回流式单通道冷却系统过饱和场的数值模拟

2022-01-20叶晓辉代安稳

发电设备 2022年1期

叶晓辉，张军，闾荔，代安稳，尹杰

(东南大学能源与环境学院，南京 210096)

传统的除尘设备对燃煤烟气中粉尘脱除效率可达95%以上[1]，但对细颗粒物的脱除效率并不高[2]。烟气中细颗粒物的排放会导致大气污染，因此如何提高传统除尘设备对细颗粒物的脱除效率已成为重要的研究课题。主要的研究思路是在烟气进入除尘器之前，通过物理或化学方法使细颗粒长大成较大的颗粒。目前，促使细颗粒长大的技术主要有电聚并技术[3]、声波团聚技术[4]、化学团聚技术[5]、水汽相变技术[6]等。

水汽相变技术的原理是通过构建过饱和蒸汽环境，使烟气中的蒸汽在细颗粒表面凝结，促使细颗粒长大[7]。水汽相变技术的关键是构建过饱和场，并且过饱和场中过饱和度越大，细颗粒长大的效果越好[8]。目前，燃煤电厂普遍安装湿法烟气脱硫装置，烟气经湿法脱硫后基本接近饱和状态[9]，此时通过换热器将烟气降温即可使烟气处于过饱和状态，从而实现过饱和场的构建。

烟气降温的过程中，蒸汽在冷却管外壁凝结，引起的蒸汽耗散会减小烟气过饱和度。因此，提出烟气回流方法来缓解该问题，即在换热器中加入回流管路，抽取换热器出口的烟气部分加入到换热器之前，以对烟气进一步进行降温来提高烟气过饱和度。

为了解烟气回流下过饱和场的变化规律，笔者以单通道烟气冷却系统为对象，研究回流比(回流体积流量占入口体积流量的百分比)、回流抽取点、回流加入点对烟气过饱和度分布的影响规律。

1 数值模拟方法

1.1 含不凝性气体冷凝的数值模拟

烟气经换热器冷凝降温，烟气中的蒸汽会在换热器管壁上冷凝，且蒸汽的质量分数占比低，此时的冷凝属于含不凝性气体的蒸汽冷凝。冷凝形成的液膜附近会聚集大量不凝性气体阻碍蒸汽继续冷凝，主流区的蒸汽只能以对流传质和扩散方式到达壁面，所以总传热量由质量扩散到达壁面冷凝释放的潜热量和烟气与壁面的对流传热量组成[10]，具体计算公式为：

q=qcond+qconv

(1)

qcond=mHV

(2)

式中：q为总传热量，W；qcond为蒸汽冷凝释放的潜热量，W；qconv为对流传热量，W；m为蒸汽凝结量，kg/(m3·s)；H为蒸汽液化的潜热，J/kg；V为划分网格的体积，m3。

1.2 基本假设

为了降低计算复杂度，结合研究的重点对计算模型进行如下简化：

(1) 假设混合气体是由蒸汽和空气组成的单相多组分理想气体。

(2) 假设壁面的凝结水可以迅速排出，忽略壁面凝结水的热阻，将管壁面视为气液界面，管壁温度即为气液界面温度。

(3) 不考虑空间凝结，只考虑壁面凝结，凝结产生的质量、动量、能量和组分扩散源项加载在壁面附近的网格。

(4) 不考虑蒸发现象。

当不凝性气体的质量分数大于10%时，冷凝过程中的热阻主要集中在不凝性气体层[11]，笔者研究的混合气体中空气的质量分数大于60%，适用于不凝性气体质量分数占比较大的情况。此外，目前换热器材质通常采用氟塑料或者在换热器表面涂刷防水涂层，这些措施都会加快凝结水的排除。

1.3 控制方程

1.4 源项的计算与加载

源项的计算公式[13]为：

Sm=mcondAface/Vcell

(7)

Su=mcondAfaceu/Vcell=Smu

(8)

Se=mcondAfaceω/Vcell=Smω

(9)

Si=mcondAfaceH/Vcell=SmH

(10)

通过FLUENT软件提供的用户自定义功能，编写蒸汽凝结源项的相关程序，并将其加载到FLUENT软件的计算程序中。假定当壁面温度低于壁面网格上蒸汽分压力对应的饱和温度时，蒸汽在壁面凝结，并在FLUENT软件中加载源项，同时设定壁面蒸汽质量分数为饱和蒸汽质量分数。

1.5 过饱和度的计算

过饱和度为蒸汽分压力和当地温度对应的饱和蒸汽压力的比[15]，具体计算公式为：

S=pv/psat(T)

(12)

pv=p/[0.622(1-ω)/ω+1]

式中：S为无量纲的过饱和度；pv为蒸汽分压力，Pa；psat(T)为当地温度对应的饱和蒸汽压力[16]，Pa。

1.6 计算模型的验证

根据过饱和度的计算公式，准确计算过饱和度的关键是计算蒸汽分压力和饱和蒸汽压力，而这两者又是根据蒸汽质量分数、混合气体的压力和温度计算得到的，同时混合气体的压力又与温度有关，所以只要准确模拟得到含不凝性气体冷凝过程中蒸汽质量分数和温度，就可以准确计算出过饱和度。

为了验证该计算模型的可靠性，建立与文献[17]中相同的物理模型，并且设定相同的边界条件和网格划分方式。图1为距离入口0.1 m处截面的模拟结果和文献结果的对比。由图1可得：模拟结果与文献结果的吻合良好，最大相对误差不超过6%，所以该计算模型是可靠的。

图1 模拟结果和文献结果的对比

2 物理模型及边界条件

回流式单通道冷却系统物理模型见图2，其中：l为回流加入点与第一根管子的距离，k为回流抽取点与最后一根管子的距离，左侧入口到回流加入点的距离n为500 mm，右侧出口到回流抽取点的距离z为1 000 mm。该模型是将三维模型简化后的二维模型，模型垂直纸面的深度为1 000 mm，左侧入口的高度为28 mm；回流入口为矩形，宽度为14 mm；气体流动经过7根圆形冷却管，冷却管外径D为14 mm，冷却管的间距为28 mm。空气-蒸汽混合气体从左侧入口流入，速度为3 m/s，温度为353.15 K，蒸汽的质量分数为0.352 8；右侧出口为自由出流边界条件；冷却管壁温度为313.15 K；其余壁面为绝热壁面。

图2 回流式简单通道冷却系统的物理模型

3 结果分析

3.1 抽取点的影响

图3为l=3D时，不同抽取点对出口平均过饱和度的影响。

图3 不同抽取点对出口平均过饱和度的影响

出口平均过饱和度随抽取点变化主要有2种形式，具体表现为：

(1) 当回流比为20%和30%时，出口平均过饱和度随抽取点的后移(即k的不断增加)先增加后趋于定值。当回流比较小时，抽取的气体主要是通道上壁面的气体，这部分气体会随着抽取点的后移，而被温度较低的通道中心气体逐渐冷却，因此通道上壁面处过饱和度逐渐增加，并且出口平均过饱和度也逐渐增加。当k足够大时，通道上壁面气体和中心气体混合均匀，气体温度趋于定值，因此出口平均过饱和度趋于定值。

(2) 当回流比为40%～80%时，出口平均过饱和度随抽取点的后移，先增加后减小最后趋于定值。图4为回流比为40%时，抽取点对过饱和度分布的影响。

图4 回流比为40%时抽取点对过饱和度分布的影响

由图4可得：当回流比较大时，回流抽取的气体不仅有通道上壁面的气体，还有温度较低的通道中心气体，且随着抽取点的后移，抽取的中心气体会越来越多，因此出口的过饱和度会增加(见图4(a)和图4(b))。当抽取点继续后移，中心气体和壁面气体充分混合，而混合后的气体温度一定高于当k较小时原管道中心处的气体温度，所以混合后出口的过饱和度会减小(见图4(c))。当k足够大时，中心气体和壁面气体已基本混合均匀，气体温度趋于定值，过饱和度也趋于定值(见图4(d))。

当回流比一定时，定义出口过饱和度最大时对应的抽取点为最佳抽取点。例如：当回流比为40%时，最佳抽取点的k=4D；当回流比为60%时，最佳抽取点的k=3D。随着回流比的增加，最佳抽取点不断前移，是因为回流比越大，混合气体速度越大，壁面气体和中心气体混合越剧烈，并且在更短的距离内就可以混合均匀，进而导致最佳抽取点前移。

3.2 回流比的影响

研究k=4D、l=3D时，不同回流比时出口过饱和度的分布情况，回流比对出口主要参数的影响见图5。

图5 回流比对出口主要参数的影响

由图5可得：有回流时，出口平均过饱和度比没有回流时要大，且随回流比的不断增加，出口平均过饱和度也在不断增加。主要原因是回流相当于对气体进行二次冷却，同时回流比越大，冲刷冷却管的速度也就越大，导致对流传热越剧烈，平均温度降低的幅度越大(见图5(b)，并且平均饱和蒸汽压力会随着平均温度的降低而降低，但此时平均蒸汽分压力减小的幅度没有平均饱和蒸汽压力大(见图5(c))，最终导致出口平均过饱和度随着回流比的增加而增加。

3.3 加入点的影响

设定k=4D，回流比分别为30%、50%和70%时，加入点对出口过饱和度分布的影响见图6。

图6 加入点对出口过饱和度分布的影响

由图6可得：相同回流比条件下，出口最大过饱和度减小，最小过饱和度增加。原因为回流的气体被由左侧入口进入的高温气体加热，回流气体温度升高，左侧入口的气体温度降低。m越大，两股气流的温差越小，则过饱和度分布得越均匀。随着回流比的增加，这种趋势越明显，因为回流比越大，两股气流的热量交换越剧烈，在相同的距离内混合得越均匀，出口过饱和度分布越均匀。

出口平均过饱和度随加入点的变化见图7。由图7可得：加入点对出口平均过饱和度的影响不大。回流比对出口平均过饱和度的影响最大，抽取点的影响次之，加入点的影响最小。