廢熱鍋爐結構參數對含氣率影響的研究

陳曉慧，劉智勇

（蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

隨著世界范圍的能源危機日益嚴重，減少能源的浪費成為重中之重，用來回收工業廢熱的廢熱鍋爐在占據減少能源浪費中處于舉足輕重的地位。而廢熱鍋爐殼側的兩相流動和傳熱是工業生活中的常見現象。而由于煙管及其他因素對含氣率的影響而造成的溫度分布不均勻，設備損壞等問題很常見。

對于火管式廢熱鍋爐的殼管式換熱器的含氣率的研究，陳斌等人[1]和馬保衛等人[2]分別使用單纖光纖探針和電導探針對管束間含氣率的分布進行測量，得出了含氣率隨不同參數的變化規律和水平截面含氣率的計算式。李維等人[3]在已有研究成果的基礎上，提出了預測帶有折流板的管殼式換熱器殼側氣液兩相流沿水平方向橫掠水平管束截面含氣率的理論模型。劉朝暉[4]等人利用壓差法得到了管束外部流動體積平均截面含氣率。國外學者分別使用快速開啟閥門法和單射線的γ 密度計測量了體積平均含氣率和弦平均含氣率[5～6]。

本次研究對象是一臺火管式廢熱鍋爐，液態水進口位于廢熱鍋爐蒸發器的下部，水蒸氣出口位于廢熱鍋爐蒸發器上部，水在殼側以兩相流的模式從下到上流動，煙氣在煙管內從上到下流動。使用Gambit 軟件建立廢熱鍋爐蒸發器的物理模型，劃分結構化網格并進行前期處理，使用Fluent 軟件對模型進行后期處理和分析計算。對其蒸發器殼側的氣液兩相流采用沸騰傳質模型和Mixture 多相流模型進行數值模擬，從而得出平均體積分數隨液態水進口溫度，蒸汽出口管徑以及煙管直徑的變化而發生的變化。

2 研究對象結構

研究對象火管式廢熱鍋爐的蒸發器簡化模型如圖1 所示，液態水進口位于蒸發器的下方，管徑為60mm；水蒸氣出口位于蒸發器的上方，管徑為60mm；煙氣的進口管徑為48mm，煙管長5200mm，煙氣從上到下流動；蒸發器的直徑為900mm。初始時刻，設定殼側的壓力為0.5MPa，溫度為70℃，煙管壁的溫度為300℃。蒸發器外壁面和上下壁面均為無滑移絕熱壁面。蒸汽與水的體積分數之和為1。為簡化計算，此次模擬計算截取簡化模型的四分之一使用。

圖1 蒸發器簡化模型

3 Mixture 模型

Mixture 模型是一種簡化的多相流模型，它使用單流體模擬有相對運動的多相流，不同相之間的耦合能力很強。通常用來模擬計算有相對運動的多相流體運動，主要用于計算混合相能量守恒方程，動量守恒方程和連續性方程等。Mixture 模型主要用于旋風分離器，低負載的粒子負載流和沉降問題以及氣泡流其中的分析計算。在此次模擬計算中，處于殼側的液態水和水蒸氣是有相對運動的兩相流。

4 液態水進口溫度的影響

將換熱煙管的進口流速設定為1m/s，溫度設定為定值573K。其他條件不變，只改變液態水的進口溫度來進行模擬計算分析。圖2 中表示的是隨著液態水進口溫度的變化，含氣率和氣液混合相平均溫度的變化。

圖2 含氣率隨液態水進口溫度的變化

由圖2 可知，隨著液態水進口溫度的升高，氣液混合相的平均溫度和含氣率都呈上升趨勢。原因是：在煙氣通過換熱煙管給出的熱量不變，換熱煙管的表面積也不變時，液態水的進口溫度越大，氣液混合相的平均溫度就越高，與煙管表面的溫差越小。同時液態水與煙管壁的溫差越小越容易發生沸騰相變，產生的水蒸氣越多，含氣率也就越多。

5 蒸汽出口管徑的影響

在其他條件保持不變的情況下，將蒸汽的出口管徑設定為55mm，60mm 和64mm 分別進行模擬計算分析。圖3 表示的是在不同蒸汽出口管徑情況下含氣率隨著時間的變化。

圖3 含氣率隨不同蒸汽出口管徑的變化

由圖3 可知，不同蒸汽進口管徑的含氣率隨時間的變化趨勢是大致相同的，只是在管徑為55mm的時候，含氣率明顯要比管徑為60mm 和64mm 的時候要大很多，而且在蒸汽出口管徑為60mm 和蒸汽出口管徑為64mm 時，含氣率隨著時間的變化很相似。考慮到水蒸氣會堆積在水蒸氣出口處，過多的水蒸氣可能會造成設備損壞出現危險，同時出于實際經濟情況和實際工程操作情況考慮，蒸汽出口管徑取60mm 比較合理。

6 煙管直徑對含氣率的影響

在其他條件保持不變的時候，將換熱煙管的直徑分別設置為44mm，46mm，48mm 和50mm，來進行模擬計算分析。圖4 表示的是含氣率和傳熱系數在不同管徑的條件下隨著時間的變化。

圖4 含氣率隨煙氣直徑的變化

由圖4 可知，傳熱系數和含氣率都隨著煙管直徑的增大而呈下降趨勢。原因是：由換熱公式φ=hA(tw-tf)[7]，在換熱的溫差不變并且煙氣傳遞出的熱量不變的情況下，換熱的面積與換熱系數成反比，所以煙管的直徑越大，即換熱的面積越大，換熱系數就越小，與此同時換熱系數越小，產生的蒸汽就越少，含氣率也就越低。

7 結論

通過以上的模擬分析計算，我們首先得出，液態水的進口溫度的變化和煙管直徑的變化都是通過影響傳熱系數進而影響含氣率的。在其他條件不變的情況下，含氣率隨液態水的進口溫度的升高而升高；含氣率對于不同的蒸汽出口管徑隨時間的變化基本呈上升趨勢，但是對于實際工程而言，含氣率不能太高，當過多的高溫水蒸氣聚集在蒸汽出口管處時，會加速設備的損壞；含氣率隨著煙管直徑的增大而減小，即煙管直徑不宜過小，含氣率過高會引起上積汽過燒現象[9]，減少設備壽命，容易發生危險。