螺旋翅片管換熱器內氣固兩相流動特性數值模擬

韋　維,劉漢周,沈賢鋒（重大大學　低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室,重慶　400044）

螺旋翅片管換熱器內氣固兩相流動特性數值模擬

韋維,劉漢周,沈賢鋒
（重大大學低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室,重慶400044）

摘要：翅片管換熱器是強化傳熱中主要的換熱設備之一，它種類繁多并廣泛應用于能源動力、制冷和化工行業等。本文利用計算流體力學軟件FLUENT6.3.26對螺旋翅片管換熱器進行數值模擬，模擬結果表明：反向螺旋翅片管中氣流的擾動更大，且壓降比同向螺旋翅片管的壓降大，阻力損失更大；煙氣顆粒在反向螺旋翅片管換熱器中沉積可能性較同向高，顆粒在錯排管換熱器中停留時間長，但受到的擾動比順排強。

關鍵詞：翅片管換熱器；反向螺旋翅片管；數值模擬

0　引言

鍋爐作為現代工業中必不可少的能源轉換設備，提高鍋爐效率降低排煙溫度，對于節能降耗提高鍋爐的安全可靠性具有重要的實際意義。換熱器作為鍋爐中能源轉換的重要設備，為達到較好的節能效果，在換熱設備制造領域紛紛引入了強化傳熱技術，翅片管換熱器作為現代強化傳熱的主要裝置之一，已成為工業傳熱過程中必不可少的設備，廣泛應用于各工業部門。然而，在一些含塵量較高的煙氣、尾氣余熱回收裝置中，煙氣通過沖刷受熱面換熱，日積月累會產生積灰。這些積灰阻礙了煙氣的流動，增加了受熱面的傳熱阻力，造成管道傳熱不均勻和腐蝕，從而導致排煙溫度升高，鍋爐熱效率降低和爆管事故的發生，嚴重影響運行的安全性和經濟性[1～5]。

相關人員對翅片管換熱器內的氣固流動進行了研究，如馬勇、虞斌等對光管管束及直翅片管束進行了數值模擬，結果表明，直翅片管束能夠阻礙積灰的產生；此外還討論了不同入口流速及管間間距對積灰的影響，計算結果表明入口速度越大，煙氣的“自吹灰”效應越強；適當減小管間距可以提高相鄰翅片管之間的流速，加大了管子背風區擾動，減小了積灰區域[6～7]。袁曉豆、史月濤對繞流H型翅片管進行了冷態數值模擬，結果表明顆粒速度在H型翅片管迎風面呈M分布；背風面呈W型分布，使H型翅片管不易積灰[8]。本文在前人的研究基礎上，以螺旋翅片管換熱器內的氣固兩相流動特性為研究對象，研究管束排列方式及顆粒直徑對翅片管內氣固兩相流動特性的影響。

1　計算模型及算法

1.1物理模型

螺旋翅片管換熱器中煙氣的流動屬于兩相流動，但固相顆粒屬于稀疏相，固體顆粒的流動在很大程度上取決于換熱器內部氣體的流場，因此在研究換熱器內煙氣的流動特性，可先研究氣相在換熱器內的流場分布，氣體相的流動特性，從而找到螺旋翅片管束在不同排列方式和組合方式時的煙氣流動特點。本文主要針對螺旋翅片管束的四種組合方式建立關于螺旋翅片管換熱器的四種物理模型，通過數值模擬得出這四種模型中煙氣的流動特性。這四種模型中螺旋管束的排列方式如圖1所示，其中a、b、c、d分別為同向順排管束、同向錯排管束、反向錯排管束及反向順排管束排列。具體尺寸見表1。

表1　螺旋管束的結構尺寸（單位：mm）

1.2網格劃分

利用Gambit建模，采用TGrid和Hex劃分網格，計算網格是流動控制方程數值離散的基礎，它決定了數值模擬解法的最后結果的精度，本文中四個模型的網格數目分別為：692832、711664、742824、747159個。

1.3物性參數及邊界條件

模擬過程中煙氣的物性參數選取的是100℃煙溫下的物性參數，煙氣密度為=0.95kg/m3，粘度=20.388×10-6，煙氣中入口速度為7m/s。螺旋翅片管換熱器入口選用速度入口，出口采用壓力出口，壁面采用無滑移。

1.4差分格式及算法

煙氣在換熱器里流動屬于氣固兩相流動，故采用離散相模型。基于計算資源的考慮，翅片管換熱器的湍流模型選用標準模型。螺旋翅片管換熱器沒有強旋轉流但屬于復雜流場，所以選擇二階迎風差分格式進行控制方程的離散處理，且在流動區域沒有高渦流數，高速旋轉流動，所以采用標準的壓力插補格式，并用SIMPLE算法進行求解。

2　模擬結果及分析

2.1螺旋翅片管的流場分布

圖2為同列相鄰翅片管中心截面上的速度矢量圖。

從圖2中可以看出，反向螺旋翅片管在同列相鄰翅片管間速度矢量的變化更為明顯，且后排翅片管受前排流場的干擾更大。另外從前排翅片間流過的氣流由于存在軸向方向的分速度，當它進入下一排管束時與翅片間存在一定的角度，因此對翅片起到一定的吹掃作用，具備自動淸灰的能力。通過對圖2a、4b的對比可以看出同向螺旋管的氣流擾動相對較弱，顆粒更容易在同向螺旋管束上沉積。

由于管束排列方式的不同會影響管束間煙氣流場的分布，有的排列方式使得管束的某些區域流場分布穩定而在有的區域氣流的擾動很大，對于擾動大的區域煙氣顆粒不容易沉積，相反在擾動小的區域煙氣顆粒容易沉積，積灰也較明顯。圖3為同向順排和錯排管束的速度矢量圖。

從圖3中可以看出，在順排管束中兩列管束之間速度方向變化不大，最小截面處速度最大，在管束背風面有湍流的出現，在背風面主流區附近速度場比較穩定，且速度小，靠近湍流區域，因此當顆粒流經該區域時容易受到湍流影響，使得煙氣顆粒在背風區沉積。對于錯排管束煙氣流動方向變化大，因此煙氣在錯排管間的擾動很大，使得灰粒不容易沉積，但是錯排管束背風區同樣有湍流的產生，因此當顆粒進入管束背風區域也容易受到湍流的影響而沉積下來。

2.2螺旋翅片管壓力分布

在螺旋翅片管換熱器中，翅片管的排列組合方式不同，其壓力分布也不同。在螺旋翅片管換熱器中，造成壓降的原因有：翅片間的氣流擾動造成的摩擦損失，氣流的擾動越大，氣流與翅片的摩擦損失越大，換熱器的壓降也越大；另外在換熱管的背風區，由于渦流造成的能量耗散也是造成壓力下降的一個原因，當湍流耗散越大，壓降也越大。但增強氣流的擾動有助于增強傳熱效果，所以在換熱器中傳熱和壓降的關系因綜合考慮。圖4反映了四種排列方式中的壓力分布特點。

從圖4中可以看出，煙氣每流經一排管束后靜壓都會減小，在流通截面較小的區域靜壓轉化成動壓，壓力變小，當截面變大后靜壓也隨之變大，由于湍流和摩擦損失導致的機械能損失，使得到最后煙氣流過換熱器時壓力變小。另外，錯排管束的壓差變化比順排管束大，同向螺旋管的壓差損失比反向螺旋管的壓差損失小，這也從側面反映出反向螺旋翅片管換熱器中的氣流擾動和湍流強度更大。

2.3顆粒相結果分析

在螺旋翅片管換熱器內，顆粒的運動軌跡時相當復雜的，當煙氣物理性質和流速一定的情況下，不僅與螺旋翅片管的組合方式和管束的排列方式有關，還與顆粒直徑有關。因此需要設定不同直徑的粒子流在換熱器中的流動，以及同一直徑的粒子流在不同換熱器中的運動軌跡。對于相同的流場中即考慮粒子直徑對運動軌跡的影響時，選用三組不同直徑的粒子；對于不同的流場，考慮翅片管換熱器中排列管束對粒子運動軌跡的影響時選用一組粒子直徑。

從圖5可以看出，顆粒通過換熱器的時間隨顆粒直徑的增大而增大，當顆粒直徑較小時顆粒受流場的干擾較大，翅片管間主流區域的顆粒隨煙氣直接流過換熱器，對于靠近翅片管背風區湍流區域的顆粒受湍流影響將改變顆粒的運動軌跡。所以粒徑較小的顆粒受到背風面湍流的影響越大，也越容易在背風面沉積。

3　結論

本文采用數值模擬的方法分析了螺旋翅片管換熱器內的氣固兩相流動，通過數值模擬得出以下結論：（1）螺旋翅片管換熱器中，相鄰螺旋翅片管間的流動有相互的影響，增強了換熱器中煙氣的擾動，因此煙氣顆粒在翅片和管上沉積下來的幾率降低，螺旋翅片管上翅片的導流作用，而使煙氣產生的軸向分速度也可達到自動淸灰的效果；（2）錯排管束的壓差變化比順排管束大，同向螺旋管的壓差損失比反向螺旋管小，反向螺旋翅片管中的氣流擾動和湍流強度更大；（3）煙氣顆粒在換熱器中的停留時間隨著顆粒粒徑的增大而增大，在翅片管背風區，受湍流影響的顆粒中小直徑的越容易沉積下來；（4）煙氣顆粒在錯排管束中停留時間比在順排管束中要長，但錯排管束中氣相擾動更強烈；（5）煙氣在反向螺旋管束中停留時間比在同向螺旋管束中要短，且反向螺旋管束中氣相擾動更強烈，因此采用反向螺旋翅片管換熱器可以降低顆粒沉積的可能性。

參考文獻：

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[3]徐志明,楊善讓,王建國等.管式換熱器積灰特性的實驗研究[J].工程熱物理學報,2002,23(02):203-205.

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[8]袁曉豆,史月濤.氣固兩相流繞流H型翅片管流動及積灰特性的數值模擬[J].山東大學學報(工學版),2012,42(02):112-117.