大直徑立式廢熱鍋爐殼側相變的流場分析

安連想 雷 飛 孟繁然

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

在全世界提倡環境保護的形勢下，具有能量回收能力的產品顯得尤為重要，廢熱鍋爐作為在化工、熱動等領域內重要的能量回收設備，在工業中的應用越來越廣泛。 與輻射式廢熱鍋爐相比，立式火管式廢熱鍋爐具有結構簡單、易清洗及操作彈性大等優點，對其結構的可靠性設計和優化設計成為大多數行業專家關注的焦點。

陳翠柳等采用Fluent軟件中的離散相模型研究了氣固兩相流過程中的顆粒運動情況，得出換熱管內部粉塵的流速變化較小，且回流區有顆粒富集［1］；閆丹麗等研究廢熱鍋爐內的沸騰相變工況， 用Mixture模型與UDF編程相結合的方式，分析沸騰過程中相變的質量和能量傳遞源相［2，3］；張傳美等采用組分輸運方程和Realizable k-ε湍流模型聯立對廢熱鍋爐受熱面和環隙內合成氣進行模擬分析， 得出顆粒質量濃度在合成氣入口、上段堵板擋住區域和各段受熱面底部較大［4］；還有學者采用有限元理論對廢熱鍋爐結構和流體做云圖分析和安全評定工作［5～7］。

基于以上研究，筆者針對上管板殼側易積汽過燒等現象， 在立式廢熱鍋爐殼側設計噴管，并研究噴管不噴水和噴水情況下上管板溫度的變化和上管板附近水氣泡的運動分布情況。 用Fluent軟件中的歐拉模型對此結構進行流場數值模擬，為噴管結構合理性提供判斷依據。

1 廢熱鍋爐整體結構

由于廢熱鍋爐的結構具有對稱性，因此采用1/2結構模型（圖1）進行分析，主要對廢熱鍋爐的殼程區域內相變傳熱和有無噴管時上管板溫度的變化過程進行模擬計算，簡化后的計算流域模型如圖2所示。

圖1 廢熱鍋爐結構模型

2 模擬參數設置

2.1 邊界條件設定

模擬過程為非穩態工況，殼體外壁溫度設為絕熱壁面，與液態水的進口溫度保持一致，設定初始的邊界條件如下： 高溫氣體的入口溫度為600℃，每小時氣體流量的總焓值為200GJ；高溫氣體的出口溫度為300℃，每小時氣體流量的總焓值為130GJ。 殼側5.0MPa飽和水的流量為600t/h，變成飽和蒸汽時的流量為30t/h。

2.2 控制方程

鑒于沸騰相變過程內容較為復雜，影響因素也很多，并伴隨有大量汽化潛熱，流體介質各物理量（如壓力、密度、黏度及導熱系數等物性參數）的變化都是瞬態的。 故采用標準的k-ε方程與熱平衡關系式聯立的方式，得到較為合理的相變過程中各物理量的變化情況。 熱平衡關系式為：

圖2 簡化的廢熱鍋爐計算流域模型

式中 I′、I″——進、出口氣的焓值，kJ/kg；

Q——產生蒸汽的熱量，kJ/h；

Qin、Qout——進、出口氣的熱量，kJ/h；

Vr——氣體的體積流量，m3/h；

η——廢熱鍋爐熱損失系數；

φ——廢熱鍋爐殼體的保溫系數。

2.3 網格劃分

采用ANSYS ICEM CFD軟件來劃分網格單元， 由于各計算域的模型不存在復雜的尖點結構，無需用虛擬拓撲工具來進行光滑面處理。 為有效降低計算量、提升計算精度，使用SWEEP劃分工具盡量生成六面體網格單元。 各計算域網格單元節點的分布如圖3所示。

圖3 計算域網格單元節點的分布

3 數值結果分析

3.1 不同計算流域溫度分布

在廢熱鍋爐模擬分析中，靠近換熱管的液態水與換熱管內流動的高溫氣體存在溫差，液態水會不斷吸收換熱管的熱量，受熱后逐漸達到飽和狀態，就會發生沸騰相變，液態水沸騰相變形成水氣泡，以水蒸氣的形式存在，在拖曳力和浮升力的共同作用下不斷向上移動，并伴隨著相間的熱量傳遞，故在上管板附近的局部區域聚集大量水氣泡，通常稱之為積汽過燒現象。 為了避免該現象的發生， 在廢熱鍋爐殼側設置噴管結構，殼程噴管在不噴水和噴水狀態下各計算域溫度場云圖變化情況如圖4所示。

圖4 不同計算流域溫度場分布云圖

3.2 上管板的溫度分布

圖5為廢熱鍋爐殼側噴管不噴水和噴水狀態下上管板溫度場分布云圖，可以看出，噴水狀態能夠有效降低額定工況下上管板的溫度。

3.3 殼程氣液相體積占比

為了確定廢熱鍋爐殼側噴管合理的安裝高度， 需要在相變流場分析的基礎上確定不噴水和噴水狀態下上管板附近水氣泡的運動分布，即氣液相體積占比的分布情況， 以此為大直徑立式火管式廢熱鍋爐的結構優化設計提供理論依據。

圖5 上管板溫度場分布云圖

4 結論

4.1 通過對廢熱鍋爐殼程噴管有、 無噴水狀態下不同計算流域溫度的分布云圖進行比較的結果為：噴管噴水時，各計算域相同位置處溫度比不噴水時下降約15～75K。

4.2 為有效緩解氣體對上管板的傳熱現象，一般會在上管板表面設置澆注料，增強上管板的受熱能力，廢熱鍋爐殼側設置噴管結構后，噴水狀態下上管板相同位置處的溫度比不噴水狀態下低20～75K。

4.3 為了進一步優化廢熱鍋爐殼側的噴管結構（安裝高度），可以通過流場實驗裝置模擬上管板附近水氣泡的運動分布規律，即氣液相體積占比分布。