废热锅炉结构参数对含气率影响的研究

陈晓慧，刘智勇

（兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730000）

1 概述

随着世界范围的能源危机日益严重，减少能源的浪费成为重中之重，用来回收工业废热的废热锅炉在占据减少能源浪费中处于举足轻重的地位。而废热锅炉壳侧的两相流动和传热是工业生活中的常见现象。而由于烟管及其他因素对含气率的影响而造成的温度分布不均匀，设备损坏等问题很常见。

对于火管式废热锅炉的壳管式换热器的含气率的研究，陈斌等人[1]和马保卫等人[2]分别使用单纤光纤探针和电导探针对管束间含气率的分布进行测量，得出了含气率随不同参数的变化规律和水平截面含气率的计算式。李维等人[3]在已有研究成果的基础上，提出了预测带有折流板的管壳式换热器壳侧气液两相流沿水平方向横掠水平管束截面含气率的理论模型。刘朝晖[4]等人利用压差法得到了管束外部流动体积平均截面含气率。国外学者分别使用快速开启阀门法和单射线的γ 密度计测量了体积平均含气率和弦平均含气率[5～6]。

本次研究对象是一台火管式废热锅炉，液态水进口位于废热锅炉蒸发器的下部，水蒸气出口位于废热锅炉蒸发器上部，水在壳侧以两相流的模式从下到上流动，烟气在烟管内从上到下流动。使用Gambit 软件建立废热锅炉蒸发器的物理模型，划分结构化网格并进行前期处理，使用Fluent 软件对模型进行后期处理和分析计算。对其蒸发器壳侧的气液两相流采用沸腾传质模型和Mixture 多相流模型进行数值模拟，从而得出平均体积分数随液态水进口温度，蒸汽出口管径以及烟管直径的变化而发生的变化。

2 研究对象结构

研究对象火管式废热锅炉的蒸发器简化模型如图1 所示，液态水进口位于蒸发器的下方，管径为60mm；水蒸气出口位于蒸发器的上方，管径为60mm；烟气的进口管径为48mm，烟管长5200mm，烟气从上到下流动；蒸发器的直径为900mm。初始时刻，设定壳侧的压力为0.5MPa，温度为70℃，烟管壁的温度为300℃。蒸发器外壁面和上下壁面均为无滑移绝热壁面。蒸汽与水的体积分数之和为1。为简化计算，此次模拟计算截取简化模型的四分之一使用。

图1 蒸发器简化模型

3 Mixture 模型

Mixture 模型是一种简化的多相流模型，它使用单流体模拟有相对运动的多相流，不同相之间的耦合能力很强。通常用来模拟计算有相对运动的多相流体运动，主要用于计算混合相能量守恒方程，动量守恒方程和连续性方程等。Mixture 模型主要用于旋风分离器，低负载的粒子负载流和沉降问题以及气泡流其中的分析计算。在此次模拟计算中，处于壳侧的液态水和水蒸气是有相对运动的两相流。

4 液态水进口温度的影响

将换热烟管的进口流速设定为1m/s，温度设定为定值573K。其他条件不变，只改变液态水的进口温度来进行模拟计算分析。图2 中表示的是随着液态水进口温度的变化，含气率和气液混合相平均温度的变化。

图2 含气率随液态水进口温度的变化

由图2 可知，随着液态水进口温度的升高，气液混合相的平均温度和含气率都呈上升趋势。原因是：在烟气通过换热烟管给出的热量不变，换热烟管的表面积也不变时，液态水的进口温度越大，气液混合相的平均温度就越高，与烟管表面的温差越小。同时液态水与烟管壁的温差越小越容易发生沸腾相变，产生的水蒸气越多，含气率也就越多。

5 蒸汽出口管径的影响

在其他条件保持不变的情况下，将蒸汽的出口管径设定为55mm，60mm 和64mm 分别进行模拟计算分析。图3 表示的是在不同蒸汽出口管径情况下含气率随着时间的变化。

图3 含气率随不同蒸汽出口管径的变化

由图3 可知，不同蒸汽进口管径的含气率随时间的变化趋势是大致相同的，只是在管径为55mm的时候，含气率明显要比管径为60mm 和64mm 的时候要大很多，而且在蒸汽出口管径为60mm 和蒸汽出口管径为64mm 时，含气率随着时间的变化很相似。考虑到水蒸气会堆积在水蒸气出口处，过多的水蒸气可能会造成设备损坏出现危险，同时出于实际经济情况和实际工程操作情况考虑，蒸汽出口管径取60mm 比较合理。

6 烟管直径对含气率的影响

在其他条件保持不变的时候，将换热烟管的直径分别设置为44mm，46mm，48mm 和50mm，来进行模拟计算分析。图4 表示的是含气率和传热系数在不同管径的条件下随着时间的变化。

图4 含气率随烟气直径的变化

由图4 可知，传热系数和含气率都随着烟管直径的增大而呈下降趋势。原因是：由换热公式φ=hA(tw-tf)[7]，在换热的温差不变并且烟气传递出的热量不变的情况下，换热的面积与换热系数成反比，所以烟管的直径越大，即换热的面积越大，换热系数就越小，与此同时换热系数越小，产生的蒸汽就越少，含气率也就越低。

7 结论

通过以上的模拟分析计算，我们首先得出，液态水的进口温度的变化和烟管直径的变化都是通过影响传热系数进而影响含气率的。在其他条件不变的情况下，含气率随液态水的进口温度的升高而升高；含气率对于不同的蒸汽出口管径随时间的变化基本呈上升趋势，但是对于实际工程而言，含气率不能太高，当过多的高温水蒸气聚集在蒸汽出口管处时，会加速设备的损坏；含气率随着烟管直径的增大而减小，即烟管直径不宜过小，含气率过高会引起上积汽过烧现象[9]，减少设备寿命，容易发生危险。