土壤間接熱脫附強化換熱性能研究

林宸煜 張光學 吳林陶 王進卿 顧海林 袁定琨

（中國計量大學計量測試工程學院 浙江杭州 310018）

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，城市用地逐漸緊張，因城市建設的要求大量工廠遷出城區，遺留的污染土地往往用做房地產開發，因而需要將污染土壤進行快速修復，重新恢復使用［1-2］。土壤污染的主要來源為重金屬污染和有機物污染，目前相關的治理與修復技術主要可分為物理修復、化學修復、生物修復和聯合修復［3］。

熱脫附技術是1 種常見的物理修復技術，其主要原理是通過直接或間接熱交換，將土壤中的污染物加熱到足夠的溫度后，使其從土壤中揮發或分離，再對尾氣進行收集和揮發，從而實現土壤的修復作用［4］。根據加熱方式的不同，主要可分為直接熱脫附和間接熱脫附［5］。

直接熱脫附是將受污染土壤直接與加熱的煙氣接觸，從而達到熱脫附的效果，該技術傳熱效率高、成本低，但是其尾氣處理復雜［6］，且處理周期具有一定的不確定性［7］；間接熱脫附的主要原理是用燃料燃燒生成的高溫煙氣，通入到中心管內為周圍的土壤進行間接換熱，使土壤中的污染組分達到揮發或分離的程度，從而實現熱脫附。

土壤間接熱脫附設備的使用在我國起步較晚，工程應用始于杭州某持久性污染場地修復項目中。該項目使用間接熱脫附設備處理量達2 t/h～4 t/h［8］。在國家“863”計劃課題“多氯聯苯類污染場地修復技術設備研發與示范”中，于杭州某農藥污染場地中使用間接熱脫附設備處理量為1.2 t/h［9］，大量工程項目結果［5］表明該方法具有尾氣產量低、環保清潔的優點，然而單臺設備的處置規模較小，并且由于土壤是被煙氣間接加熱的，存在換熱效率低、能耗高的問題，所以亟需加強中心管的換熱性能［10-11］。

強化管殼式換熱概念自提出以來，經過長時間發展技術已較為成熟。強化管殼式換熱主要從增加流體湍流度、擴展受熱面和增大流體流速的角度出發［12］，其中翅片管式換熱器由于其傳熱能力強、結構簡單、改造靈活等優點而被廣泛應用于各領域中［13-15］。

綜合來看，已有不少關于翅片管內增加肋片結構強化傳熱的數值模擬研究報道，并且許多結果均能夠較好地符合實際情況，但其中針對土壤間接熱脫附強化傳熱方面的研究較少。本文采用計算流體動力學（CFD）數值模擬的方法針對土壤間接熱脫附換熱效率低的問題進行研究，對土壤熱脫附中心管不同肋片結構、排布方式以及運行工況進行分析，探究最佳肋片結構和運行工況，為土壤間接熱脫附技術提供更為高效的技術手段。

1 計算模型

1.1 物理模型

本文所研究的土壤熱脫附仔心管的幾何模型如圖1 所示，主要分為煙氣流道與土壤流道兩部分，中心管的總長度2L=1600 mm，煙氣流道內徑d=400 mm，管道總直徑D=900 mm。改變煙氣流道中心管的肋片結構及排布方式來探究肋片對中心管強化傳熱的影響，圖2 為3 種肋片管的基本結構示意圖。分別從肋片數、肋片夾角及螺旋管螺距等多角度，研究了上述3 種肋片管的換熱性能與阻力系數的變化情況。

圖2 3 種肋片管內部結構示意圖

1.2 模擬方法

本文利用Fluent 模擬軟件進行模擬，采用Fluent meshing進行多面體網格繪制。為保證對壁面處溫度梯度的準確模擬，在壁面處繪制3 層邊界層。湍流模型選用k-epsilon 模型，為簡化問題不考慮壁面間的輻射傳熱，同時認為模擬處于穩態條件，中心管的網格劃分示意如圖3 所示。

圖3 中心管網格劃分示意圖

模型的計算工質為土壤與煙氣，兩者采用逆流形式換熱，物性參數為等效溫度下的常量，中心管與其中的肋片材質均為不銹鋼；邊界條件設置為速度入口與壓力出口，煙氣進口為速度進口，給定高溫煙氣的溫度為1 023 K，改變進口的煙氣速度，煙氣的出口壓力設為Pout=0 Pa；雷諾數Re 由式（1）求得，進口流速在10 m/s～50 m/s，Re 大于10 000 為旺盛湍流，則設定黏性模型為本文采用標準k-ε 模型，其中煙氣的具體物性參數參考文獻［16］，中心管的傳熱及流動必須滿足基本控制方程：能量方程、質量守恒方程、動量方程。

式中：D 為煙氣通道的水力直徑，m；uin為煙氣入口流速，m/s；μ為該溫度下的動力黏度，Pa·s。

基于計算流體力學原理［17］，可得到流體域范圍內的溫度、速度與壓力。換熱系數h、壓降ΔP 的計算公式按式（2）和（3）處理。

式中：Q 為單位時間通過煙氣換熱面的熱量，W；A 為煙氣與土壤換熱面的面積，m2；ΔT 為煙氣進出口溫差，℃。

式中：Pin為煙氣入口平均靜壓，Pa；Pout為煙氣出口平均靜壓，Pa。

2 數值計算及結果分析

2.1 直肋片管換熱性能分析

通過改變直肋片管的總肋片數對其換熱性能及流動阻力進行分析，直肋片管的結構示意如圖4 所示，其中肋片寬度B=800 mm，肋高H=60 mm，肋厚δ=20 mm，肋片總數分別為8、12及16。

圖4 直肋片管基本結構示意圖

經數值計算后，獲得了直肋片管的壓降和換熱系數及土壤出口溫度隨煙氣進口速度變化的規律。圖5 為煙氣進口速度為10 m/s～50 m/s 時，直肋片管煙氣的進出口壓降與光管的對比情況。

圖5 不同肋片數下直肋片管的壓降隨進口速度變化趨勢

由圖5 可知，隨煙氣進口速度的增加，光管與直肋片管的壓降均隨之增大，且壓降的變化趨勢隨進口速度的增大而升高，直肋片管壓降增加的趨勢較光管更大。這是由于在中心管內，壓降主要包含加速壓降與摩擦壓降兩部分，而直肋片管在煙氣流場中增加了肋片，導致其換熱面積較光管更多，產生了較大的摩擦阻力，能量損耗大于光管［18］。

圖6 為直肋片管的換熱性能圖，可以看出，直肋片管的換熱系數隨煙氣進口速度的增大而逐漸增大，呈現均勻升高的趨勢，相較于光管，直肋片管的換熱系數較大，其中肋片的數量為16 時的換熱系數最大。其主要原因為在流場中增加肋片后，煙氣與管道的換熱面積增大，且煙氣管道的流場也因為增加了肋片后加強了其流體擾流的效果，進一步提高了整體的換熱效果。

圖6 不同肋片數下直肋片管的換熱系數隨進口流速變化趨勢

由于本文研究的是污染土壤經中心管加熱后，使其內部的有機污染物達到揮發或分離的溫度，從而實現熱脫附，所以土壤的出口溫度也是一個重要的指標［19］。圖7 為直肋片管的土壤出口溫度隨煙氣進口速度變化的趨勢圖，由圖7 可見，土壤的出口溫度與煙氣進口速度的關系較小，隨進口速度的變化其波動較小，且直肋片管的土壤出口溫度總體較光管更大，光管的土壤出口溫度約為230 ℃，直肋片管的土壤出口溫度約為260 ℃～280 ℃，其中肋片數為16 時土壤出口的溫度最高，在275 ℃附近波動。

圖7 不同肋片數下直肋片管的土壤出口溫度隨進口流速的變化趨勢

2.2 斜肋片管換熱性能分析

圖8 為斜肋片管的基本結構示意圖，在保持其肋高H 及肋厚δ 不變的情況下，改變其中的肋片傾角α，探究斜肋片管的換熱及流動規律，肋高H 為20 mm，肋厚δ 為4 mm，傾角α分別為45°、90°及135°。

圖8 斜肋片管基本結構示意圖

經數值計算后，獲得了斜肋片管的壓降和換熱系數及土壤出口溫度隨煙氣進口速度變化的規律。斜肋片管的壓降隨進口速度變化關系見圖9，可以看出，斜肋片管的壓降隨煙氣進口速度的變化趨勢與直肋片管大致相同，其中肋片傾角為45°與135°的2 種肋片的壓降變化基本相同，這是由于在流場中增加了微小斜肋片后，盡管其換熱面積增加的較少，然而獨特的肋片結構使得流場中的流體擾動現象十分明顯［20］，增加了煙氣流動阻力，造成了較多的能量損失。

圖9 不同傾角斜肋片管的壓降隨進口流速變化趨勢

圖10 為斜肋片管的換熱性能圖，3 種斜肋片管的換熱系數均隨進口速度的增加而升高，且大致趨勢相同，3 種肋片的換熱系數均比光管大。其中肋片傾角為135°時其換熱系數最高，相較于光管，其換熱系數增大了10.6 W/（m2·K）～29.1 W/（m2·K），其主要原因在于增加微小斜肋片后，換熱面積相較于光管有所增加，同時，由于微小斜肋片的存在增加了煙氣流動的阻力，使其換熱更為充分。

圖10 不同傾角斜肋片管的換熱系數隨進口流速變化趨勢

圖11 為斜肋片管的土壤出口溫度曲線圖，由圖可見，斜肋片管土壤出口溫度隨煙氣進口速度的變化趨勢較為平坦，與直肋片管的趨勢相似。肋片傾角為135°時其土壤出口溫度總體最高，相較于光管其溫度升高了43 ℃～50 ℃左右，初步分析是由于斜肋片傾角為135°時，其肋片傾角結構與流體流動方向相反，最大程度的增加了流體與壁面的流動阻力，提升了其換熱性能從而使土壤出口溫度增高。

圖11 不同傾角斜肋片管的土壤出口溫度隨進口流速變化趨勢

2.3 螺旋凸管換熱性能分析

為增大中心管內的換熱性能，本文創新性地提出了1 種新型肋片，其基本結構見圖12，由于具有螺旋型的特殊構造，稱之為螺旋凸管，在保持凸肋半徑R 及翅片管直徑d 等參數不變的情況下，改變其中的螺距P 的長度得到該型號肋片管的換熱性能及流動特性。其中凸肋半徑R 為30 mm，翅片管直徑d 與直肋片管及斜肋片管直徑相同，均為400 mm，改變螺距P 分別為160 mm、200 mm 和250 mm。

圖12 螺旋凸管結構示意圖

3 種不同螺距下的螺旋凸管換熱器的壓降隨煙氣進口速度的變化趨勢見圖13，其中螺距為160 mm 與200 mm 的2 種肋片的壓降較高。分析可知，由于煙氣進口速度較大，在管內處于旺盛湍流狀態。此時，流體的粘性不斷增加，導致螺旋凸管內的煙氣與管壁摩擦力增加，并且螺旋凸管內流體的旋轉與旋流效應更加明顯，導致壓降高于光滑管道。

圖13 不同螺距下螺旋凸管的壓降隨進口流速變化趨勢

圖14 為螺旋凸管的換熱性能圖，由圖可見，螺旋凸管的換熱系數隨煙氣進口流速的增大呈線性增加的趨勢，且均比光滑管道的換熱系數大。這是由于螺旋凸管的特殊結構，使得其中流體與中心管壁面間觸點較多，致使其中的流體在流動過程中產生了垂直于流動方向的二次流，增加了換熱。其中螺距為160 mm 時螺旋凸管的換熱系數最佳，并且螺距越大換熱性能越差。這是因為在流體的質量流量相同時，螺距的增加會使相鄰凸管間對流體的擾動出現不連續的現象［21］，即前一段凸管對流體邊界層的作用消失時，后一段凸管對流體邊界層的作用尚未形成，從而導致其換熱系數降低。

圖14 不同螺距下螺旋凸管的換熱系數隨進口流速變化趨勢

圖15 為螺旋凸管換熱器的土壤出口溫度隨煙氣進口速度的變化趨勢圖，與直肋片管及斜肋片管的趨勢相似，螺旋凸管的土壤出口溫度與煙氣進口速度的關系較小，土壤出口溫度均大于光管，并且其中螺距最小的螺旋凸管的土壤出口溫度最高，在同等進口流速下較光管升高了48 ℃～56 ℃。

圖15 不同螺距下螺旋凸管的土壤出口溫度隨進口流速變化趨勢

3 最佳肋片結構及運行參數的分析

為了更直觀地展示土壤熱脫附中心管的強化換熱效果，現將三種肋片中換熱性能最好的肋片結構與光管進行比較。如圖16 所示，3 種肋片的整體換熱系數均高于光管，而其中螺旋凸管的換熱性能較另兩種肋片管更好，當煙氣的進口流速為50 m/s 時，其換熱系數能達到97 W/（m2·K），相較于光管其換熱系數提升了約140%。

圖16 最優肋片結構下換熱系數隨進口流速變化趨勢

圖17 為這3 種肋片結構下土壤經中心管后加熱后，出口溫度隨煙氣進口速度變化的比較圖。由圖17 可見，經螺旋凸管強化傳熱后的土壤出口溫度最高，另2 種肋片管的土壤出口溫度相差較小，說明單純從土壤熱脫附后的出口溫度角度考慮，使用螺旋凸管的效果最好。3 種肋片管的土壤出口溫度隨煙氣進口速度增加而變化的趨勢較小，由于3 種肋片管的壓降均隨煙氣進口流速的增大而增大，能量損失增多，從經濟性角度考慮，使用3 種肋片管時的煙氣進口流速不宜過大。

圖17 最優肋片結構下土壤出口溫度隨進口流速變化趨勢

4 結論

本文通過建立不同肋片結構的土壤中心管傳熱模型，對土壤熱脫附中心管的肋片結構、排布方式及運行參數進行分析，為增強土壤間接熱脫附技術提供了有效的手段，并得到以下結論：

（1）相較于光管，直肋片管、斜肋片管及螺旋凸管隨煙氣進口流速的增大壓降逐漸變大，且3 種肋片管的壓降升高趨勢更為明顯。

（2）3 種肋片管強化傳熱的效果較為明顯，隨煙氣進口流速的增大其換熱系數均呈現上升趨勢，其中螺旋凸管的傳熱效果最好，且螺距越小其換熱效果越好，在同等進口流速下其換熱系數提升了約140%，顯著增加了中心管的換熱性能。

（3）土壤經3 種肋片管強化傳熱后，出口溫度提升都較為明顯，在不同煙氣進口流速螺旋凸管的出口溫度較光管提升了48 ℃～56 ℃，并且土壤出口溫度隨煙氣進口流速變化較小，綜合考慮能量損失，應選擇煙氣進口流速小的運行工況進行熱脫附。