引言

浙江某電廠為了響應國家環(huán)保及節(jié)能減排的相關政策,將煤粉鍋爐改燒樹枝葉、雜草或者是農(nóng)作物秸桿等生活中常見的生物質燃料。然而,經(jīng)過技術及結構改造后,該鍋爐飽受排煙溫度過高的困擾。因此,為了改善鍋爐尾部煙道的工作條件,對該鍋爐提出了4種改造方案:方案1,移除下級空氣預熱器,換熱器受熱管束采用錯列布置方式:方案2,移除上級空氣預熱器,換熱器受熱管束采用錯列布置方式:方案3,移除下級空氣預熱器,換熱器受熱管束采用順列布置方式:方案4,移除上級空氣預熱器,換熱器受熱管束采用順列布置方式。對4種方案進行熱力計算,發(fā)現(xiàn)方案2排煙溫度高達176.5℃,高于設計溫度170℃,浪費較大,不符合設計要求:而方案4得到的熱空氣溫度為90℃,低于100C,容易造成鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕問題,也不符合要求。因此,放棄方案2和方案4。

本文利用CFD仿真軟件建立了錯列及順列兩種換熱器的物理模型,主要模擬分析換熱器內(nèi)部煙氣側的速度場和飛灰顆粒對換熱器的磨損情況,因前期通過熱力計算已經(jīng)放棄方案2和方案4,故接下來將分別分析方案1和方案3速度場及管壁磨損情況,最終確定出最優(yōu)方案。

1流體流動的基本控制方程

1.1質量守恒方程

式中:β為流體的密度(kg/m3):t為時間:u、y、w分別為λ、y、:三個方向上的速度分量。

1.2動量守恒方程

假設流體的粘度系數(shù)是常數(shù)C,且為不可壓縮的流體(β=C),即SS=Su=Sw=0,u為流體的運動粘度,單位是m2/S:p為作用在流體微元體上的壓力,故動量方程可簡化為方程組,如式(2)所示:

1.3湍流方程

本文使用標準K-ε方程描述湍流流動,如式(3)所示:

式中:σk、σε分別為湍流脈動動能以及耗散率的湍流普朗特數(shù):Cl、C2為經(jīng)驗系數(shù)。

2換熱器流場仿真分析

2.l換熱器幾何建模及網(wǎng)格劃分

本文應用模型創(chuàng)建軟件Gambit來創(chuàng)建錯列及順列兩種布置形式的換熱器的幾何模型。錯列及順列換熱器橫向分別有管束l8排、24排,管束間橫向節(jié)距分別是80mm、60mm:縱向都有管束26列,縱向節(jié)距都是60mm。錯列及順列布置的換熱器煙氣均從頂部進入,自上向下垂直沖刷換熱器管束,換熱完成后均從換熱器底部逸出。順列布置換熱器,管束具有對稱性,為了簡化計算,計算順列換熱器的一半即可,因此幾何模型也只創(chuàng)建模型的l/2。順列布置換熱器與錯列布置換熱器的幾何模型如圖l所示。

圖1兩種型式換熱器的幾何模型

分別對兩種布置方式的換熱器進行網(wǎng)格劃分,采用四面體網(wǎng)格,最終得到錯列及順列換熱器網(wǎng)格數(shù)分別為3232388、2080650,最差的網(wǎng)格質量分別是0.48、

0.5l,全部網(wǎng)格質量完全能夠滿足小于0.97的要求,網(wǎng)格質量良好。

2.2基本假設

在求解過程中,為便于模型的建立,需要進行以下假設:(1)換熱器內(nèi)流體流動均為定常流動:(2)忽略重力對流場的作用:(3)煙氣在換熱器中的流動屬于湍流范疇,所以該過程利用湍流模型進行求解:(4)流體物理性質的設定。

換熱器中的流體為燃料在爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的煙氣,進入換熱器前煙氣溫度都為225.83℃。根據(jù)計算得到的煙溫,查表可確定煙氣的密度β=0.733kg/m3,粘度u=3.477×105m2/S。

2.3邊界條件的設定

在同樣的邊界條件下,設置兩種型式的換熱器煙氣入口作為速度入口,速度均為5.25m/S:煙氣出口為自由出流:換熱器表面的邊界類型是固體壁面:順列換熱器還需設置對稱邊界類型。在計算過程中,使用標準

K-ε方程模擬求解流體湍流過程,采用SIMPLE壓力速度耦合法。

2.4計算結果及分析

圖2、圖3、圖4分別為錯列、順列換熱器內(nèi)煙氣沖刷受熱面管束Z方向及X方向的速度云圖。煙氣流經(jīng)換熱器是沿著Y方向自上而下沖刷管束,但因為管束的存在,煙氣通道變得狹窄。根據(jù)連續(xù)性方程ζu=ua,如圖2、圖3所示,因為Z方向上管束間的煙氣流通截面面積a變小,必定會導致煙速增大,在兩側換熱器壁面處流通截面積最小,所以這些位置的煙速最大。同樣的原因,如圖4所示,X方向上,截面兩側位置煙速較大:煙氣受到管束的阻擋,改變了原有的流動方向,在管束的背風側速度很小。對比圖4,錯列布置的管束間速度變化梯度較大,而順列管束布置整齊,速度分布也相對規(guī)則,前后排管束間的煙速較小,同一橫排管束間煙速較大。

圖2錯列Z方向截面速度云圖

圖3順列Z方向截面速度云圖

圖4錯列、順列換熱器X方向截面速度云圖

為了更加清楚地表現(xiàn)換熱器內(nèi)煙氣速度矢量的變化情況,對圖片進行了放大處理。將錯列管束及順列管束在Z方向截面的速度矢量圖進行了放大處理,如圖5和圖6所示。當煙氣沖刷錯列管束時,在前進的方向上不斷受到管束的干擾,流動方向時刻變化:但順列管束由于前后排列規(guī)整,煙氣流動主要受到第一排管束阻擋,隨即改變方向,分成若干股流后,沿管束兩側平緩流動,速度方向變化較小。不論是錯列還是順列管束的背風側都會出現(xiàn)較小的回流區(qū),這是因為受到上一排管束的阻擋,煙氣流動發(fā)生了變化。

圖5錯列換熱器Z方向速度矢量圖

圖6順列換熱器Z方向速度矢量圖

由圖7~圖10可以看出,不管是錯列換熱器還是順列換熱器,隨著飛灰顆粒粒徑的不斷增大,顆粒與管壁的碰撞概率勢必加大。粒徑小的顆粒其慣性自然小,但是比較容易受到氣流的影響,會隨著氣流繞過管束,只有很少一部分顆粒會與管壁發(fā)生直接碰撞。顆粒運動的軌跡與煙氣流動狀態(tài)大致相同。顆粒隨著粒徑的增大,慣性自然也會增大,當煙氣受到來自受熱管束的阻擋,流動方向發(fā)生改變時,顆粒不易與其流動方向一同發(fā)生改變,而是會在慣性的作用下與管壁發(fā)生碰撞。

圖7順列管束50um顆粒磨損量分布圖

比對錯列及順列換熱器內(nèi)顆粒的運動軌跡可以發(fā)現(xiàn):在粒徑較小的情況下,顆粒撞擊第一排管束的情況差異較小,區(qū)別較大的在于管束的第二排。如圖10所示,即使錯列布置的換熱器內(nèi)顆粒粒徑較小(即顆粒直徑dp=20μm),顆粒撞擊第二排管束的概率依然很大。顆粒首先受到第一排管束的遮擋,部分與其發(fā)生直接撞擊,就算不與第一排管束發(fā)生碰撞的顆粒也幾乎全部會與第二排管束發(fā)生碰撞。當顆粒粒徑增大時,情況就會更加明顯,如圖8所示。但對于順列換熱器來說,如圖9所示,當顆粒粒徑較小時,顆粒幾乎不會與第二排管束發(fā)生碰撞,只有當顆粒粒徑較大時才有一些顆粒會撞擊到第二排管子,如圖7所示。從整體上看,對比圖7~圖10,在相同的顆粒粒徑下,錯列換熱器中顆粒撞擊管束的概率明顯高于順列。當顆粒直徑為50um時,在錯列換熱器中,幾乎全部的顆粒都會與管壁相碰撞:而在順列換熱器中,部分顆粒會保持與煙氣一起在管束間從上至下較"順利"地流經(jīng)換熱器。

圖8錯列管束50um顆粒磨損量分布圖

圖9順列管束20um顆粒磨損量分布圖

圖10錯列管束20um顆粒磨損量分布圖

本文在模擬中加入離散相模型,主要分析顆粒運動軌跡和對壁面磨損情況,得出以下結論:攜帶顆粒的煙氣沖刷錯列管束時會造成更嚴重的磨損,使受熱管束更容易損壞。因此,從飛灰顆粒磨損角度考慮,順列布置的方案3明顯優(yōu)于錯列布置的方案1。

3結論

本文采用計算流體力學方法,使用Fluent軟件分析錯列與順列換熱器煙氣側的流場,并且加入離散相模型模擬煙氣中顆粒對于管束的撞擊磨損作用。采用20um、50um兩種粒徑,分析顆粒粒徑對磨損量的影響,從飛灰磨損的角度,對比方案1與方案3的優(yōu)劣,得出錯列管束更容易受到磨損,安全性差一些。所以認為方案3一移除下級空氣預熱器,換熱器受熱管束采用順列布置方式較優(yōu)。