風除塵器煙氣換熱率與熱管蒸發溫度的關系

圖3所示為熱管式旋風除塵器熱回收量與熱管表面溫度之間的關系，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，對于熱管，幾乎達到最低溫度，此時余熱回收量最高.本文后面以該溫度的熱管式旋風除塵器為比較基準，分析套管式旋風除塵器的熱回收量，凸顯套管式旋風除塵器的熱回收效果.

圖3熱回收量與蒸發溫度的關系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，因為這樣會阻礙煙氣的旋轉流動，并進一步阻礙除塵效果.因此，熱管式旋風除塵器余熱回收效果有待改進，也是本文開展套管式旋風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 套管式旋風除塵器與帶突起的套管式旋風除塵器熱回收率

對于帶突起的套管式旋風除塵器，突起數量為32個.不同進口水的流速下，熱回收量如圖5所示.可以看出：1）隨著進口水流速增加，熱回收量逐漸增加，且當流速大于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除塵器，當流速為0.5 m/s時，熱回收量約為103.8 kW，略高于熱管式旋風除塵器，表明套管式旋風除塵器熱回收效果較好；3）對于帶突起的套管式旋風除塵器，進口水流速在0.1～1.5 m/s范圍內，熱回收量由134.2 kW增加到308.4 kW，是熱管式旋風除塵器熱回收量的1.33～3.06倍.設置突起后，可能導致除塵效果降低和流動阻力增大.這一問題將在后續研究中展開.

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

3.3 強化傳熱機理分析

以上分析表明，由于傳熱增強，帶突起的套管式旋風除塵器具有較好的熱回收效果.根據流線分布規律揭示強化傳熱機理，在除塵器內，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運動，破壞了壁面附近邊界層的發展，因此，換熱較強；對于有突起的情況，由于受到突起的擾動作用，流線發生彎曲，并在除塵器內產生旋渦，進一步破壞邊界層的發展，因此，換熱更強.另外，雖然壁面上有突起，但流線仍然緊貼壁面，表明，顆粒可以不受氣流影響而下落.

圖6 除塵器內流線分布Fig.6 Streamline distribution of dust collector

3.4 套管式旋風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除塵器顆粒運動規律進行模擬，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，突起結構沒有影響顆粒的捕集效果.

圖7 顆粒運動軌跡Fig.7 Path line of the Particle

4 結論

本文對熱管式旋風除塵器、套管式旋風除塵器和帶突起的套管式旋風除塵器的余熱回收效果進行了數值模擬，得到如下結論：

1）對于熱管式旋風除塵器，隨著熱管內工質蒸發溫度增加，熱回收率降低；

2）對于套管式旋風除塵器，隨著套管進口水流速增加，熱回收量增加；當進口水流速為0.5 m/s時，熱回收量與熱管旋風除塵器相當；

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

4）套管式旋風除塵器因為氣流旋轉運動，壁面附近邊界層較薄，故換熱較強；帶突起的套管式旋風除塵器進一步破環邊界層的發展，換熱更強，但除塵效果沒有下降.

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[責任編輯 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

國家自然科學基金（51576059）；河北省自然科學基金（E2015202272）；教育部重點實驗室（天津大學）項目（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.