煙氣橫掠麻面管束磨損特性的數(shù)值研究

閆順林, 王皓軒

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北保定 071003)

換熱管作為一種換熱元件，被廣泛應(yīng)用于鍋爐水冷壁、省煤器和凝汽器等換熱設(shè)備，由于煙氣攜帶大量的飛灰顆粒，且煙氣流動(dòng)具有很大的隨機(jī)性，使得飛灰顆粒對(duì)換熱管的沖擊碰撞點(diǎn)也具有相對(duì)的隨機(jī)性，這對(duì)換熱管的防磨帶來一定的困難，而換熱管的磨損會(huì)嚴(yán)重影響電廠設(shè)備運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)換熱管的磨損進(jìn)行了大量的研究，也提出很多相應(yīng)的磨損措施。岑可法等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究闡述了煙氣中攜帶的飛灰顆粒對(duì)鍋爐換熱管的沖蝕磨損機(jī)理。Isomoto等[4]和Oka等[5]提出了適用于不同材料、不同沖刷角度和速度的磨損模型，建立了磨損率與飛灰顆粒特性、材料屬性之間的關(guān)系。陸國棟[6]對(duì)不同光管管徑、不同橫向和縱向節(jié)距管束的沖蝕磨損進(jìn)行了研究，得到飛灰顆粒通過率和撞擊率的關(guān)聯(lián)式。文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[9]中分別針對(duì)鰭片管、橢圓管和螺旋管等管型進(jìn)行了飛灰顆粒碰撞和磨損的數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)與光管相比，這些管型能有效均勻煙氣流場和減輕磨損。

目前，關(guān)于磨損的研究主要集中在影響磨損的因素以及光管、膜式管束、H翅片管束等管型上。考慮到翅片等的安裝難度，筆者建立了一種新型的管型——麻面管，并選擇合適的磨損計(jì)算模型，針對(duì)煙氣橫掠順列麻面管束進(jìn)行了氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬，為換熱設(shè)備中麻面管管束的使用和磨損預(yù)測提供參考依據(jù)。

1 物理模型和邊界條件

1.1 幾何模型

研究表明，錯(cuò)列布置管束的磨損比順列布置管束的磨損嚴(yán)重[10-11]，因此筆者研究麻面管束磨損時(shí)采用5排順列布置管束。

為簡化模型，建模時(shí)選取一段長度L為46 mm，直徑D為48 mm的管子，通過設(shè)置物理模型的對(duì)稱性和周期性邊界進(jìn)行數(shù)值模擬。圖1給出了麻面管的結(jié)構(gòu)示意圖，管子表面排列深度d為1 mm、坑口直徑為4.47 mm的凹坑，凹坑采用錯(cuò)列緊密排列方式，坑口采用倒角分段平滑過渡。計(jì)算區(qū)域和邊界設(shè)置如圖2所示，管軸向設(shè)置為周期性邊界，其中s1和s2分別表示管束的橫向和縱向管距，且s1/D=2.5，s2/D=1.8。

(a) 外視圖(b) 左視圖

圖1 麻面管結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structural diagram of the pitted tube

1.2 邊界條件的設(shè)置

計(jì)算域采用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并在麻面管管束表面附近區(qū)域進(jìn)行加密處理，以簡化計(jì)算量，提高準(zhǔn)確度。

圖2 物理模型和邊界條件

氣相邊界條件：入口為速度入口邊界條件，入口速度為6～10 m/s，入口煙氣質(zhì)量濃度為0.5 kg/m3,黏度系數(shù)u為3.328×10-5Pa·s，煙氣溫度為常量(690 K)，壁面均設(shè)定為無滑移邊界條件，出口為自由出流邊界條件。

顆粒相邊界條件：設(shè)定飛灰顆粒入口速度與氣相速度相同，并以面源的方式噴入，飛灰顆粒入口質(zhì)量流量為0.003 kg/s，密度為2 000 kg /m3，粒徑為0～120 μm，符合Rosin-Rammler分布。飛灰顆粒與管束碰撞表面設(shè)為壁面反彈邊界條件，采用恢復(fù)系數(shù)來描述飛灰顆粒與壁面間的相互作用。

2 數(shù)值模型及計(jì)算方法

2.1 連續(xù)相控制方程

在研究管束磨損的過程中，煙氣可視為不可壓縮流體，忽略溫度變化的影響。在控制方程上，整個(gè)過程都要滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。目前，Ansys Fluent 15.0提供的湍流模型主要有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型。由于各種模型均有各自的適用范圍[12]，考慮到煙氣沖刷管束的流動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)旋流，筆者選擇應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模型。

連續(xù)性方程為：

(1)

式中：uj為煙氣的平均流速，m/s，下標(biāo)j=1、2、3，分別代表沿x、y和z軸方向；ρ為煙氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s。

動(dòng)量守恒方程為：

(2)

式中：p為煙氣平均壓力，Pa；μ為煙氣動(dòng)力黏度，Pa·s；T為煙氣溫度，K；β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；gi為重力加速度，m/s2。

能量守恒方程為：

(3)

湍動(dòng)能方程為：

Gk-ρε

(4)

湍動(dòng)能耗散率方程為：

(5)

式中：σε、cε1和cε2均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值分別為1.3、1.44和1.92。

2.2 飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)方程

將飛灰顆粒相作為稀疏相，但飛灰顆粒密度遠(yuǎn)大于煙氣密度，不存在較大的溫度梯度和壓力梯度，又忽略飛灰顆粒間的碰撞和旋轉(zhuǎn)，認(rèn)為飛灰顆粒主要受重力、曳力和慣性力的作用。因此，單個(gè)飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為：

(6)

式中：FD(u-up)為單位質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量阻力；a為附加加速度(力/單位質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量)項(xiàng)；u、up和g分別為煙氣速度、顆粒速度和重力加速度；ρp為飛灰顆粒密度。

(7)

式中：dp為飛灰顆粒粒徑，m；Re為相對(duì)雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)。

CD由Schiller-Naumann曳力法則[13]決定：

(8)

2.3 磨損計(jì)算模型

選擇Edwards等[14]提出的磨損計(jì)算模型研究飛灰顆粒對(duì)麻面管束的磨損情況，并采用隨機(jī)軌道模型[15]來考慮煙氣湍流脈動(dòng)對(duì)飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，磨損方程為：

(9)

式中：Rr為磨損率，kg/(m2·s)；qm,p為飛灰顆粒流的質(zhì)量流量，kg/s；C(dp)為飛灰顆粒粒徑函數(shù)；α為飛灰顆粒與管壁的碰撞角度；b(up)為飛灰顆粒相對(duì)速度的函數(shù)；Af為飛灰顆粒撞擊壁面的面積，m2；N為碰撞面積Af上的飛灰顆粒數(shù)目。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

針對(duì)麻面管束模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，定性分析了氣固兩相流外掠麻面管束的流動(dòng)特性以及麻面管表面的磨損情況；定量分析了煙氣速度、飛灰顆粒粒徑、橫向/縱向管距和麻面坑深度對(duì)磨損特性的影響，并選取磨損最嚴(yán)重的第1排管為研究對(duì)象。

3.1 流動(dòng)與磨損特性分析

圖3給出了煙氣分別繞光管管束和麻面管管束流動(dòng)的速度云圖。由圖3可知，與光管管束相比，煙氣繞流麻面管管束流動(dòng)時(shí)流場比較勻稱，尾跡區(qū)沒有形成明顯的渦流，煙氣流動(dòng)阻力較小，管束間煙氣速度相對(duì)較大，可以減少積灰。

圖3 速度場云圖

圖4給出了相同條件下2種管束的磨損情況。由圖4可知，光管的磨損比麻面管嚴(yán)重，光管最大磨損發(fā)生的位置也比麻面管靠前。這是因?yàn)槁槊婀鼙砻娴目咏Y(jié)構(gòu)對(duì)于煙氣流動(dòng)有很好的導(dǎo)流作用，緩解了部分飛灰顆粒對(duì)管束壁面的沖擊，從而有效減輕磨損。

3.2 飛灰顆粒運(yùn)行軌跡的分析

在分析煙氣橫掠麻面管管束過程中飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，入口煙氣速度取為8 m/s,飛灰顆粒平均粒徑為25 μm，并模擬了相同條件下煙氣橫掠光管管束的情況，以便進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5(a)和圖5(b)分別給出了光管與麻面管在同一截面(y=0 m)處的速度矢量。由圖5可知，速度矢量均呈螺旋式分布，說明在管束間流動(dòng)的煙氣具有一定的軸向和徑向速度分量。與圖5(a)相比，圖5(b)中速度矢量的螺旋結(jié)構(gòu)較大，且在管道壁面附近的速度數(shù)值較大，可帶走一部分原本會(huì)撞擊到管壁的飛灰顆粒或降低飛灰顆粒撞擊管壁的程度，從而達(dá)到減輕磨損的目的。

(a) 光管

(b) 麻面管

圖6和圖7分別給出了煙氣繞流光管管束和麻面管管束的飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡線，發(fā)現(xiàn)粒徑較小的飛灰顆粒受到煙氣渦流作用較明顯，在管束間呈波紋式交替運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)形式在麻面管管束中更明顯。在光管管束間，更多飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)出現(xiàn)在管道表面附近，這說明飛灰顆粒與管道碰撞的概率較大，增加了磨損的可能性。煙氣橫掠麻面管管束時(shí)，小粒徑飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡前后變化不大；在光管管束中，小粒徑飛灰顆粒的軌跡線由密變疏，部分軌跡線消失，這是因?yàn)橐徊糠诛w灰顆粒由于碰撞損失部分動(dòng)能，并且在煙氣渦流作用下發(fā)生了沉積，這表明麻面管在減輕積灰方面具有一定的優(yōu)勢。

圖6 各粒徑飛灰顆粒在光管管束間的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7 煙氣繞麻面管管束流動(dòng)時(shí)各粒徑飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

3.3 煙氣速度對(duì)磨損特性的影響

模擬麻面管束的磨損特性時(shí)，選取相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光管管束進(jìn)行對(duì)比分析，圖8給出了管束結(jié)構(gòu)參數(shù)s1/D=2.5、s2/D= 1.8時(shí)磨損率與煙氣速度的關(guān)系曲線。由圖8可以看出，隨著煙氣速度的增大，光管和麻面管管束的磨損率均增加，這是因?yàn)闊煔馑俣仍酱螅瑹煔庵酗w灰顆粒的動(dòng)能越大，提高了飛灰顆粒與管束壁面的碰撞概率，加重了管壁的磨損程度；隨著煙氣速度的增大，光管磨損率增幅比麻面管大，煙氣速度分別為6 m/s、8 m/s和10 m/s時(shí)，光管磨損率比麻面管分別大0.61×10-8kg/(m2·s)、1.46×10-8kg/(m2·s)和2.9×10-8kg/(m2·s)。與光管相比，麻面管表面的凹坑結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了管束的導(dǎo)流作用，使氣流在軸向和徑向上產(chǎn)生一定的速度，軸向和徑向速度降低了飛灰顆粒對(duì)管壁的碰撞概率，從而減輕管壁的磨損。在相同工況下，麻面管管束的磨損率比光管減少約15%。

圖8 煙氣速度對(duì)磨損率的影響

3.4 粒徑對(duì)磨損特性的影響

圖9給出了不同煙氣速度下飛灰顆粒平均粒徑對(duì)磨損率的影響。由圖9可知，在相同煙氣速度下，隨著飛灰顆粒平均粒徑的增大，磨損量也增大。當(dāng)飛灰顆粒粒徑為15 μm時(shí)，飛灰顆粒主要受到煙氣的黏性作用，其慣性小，隨著煙氣繞管外壁流動(dòng)，與壁面的碰撞概率很小，磨損較小；當(dāng)粒徑為100 μm時(shí)，飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)主要受自身的慣性作用，受煙氣流體的影響較小，在慣性作用下大粒徑飛灰顆粒很容易穿過近壁區(qū)的邊界層，與壁面發(fā)生相撞，導(dǎo)致碰撞次數(shù)增加，磨損加劇。

煙氣速度較大時(shí)，隨著飛灰顆粒平均粒徑的增大，磨損率增幅較大。煙氣速度為6 m/s時(shí)，粒徑為15 μm的飛灰顆粒造成的磨損率為1.66×10-8kg/(m2·s)，飛灰顆粒粒徑為100 μm時(shí)，磨損率為8.17×10-8kg/(m2·s)，磨損率增加了6.51×10-8kg/(m2·s)；煙氣速度為10 m/s時(shí)，飛灰顆粒粒徑為15 μm的磨損率為7.75×10-8kg/(m2·s)，飛灰顆粒粒徑為100 μm時(shí)，磨損率為47.9×10-8kg/(m2·s)，磨損率增加了40.15×10-8kg/(m2·s)，后者增加的磨損率約為前者的6倍。

圖9 平均粒徑對(duì)磨損率的影響

3.5 橫縱管距對(duì)磨損特性影響

圖10為光管和麻面管管束的橫向管距對(duì)磨損率的影響曲線。由圖10可知，對(duì)于光管和麻面管管束，其磨損率均隨橫向管距的增大而減小。一方面原因是橫向管距增大，煙氣流經(jīng)相鄰管束間的流通面積隨之增大，煙氣中更多的飛灰顆粒直接從管間隙通過，撞擊管壁的飛灰顆粒數(shù)目減少；另一方面，橫向管距增大，使得部分碰撞反彈的飛灰顆粒在未撞擊到相鄰管列時(shí)就被煙氣帶走，避免了二次碰撞的發(fā)生，從而減輕了磨損。當(dāng)縱向管距分別為1.8和2.0 時(shí)，麻面管最大磨損率比光管最大磨損率分別降低14.19% 和11.08%。隨著橫向管距的增大，麻面管與光管之間的磨損率差值逐漸縮小，不同縱向管距的麻面管之間的磨損率也逐漸接近，這可能是因?yàn)闄M向管距增大，煙氣速度減小，麻面管表面坑的導(dǎo)流作用也減弱。

圖10 橫向管距對(duì)磨損率的影響

圖11給出了光管和麻面管管束的磨損率與縱向管距的關(guān)系曲線。在不同橫向管距下，光管和麻面管管束的磨損率均隨縱向管距的增大而增加，但增幅較小，對(duì)于橫向管距較小的管束，其磨損率隨縱向管距的變化幅度較大。由于縱向管距增大，為飛灰顆粒到達(dá)下列管排提供了充足的時(shí)間，提高了飛灰顆粒再次碰撞管壁的概率，對(duì)于橫向管距較小的管束，煙氣流通面積相對(duì)減小，煙氣速度增大，使得反彈后的飛灰顆粒得到加速，撞擊速度增大，磨損率增加。當(dāng)橫向管距分別為2.0、2.5和3.0時(shí)，麻面管的磨損率比光管最大程度上分別降低了12.75%、15.7%和10.63%。

圖11 縱向管距對(duì)磨損率的影響

3.6 麻面坑深對(duì)磨損特性影響

圖12給出了s1/D= 2.5和s2/D=1.8時(shí)坑深度與麻面管管束磨損率的關(guān)系曲線。由圖12可知，對(duì)于平均粒徑相同的飛灰顆粒，其對(duì)麻面管管束造成的磨損率隨坑深度的增大而減少；對(duì)于d=100 μm的大粒徑飛灰顆粒，隨著坑深度的增大，磨損率減幅較大，效果更明顯。這是因?yàn)殡S著坑深度的增大，煙氣流經(jīng)管束的流通面積增大，煙氣速度相對(duì)減小，隨著坑深度的增大，管束表面坑上的流線對(duì)飛灰顆粒的導(dǎo)流作用增強(qiáng)，使飛灰顆粒產(chǎn)生“避中”效應(yīng)，不易靠近壁面，從而降低飛灰顆粒對(duì)管壁的碰撞沖擊概率，使磨損減輕。

圖12 坑深度對(duì)磨損率的影響

4 結(jié) 論

(1) 隨著煙氣速度的增大，光管和麻面管管束的磨損率均增加，且光管磨損率增幅比麻面管大，在相同工況下，麻面管管束的磨損率比光管減少約15%，換熱管采用麻面管可有效減輕磨損，延長設(shè)備的使用壽命。

(2) 在相同煙氣速度下，隨著飛灰顆粒平均粒徑的增大，磨損率也增加；煙氣速度較大時(shí)，隨著飛灰顆粒平均粒徑的增大，磨損率增幅較大。

(3) 光管和麻面管管束的磨損率隨橫向管距的增大而減小，隨縱向管距的增大而增大，但增幅較小，對(duì)于橫向管距較小的管束，其磨損率隨縱向管距的變化幅度較大。

(4) 麻面管表面坑深度越大，飛灰顆粒對(duì)麻面管的磨損越輕，對(duì)于d=100 μm的大粒徑飛灰顆粒，隨著坑深度的增大，磨損率減少的效果更明顯。