套管换热式旋风除尘器数值模拟

袁永万，闵春华，姜永超，刘建博，李小龙，陈占秀

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津300401）

套管换热式旋风除尘器数值模拟

袁永万，闵春华，姜永超，刘建博，李小龙，陈占秀

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津300401）

设计了一种套管换热式旋风除尘器，用于回收烟气余热.采用数值模拟的方法研究了套管式旋风除尘器的换热性，并与热管换热式旋风除尘器进行了比较.结果发现：对于热管式旋风除尘器，随着热管内工质蒸发温度增加，热回收率降低；对于套管式旋风除尘器，随着套管进口水流速增加，热回收量增加，且一般情况下，热回收量高于热管式旋风除尘器；根据需要可采用带突起的旋风除尘器，在研究范围内，热回收量是热管式旋风除尘器热回收量的1.33～3.06倍；套管式旋风除尘器因为气流旋转运动，壁面附近边界层较薄，故换热较强.

旋风除尘器；套管；强化传热；余热回收；数值模拟

0 引言

我国工业发展具有高能耗、高污染特点[1].工业烟气在排放前均要经过净化处理.本文关注的是烟气中烟尘的处理.旋风除尘器是目前一种有效的除尘装置，含尘烟气在筒体内旋转运动，在离心力的作用下被甩向壁面与器壁接触，与气体相分离，通过排灰口排出，洁净气流在中心向上排出.关于旋风除尘器，主要针对流场分析和提高除尘效果开展研究，如张雅等[2]模拟了旋风除尘器内流场湍流的各向异性特性.王帅等[3]采用LES-DEM方法研究了旋风除尘器内的气固两相流动特性.Hu等[4]的模拟研究发现，在进口处、顶灰环处、排灰口处及上行气流与下行气流交界处，湍流强度大且变化尖锐.大部分区域存在着湍流的各向异性.时均切向速度在环形空间内是不对称的，时均轴向速度在排气管内的流动与在主体区域内的流动是不同的.Bernardo等[5]对不同入口角度的蜗壳式旋风分离器内部流场进行模拟.Wang等[6]研究了出口段长度对旋风除尘器内部流场的影响.赵宏强等[7]采用大涡模拟方法研究了旋风除尘器内的速度分布规律.宋健斐等[8]利用改进的雷诺应力模型及颗粒随机轨道模型对旋风除尘器内颗粒浓度进行了模拟，发现了颗粒逃逸区域、颗粒捕集区及中间颗粒分离区的分布状况.李丹等[9]分析入口速度及颗粒粒径对于旋风除尘器内固体颗粒轨迹的影响，探索旋风除尘器的运动机理，结果表明，入口速度与颗粒粒径均对旋风除尘器的颗粒轨迹具有影响，且小颗粒更易受到入口速度影响.李济吾等[10]建立了旋风静电除尘器三维模型，研究了供电电流与除尘效果的影响.Elsayed[11]提出了一种新扩口型的排气管，降低压降，发现优化后的旋风分离器与传统的普通旋风分离器相比，节省66%的驱动电源.高翠芝等[12]研究了排气管直径与形态对旋风除尘器中心轴向流速的影响，优化了旋风除尘器结构.Oscar等[13]对5～15 μm直径范围内的除尘效果进行模拟，发现随着压降减小导致分离效率增加的原因是切向速度的峰值随着压降的减小而向筒壁移动.

旋风除尘器可与节能技术相结合，如文献[13-14]提出了一种热管换热式旋风除尘器，用于回收烟气余热.本文提出一种套管式旋风除尘器用于回收烟气余热，并与文献中热管换热式旋风除尘器的热回收效果进行比较.

1 模型建立

本文建立加设热管或套管结构的旋风除尘器，用于回收烟气余热.热管式旋风除尘器参考文献[14]中的结构，本文重点研究套管式旋风除尘器，并与热管式旋风除尘器进行比较.旋风除尘器烟气流动为典型的气固两相流，在流动与换热特性上与单相流有显著差异.本文在相同条件比较两种结构的节能效果，为简化模拟，仅考虑单相流动.

1.1 旋风除尘器物理模型的建立

首先，在文献[14-16]的基础上，建立了内含15根热管的旋风除尘器，如图1a）所示.图中热管仅画出蒸发段，其长度与旋风除尘器高度相等.热管的特点是可在较低温差下工作.对于蒸发端，工质达到饱和状态下的蒸发温度.忽略固体壁导热热阻和热管内对流传热热阻，则热管外表面的温度可近视为蒸发温度.模拟时，将热管近似处理为恒壁温，即蒸发温度.为避免出口回流对内部流场的影响，在旋风除尘器烟气出口上增加了一圆管，圆管长度是直径的10倍，其它模型出口处理方式相同.热管式旋风除尘器模拟结果作为套管换热式旋风除尘器的比较基础.

然后，作为本文的核心，建立了套管换热式旋风除尘器，其结构是在旋风除尘器圆筒外增加一个同心套管，套管内流动介质为水，结构如图1b）所示.旋风除尘器内烟气和套管内的流体均作旋转运动，且运动方向相反，与壁面之间的摩擦力较大，故换热较强.为进一步增强换热，在旋风除尘器圆筒上利用小球向里按压，得到球冠形凸起，小球直径为100 mm，球冠形凸起的高度为30 mm，如图1c）所示.各图中，烟气进口管、进水管和出水管与x方向平行，z轴正方向向上，坐标原点在排灰口中心.模型主要尺寸与文献[14]相同，如表1所示.值得注意的是，旋风除尘器对圆度及表面光滑度要求较高，否则降低除尘效率，增加流动阻力.本文在旋风除尘器表面设置球冠形突起，可能破坏上述要求，影响除尘效率及增加流动阻力.因此，实际设计时需根据情况减少突起的数量及尺寸.另外，根据余热回收量，初步设定套管尺寸.后续工作将陆续开展上述方面的研究工作.

图1 旋风除尘器结构Fig.1 Structure of a cyclone separator

表1 模型几何尺寸Tab.1 Geometrical sizes of the model mm

1.2 计算方法与边界条件

旋风除尘器内的流动介质为烟气，套筒内的流动介质为水.假定烟气的物性参数与空气相同，且为常数.模拟中需求解质量方程、动量方程与能量方程，利用Fluent软件进行计算.对计算区域划分非均匀网格，采用结构化与非结构化相混合的网格形式.网格总数约180万，满足网格独立性解.采用RNG k-ε模型处理湍流流动.采用SIMPLEC算法处理速度与压力的耦合关系.迭代计算的收敛标准是连续性方程和动量方程的残差分别小于1×10-6和1×10-8或迭代残差不随迭代次数变化.

边界条件设置为：进口边界给定速度和温度，烟气进口流速和温度分别给定为20 m/s和300℃；出口边界为压力出口；固体壁面采用无滑移边界条件，热管表面温度给定.

2 模型验证

为验证模型的正确性，将本文模拟结果与文献[12]中用到的Stairmand模型的实验结果进行比较.用于比较的模型尺寸和边界条件与文献[12]中的相同，即圆筒直径为200 mm、圆通高度为300 mm、圆锥高度为500 mm、进口高度为100 mm、进口宽度为40 mm、排烟管直径为100 mm、排灰口直径为75 mm.取排灰口中心点为坐标原点，向上为z轴正方向.在z=510 mm截面上，经过中心轴各点的切向速度uτ分布如图2所示.可以看出，模拟与实验结果符合较好，证明模型可靠.

图2 模拟与实验结果比较Fig.2 Comparison of numerical and experimental results

3 结果与讨论

3.1 热管换热式旋风除尘器烟气换热率与热管蒸发温度的关系

图3所示为热管式旋风除尘器热回收量与热管表面温度之间的关系，图中Φ为热回收量.可以看出，随着热管表面温度的升高，烟气余热回收量越低.考虑到20℃为常温状态，对于热管，几乎达到最低温度，此时余热回收量最高.本文后面以该温度的热管式旋风除尘器为比较基准，分析套管式旋风除尘器的热回收量，凸显套管式旋风除尘器的热回收效果.

图3热回收量与蒸发温度的关系Fig.3 Relationship between heat recovery and wall temperature of the heat pipe

图4 所示为通过除尘器中心轴截面的烟气温度分布.可以看出，一方面，相对于壁面附近的烟气，中心处烟气温度较低，表明热管的显著吸热作用.另一方面，由于壁面烟气温度较高，说明未充分利用该部分烟气的加热作用.但壁面附近不能布置热管，因为这样会阻碍烟气的旋转流动，并进一步阻碍除尘效果.因此，热管式旋风除尘器余热回收效果有待改进，也是本文开展套管式旋风除尘器研究的原因之一.

图4 通过除尘器中心轴截面温度分布Fig.4 Temperature distribution through the center of the cyclone seperator

3.2 套管式旋风除尘器与带突起的套管式旋风除尘器热回收率

对于带突起的套管式旋风除尘器，突起数量为32个.不同进口水的流速下，热回收量如图5所示.可以看出：1）随着进口水流速增加，热回收量逐渐增加，且当流速大于1.0 m/s后，热回收量的增加程度降低；2）对于不带突起的套管式旋风除尘器，当流速为0.5 m/s时，热回收量约为103.8 kW，略高于热管式旋风除尘器，表明套管式旋风除尘器热回收效果较好；3）对于带突起的套管式旋风除尘器，进口水流速在0.1～1.5 m/s范围内，热回收量由134.2 kW增加到308.4 kW，是热管式旋风除尘器热回收量的1.33～3.06倍.设置突起后，可能导致除尘效果降低和流动阻力增大.这一问题将在后续研究中展开.

图5 不同水进口流速下热回收量Fig.5 Heat recovery under different water inlet velocity

3.3 强化传热机理分析

以上分析表明，由于传热增强，带突起的套管式旋风除尘器具有较好的热回收效果.根据流线分布规律揭示强化传热机理，在除尘器内，取一通过有突起的截面（这里取z=3.75 m），给出有突起和无突起两种情况下该截面的速度流线图，如图6所示.可以看出，对于无突起的情况，流线光滑，且由于烟气高速旋转运动，破坏了壁面附近边界层的发展，因此，换热较强；对于有突起的情况，由于受到突起的扰动作用，流线发生弯曲，并在除尘器内产生旋涡，进一步破坏边界层的发展，因此，换热更强.另外，虽然壁面上有突起，但流线仍然紧贴壁面，表明，颗粒可以不受气流影响而下落.

图6 除尘器内流线分布Fig.6 Streamline distribution of dust collector

3.4 套管式旋风除尘器除尘效果分析

利用DPM模型对有突起或无突起的套管式旋风除尘器颗粒运动规律进行模拟，颗粒直径为10μm，如图7所示.可以看出，两种情况颗粒运动轨迹相似.另外，从颗粒逃逸的角度，两种情况下，颗粒捕集率均为100%，表明，突起结构没有影响颗粒的捕集效果.

图7 颗粒运动轨迹Fig.7 Path line of the Particle

4 结论

本文对热管式旋风除尘器、套管式旋风除尘器和带突起的套管式旋风除尘器的余热回收效果进行了数值模拟，得到如下结论：

1）对于热管式旋风除尘器，随着热管内工质蒸发温度增加，热回收率降低；

2）对于套管式旋风除尘器，随着套管进口水流速增加，热回收量增加；当进口水流速为0.5 m/s时，热回收量与热管旋风除尘器相当；

3）对于带突起的旋风除尘器，在研究范围内，热回收量是热管式旋风除尘器热回收量的1.33～3.06倍；

4）套管式旋风除尘器因为气流旋转运动，壁面附近边界层较薄，故换热较强；带突起的套管式旋风除尘器进一步破环边界层的发展，换热更强，但除尘效果没有下降.

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[责任编辑 田丰]

Numerical simulation of cyclone separator with casing pipe heat exchanger

YUAN Yongwan,MIN Chunhua,JIANG Yongchao, LIU Jianbo,LI Xiaolong,CHEN Zhanxiu
（School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China）

A cyclone separator with casing pipe heat exchanger is designed for heat recovery.The heat transfer performance of the cyclone separator is comparably modeled with the cyclone separator with heat pipe heat exchanger.The numerical results show that the heat recovery of the cyclone separator with heat pipe heat exchanger decreases with the evaporating temperature of the working medium in the heat pipe.The heat recovery of the cyclone separator with casing pipe heat exchanger increases with the inlet velocity of water.Generally,the heat recovery of the cyclone separator with casing pipe heat exchanger and bulges is 1.33-3.06 times higher than that with heat pipe heat exchanger.The air and water rotating flow in the cyclone separator and casing pipe,respectively,disturb the boundary layer development,and hence the heat transfer is enhanced.

cyclone separator;casing pipe;enhancement of heat transfer;heat-recovering;numerical simulation

TK124

A

1007-2373（2017）04-0064-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.04.011

2017-03-17

国家自然科学基金（51576059）；河北省自然科学基金（E2015202272）；教育部重点实验室（天津大学）项目（201503-404）

袁永万（1991-），男，硕士研究生.通讯作者：闵春华（1974-），男，教授，chmin@hebut.edu.cn.