浸沒(méi)燃燒加熱裝置冷態(tài)數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張雪峰, 宮小龍, 樊 斌, 馮 青, 項(xiàng) 往

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江西 景德鎮(zhèn) 333000)

1 概述

浸沒(méi)燃燒加熱技術(shù)除具有高熱效率、氣液直接換熱的特性外,還具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊等優(yōu)點(diǎn),因此在供熱系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

殷開(kāi)泰等人[2]指出燃燒室壓力波動(dòng)是燃燒不穩(wěn)定的原因,并指出維持浸沒(méi)燃燒蒸發(fā)器正常工作時(shí),燃燒室相對(duì)壓力波動(dòng)幅度存在限值。岳東北等人[3-4]對(duì)浸沒(méi)燃燒技術(shù)應(yīng)用于滲濾液處理、污水濃縮處理進(jìn)行了研究。宮小龍[5]對(duì)增壓浸沒(méi)燃燒氣化器的壓力波動(dòng)進(jìn)行了研究,建立了燃燒室壓力波動(dòng)方程和氣化器內(nèi)液體壓力波動(dòng)方程。研究得出,與側(cè)吹式浸沒(méi)燃燒設(shè)備相比,直通式浸沒(méi)燃燒設(shè)備具有煙氣沖擊力度大、煙氣沿程損失小等優(yōu)點(diǎn),但直通式浸沒(méi)燃燒設(shè)備的浸沒(méi)管入口壓力波動(dòng)更為劇烈,易導(dǎo)致燃燒室壓力不穩(wěn)定。

本文以浸沒(méi)燃燒加熱裝置(采用直通式浸沒(méi)管)為研究對(duì)象,分析在浸沒(méi)管噴口增設(shè)多孔板對(duì)罐體內(nèi)氣相率分布以及浸沒(méi)管入口壓力、換熱效果指標(biāo)(氣液兩相交界面積、優(yōu)質(zhì)換熱面積、滯留空氣體積)的影響。

2 幾何模型

浸沒(méi)燃燒加熱裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。浸沒(méi)燃燒加熱裝置的燃燒室位于煙氣入口前端,圖1中未給出燃燒室結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)化幾何模型也不考慮燃燒室。

1—煙氣入口; 2—煙氣出口; 3—浸沒(méi)管主體; 4—檢測(cè)孔;5—觀測(cè)口; 6—浸沒(méi)管噴口; 7—支架; 8—排水管;9—水浴罐體。圖1 浸沒(méi)燃燒加熱裝置結(jié)構(gòu)

1—法蘭; 2—浸沒(méi)管入口; 3—浸沒(méi)管主體; 4—浸沒(méi)管噴口;5—多孔板。圖2 改進(jìn)前后浸沒(méi)管結(jié)構(gòu)

對(duì)于浸沒(méi)燃燒加熱裝置,高溫?zé)煔馀c水浴溶液的對(duì)流換熱是至關(guān)重要的一環(huán)[6]。改進(jìn)前后浸沒(méi)管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。圖2左側(cè)為改造前浸沒(méi)管,右側(cè)為改進(jìn)后在浸沒(méi)管噴口增設(shè)多孔板的浸沒(méi)管。多孔板未改變浸沒(méi)管噴口直徑,僅在多孔板上開(kāi)設(shè)8個(gè)小孔,各小孔中心與多孔板中心間距120 mm。

簡(jiǎn)化幾何模型(不考慮罐體及浸沒(méi)管厚度,并忽略圖1中超出水浴罐體的煙氣入口部分管段)罐體與浸沒(méi)管主要尺寸見(jiàn)表1。

表1 簡(jiǎn)化幾何模型罐體與浸沒(méi)管主要尺寸

3 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

在進(jìn)行數(shù)值模擬前,需對(duì)邊界條件與物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化:以常溫空氣代替高溫?zé)煔?進(jìn)行冷態(tài)模擬。空氣任何組分均不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。運(yùn)行過(guò)程中浸沒(méi)管空氣流量保持恒定。浸沒(méi)管入口空氣溫度為300 K,煙氣出口設(shè)為壓力出口,水浴溫度為300 K。選取空氣流量、浸沒(méi)深度、有無(wú)多孔板作為影響因素,影響因素水平見(jiàn)表2。

表2 影響因素水平

4 網(wǎng)格劃分及模擬方法

采用軟件icem對(duì)簡(jiǎn)化后的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見(jiàn)圖3)。網(wǎng)格質(zhì)量均高于0.5,滿足計(jì)算要求[7]。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

在浸沒(méi)深度為300 mm、空氣流量為69.27 m3/h工況下,進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。時(shí)間步長(zhǎng)取10-4s,計(jì)算至第3 s時(shí),網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證見(jiàn)表3。由表3可知,對(duì)于無(wú)多孔板模型,網(wǎng)格數(shù)為762 384時(shí)的浸沒(méi)管入口壓力與網(wǎng)格數(shù)為971 652時(shí)的浸沒(méi)管入口壓力十分接近,因此網(wǎng)格數(shù)選取762 384。對(duì)于有多孔板模型,網(wǎng)格數(shù)為785 577時(shí)的浸沒(méi)管入口壓力與網(wǎng)格數(shù)為1 445 616的浸沒(méi)管入口壓力十分接近,因此網(wǎng)格數(shù)選取785 577。以氣液兩相交界面積最大為目標(biāo),對(duì)數(shù)值模擬的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證。當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)為10-4s時(shí),無(wú)多孔板模型、有多孔板模型氣液兩相交界面積均可實(shí)現(xiàn)最大化,因此數(shù)值模擬的時(shí)間步長(zhǎng)選取10-4s。

表3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

數(shù)值模擬使用FLUENT 19.0進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)求解并迭代至4 s。壓力與速度的耦合采用PISO算法,時(shí)間離散格式采用隱式格式,算法均采用二階迎風(fēng)格式。除能量方程殘差收斂至10-6外,其余方程殘差均收斂至10-4。數(shù)值模擬過(guò)程中考慮了液體的表面張力對(duì)氣液兩相流動(dòng)的影響[8]。

5 模擬結(jié)果與分析

浸沒(méi)深度取300 mm、空氣流量取69.27 m3/h,不同時(shí)間無(wú)多孔板模型與有多孔板模型水浴罐體內(nèi)氣相率分布云圖分別見(jiàn)圖4、5。

圖4 不同時(shí)間無(wú)多孔板模型水浴罐體內(nèi)氣相率分布云圖

圖5 不同時(shí)間有多孔板模型水浴罐體內(nèi)氣相率分布云圖

由圖4、5可知,無(wú)多孔板模型水浴溶液表面液體飛濺明顯。這是由于無(wú)多孔板模型中空氣由浸沒(méi)管噴口向水浴溶液中噴出并形成大氣泡,多個(gè)大氣泡在上升的過(guò)程中進(jìn)一步相互融合形成更大的氣泡,氣泡在沖出液面時(shí)破裂并形成液體飛濺,對(duì)液面穩(wěn)定性的破壞非常明顯。在浸沒(méi)管噴口增設(shè)多孔板后,浸沒(méi)燃燒加熱裝置運(yùn)行過(guò)程中水浴溶液液面穩(wěn)定性有明顯提升,水浴溶液表面液體飛濺情況較少發(fā)生。在實(shí)際運(yùn)行中,浸沒(méi)管入口壓力(即燃燒室背壓)波動(dòng)是影響燃燒室穩(wěn)定燃燒的主要因素[9],而水浴溶液液面的穩(wěn)定與否在很大程度上影響浸沒(méi)管入口壓力的穩(wěn)定性。因此,在浸沒(méi)管噴口增設(shè)多孔板有利于浸沒(méi)管入口壓力的穩(wěn)定,促進(jìn)燃燒室穩(wěn)定燃燒。

由圖4、5可知,無(wú)多孔板模型空氣由浸沒(méi)管噴口沖出時(shí),空氣很容易沿著浸沒(méi)管外壁直接上浮,無(wú)法對(duì)水浴溶液形成充足攪動(dòng),空氣與水浴溶液接觸面積小。而在浸沒(méi)管噴口增設(shè)多孔板能夠避免空氣沖出浸沒(méi)管噴口后沿浸沒(méi)管外壁直接上浮,明顯擴(kuò)大了氣泡在液面下的分布范圍,增強(qiáng)了對(duì)水浴溶液攪動(dòng),有利于氣液兩相換熱。

浸沒(méi)深度取300 mm、空氣流量取69.27 m3/h,無(wú)多孔板模型與有多孔板模型浸沒(méi)管入口壓力、氣液兩相交界面積、優(yōu)質(zhì)換熱面積(將高于浸沒(méi)管噴口250 mm以上氣液兩相交界面積作為優(yōu)質(zhì)換熱面積)、滯留空氣體積隨時(shí)間(0.1～4.0 s)的變化分別見(jiàn)圖6～9。氣液兩相交界面積、優(yōu)質(zhì)換熱面積、滯留空氣體積這3項(xiàng)換熱效果指標(biāo)越大,說(shuō)明浸沒(méi)燃燒加熱裝置的換熱效果越好。

圖6 無(wú)多孔板模型與有多孔板模型浸沒(méi)管入口壓力隨時(shí)間的變化

由圖6可知,浸沒(méi)燃燒加熱裝置在啟動(dòng)瞬間浸沒(méi)管入口壓力較高,隨后迅速降低,易造成點(diǎn)火失敗。與無(wú)多孔板模型相比,有多孔板模型在啟動(dòng)階段的浸沒(méi)管入口壓力下降幅度比較緩慢,因此點(diǎn)火失敗的情況有所緩解。在運(yùn)行階段,與無(wú)多孔板模型相比,有多孔板模型的浸沒(méi)管入口壓力波動(dòng)幅度更小。

由圖7～9可知,在運(yùn)行階段,有多孔板模型的氣液兩相交界面積、優(yōu)質(zhì)換熱面積、滯留空氣體積等換熱效果指標(biāo)均優(yōu)于無(wú)多孔板模型。這說(shuō)明浸沒(méi)管噴口增設(shè)多孔板可有效起到強(qiáng)化換熱的作用。

圖7 無(wú)多孔板模型與有多孔板模型氣液兩相交界面積隨時(shí)間的變化

圖8 無(wú)多孔板模型與有多孔板模型優(yōu)質(zhì)換熱面積隨時(shí)間的變化

圖9 無(wú)多孔板模型與有多孔板模型滯留空氣體積隨時(shí)間的變化

不同浸沒(méi)深度下無(wú)多孔板模型與有多孔板模型浸沒(méi)管入口壓力波動(dòng)幅度(為1.5～4.0 s內(nèi)浸沒(méi)管入口壓力最大值與最小值之差與浸沒(méi)管入口壓力平均值之比)隨空氣流量的變化分別見(jiàn)圖10、11。由圖10、11可知,空氣流量一定時(shí),浸沒(méi)深度越大,無(wú)多孔板模型、有多孔板模型浸沒(méi)管入口壓力波動(dòng)幅度均越小。與無(wú)多孔板模型相比,有多孔板模型浸沒(méi)管入口壓力波動(dòng)幅度更小,變化范圍也更小。

圖10 不同浸沒(méi)深度下無(wú)多孔板模型浸沒(méi)管入口壓力波動(dòng)幅度隨空氣流量的變化

圖11 不同浸沒(méi)深度下有多孔板模型浸沒(méi)管入口壓力波動(dòng)幅度隨空氣流量的變化

4 s時(shí)不同浸沒(méi)深度下無(wú)多孔板模型與有多孔板模型氣液兩相交界面積、優(yōu)質(zhì)換熱面積、滯留空氣體積隨空氣流量的變化分別見(jiàn)圖12～14。由圖12～14可知,有多孔板模型的換熱效果指標(biāo)均隨空氣流量增大而增大,且浸沒(méi)深度越大變化越明顯。

圖12 4 s時(shí)不同浸沒(méi)深度下無(wú)多孔板模型與有多孔板模型氣液兩相交界面積隨空氣流量的變化

圖13 4 s時(shí)不同浸沒(méi)深度下無(wú)多孔板模型與有多孔板模型優(yōu)質(zhì)換熱面積隨空氣流量的變化

圖14 4 s時(shí)不同浸沒(méi)深度下無(wú)多孔板模型與有多孔板模型滯留空氣體積隨空氣流量的變化

無(wú)多孔板模型的換熱效果指標(biāo)雖然也隨空氣流量增大而增大,但與有多孔板模型相比,變化趨勢(shì)并不顯著。這說(shuō)明在浸沒(méi)管噴口增設(shè)多孔板可有效起到強(qiáng)化換熱的作用。

6 結(jié)論

在浸沒(méi)管噴口增設(shè)多孔板,有利于浸沒(méi)管入口壓力的穩(wěn)定,促進(jìn)燃燒室穩(wěn)定燃燒,可有效強(qiáng)化煙氣與水浴溶液的換熱。