某生物质锅炉换热器流场分析
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引言
浙江某电厂为了响应国家环保及节能减排的相关政策,将煤粉锅炉改烧树枝叶、杂草或者是农作物秸杆等生活中常见的生物质燃料。然而,经过技术及结构改造后,该锅炉饱受排烟温度过高的困扰。因此,为了改善锅炉尾部烟道的工作条件,对该锅炉提出了4种改造方案:方案1,移除下级空气预热器,换热器受热管束采用错列布置方式:方案2,移除上级空气预热器,换热器受热管束采用错列布置方式:方案3,移除下级空气预热器,换热器受热管束采用顺列布置方式:方案4,移除上级空气预热器,换热器受热管束采用顺列布置方式。对4种方案进行热力计算,发现方案2排烟温度高达176.5℃,高于设计温度170℃,浪费较大,不符合设计要求:而方案4得到的热空气温度为90℃,低于100C,容易造成锅炉尾部受热面的低温腐蚀问题,也不符合要求。因此,放弃方案2和方案4。
本文利用CFD仿真软件建立了错列及顺列两种换热器的物理模型,主要模拟分析换热器内部烟气侧的速度场和飞灰颗粒对换热器的磨损情况,因前期通过热力计算已经放弃方案2和方案4,故接下来将分别分析方案1和方案3速度场及管壁磨损情况,最终确定出最优方案。
1流体流动的基本控制方程
1.1质量守恒方程
式中:β为流体的密度(kg/m3):t为时间:u、y、w分别为λ、y、:三个方向上的速度分量。
1.2动量守恒方程
假设流体的粘度系数是常数C,且为不可压缩的流体(β=C),即SS=Su=Sw=0,u为流体的运动粘度,单位是m2/S:p为作用在流体微元体上的压力,故动量方程可简化为方程组,如式(2)所示:
1.3湍流方程
本文使用标准K-ε方程描述湍流流动,如式(3)所示:
式中:σk、σε分别为湍流脉动动能以及耗散率的湍流普朗特数:Cl、C2为经验系数。
2换热器流场仿真分析
2.l换热器几何建模及网格划分
本文应用模型创建软件Gambit来创建错列及顺列两种布置形式的换热器的几何模型。错列及顺列换热器横向分别有管束l8排、24排,管束间横向节距分别是80mm、60mm:纵向都有管束26列,纵向节距都是60mm。错列及顺列布置的换热器烟气均从顶部进入,自上向下垂直冲刷换热器管束,换热完成后均从换热器底部逸出。顺列布置换热器,管束具有对称性,为了简化计算,计算顺列换热器的一半即可,因此几何模型也只创建模型的l/2。顺列布置换热器与错列布置换热器的几何模型如图l所示。
图1两种型式换热器的几何模型
分别对两种布置方式的换热器进行网格划分,采用四面体网格,最终得到错列及顺列换热器网格数分别为3232388、2080650,最差的网格质量分别是0.48、
0.5l,全部网格质量完全能够满足小于0.97的要求,网格质量良好。
2.2基本假设
在求解过程中,为便于模型的建立,需要进行以下假设:(1)换热器内流体流动均为定常流动:(2)忽略重力对流场的作用:(3)烟气在换热器中的流动属于湍流范畴,所以该过程利用湍流模型进行求解:(4)流体物理性质的设定。
换热器中的流体为燃料在炉内燃烧产生的烟气,进入换热器前烟气温度都为225.83℃。根据计算得到的烟温,查表可确定烟气的密度β=0.733kg/m3,粘度u=3.477×105m2/S。
2.3边界条件的设定
在同样的边界条件下,设置两种型式的换热器烟气入口作为速度入口,速度均为5.25m/S:烟气出口为自由出流:换热器表面的边界类型是固体壁面:顺列换热器还需设置对称边界类型。在计算过程中,使用标准
K-ε方程模拟求解流体湍流过程,采用SIMPLE压力速度耦合法。
2.4计算结果及分析
图2、图3、图4分别为错列、顺列换热器内烟气冲刷受热面管束Z方向及X方向的速度云图。烟气流经换热器是沿着Y方向自上而下冲刷管束,但因为管束的存在,烟气通道变得狭窄。根据连续性方程ζu=ua,如图2、图3所示,因为Z方向上管束间的烟气流通截面面积a变小,必定会导致烟速增大,在两侧换热器壁面处流通截面积最小,所以这些位置的烟速最大。同样的原因,如图4所示,X方向上,截面两侧位置烟速较大:烟气受到管束的阻挡,改变了原有的流动方向,在管束的背风侧速度很小。对比图4,错列布置的管束间速度变化梯度较大,而顺列管束布置整齐,速度分布也相对规则,前后排管束间的烟速较小,同一横排管束间烟速较大。
图2错列Z方向截面速度云图
图3顺列Z方向截面速度云图
图4错列、顺列换热器X方向截面速度云图
为了更加清楚地表现换热器内烟气速度矢量的变化情况,对图片进行了放大处理。将错列管束及顺列管束在Z方向截面的速度矢量图进行了放大处理,如图5和图6所示。当烟气冲刷错列管束时,在前进的方向上不断受到管束的干扰,流动方向时刻变化:但顺列管束由于前后排列规整,烟气流动主要受到第一排管束阻挡,随即改变方向,分成若干股流后,沿管束两侧平缓流动,速度方向变化较小。不论是错列还是顺列管束的背风侧都会出现较小的回流区,这是因为受到上一排管束的阻挡,烟气流动发生了变化。
图5错列换热器Z方向速度矢量图
图6顺列换热器Z方向速度矢量图
由图7~图10可以看出,不管是错列换热器还是顺列换热器,随着飞灰颗粒粒径的不断增大,颗粒与管壁的碰撞概率势必加大。粒径小的颗粒其惯性自然小,但是比较容易受到气流的影响,会随着气流绕过管束,只有很少一部分颗粒会与管壁发生直接碰撞。颗粒运动的轨迹与烟气流动状态大致相同。颗粒随着粒径的增大,惯性自然也会增大,当烟气受到来自受热管束的阻挡,流动方向发生改变时,颗粒不易与其流动方向一同发生改变,而是会在惯性的作用下与管壁发生碰撞。
图7顺列管束50um颗粒磨损量分布图
比对错列及顺列换热器内颗粒的运动轨迹可以发现:在粒径较小的情况下,颗粒撞击第一排管束的情况差异较小,区别较大的在于管束的第二排。如图10所示,即使错列布置的换热器内颗粒粒径较小(即颗粒直径dp=20μm),颗粒撞击第二排管束的概率依然很大。颗粒首先受到第一排管束的遮挡,部分与其发生直接撞击,就算不与第一排管束发生碰撞的颗粒也几乎全部会与第二排管束发生碰撞。当颗粒粒径增大时,情况就会更加明显,如图8所示。但对于顺列换热器来说,如图9所示,当颗粒粒径较小时,颗粒几乎不会与第二排管束发生碰撞,只有当颗粒粒径较大时才有一些颗粒会撞击到第二排管子,如图7所示。从整体上看,对比图7~图10,在相同的颗粒粒径下,错列换热器中颗粒撞击管束的概率明显高于顺列。当颗粒直径为50um时,在错列换热器中,几乎全部的颗粒都会与管壁相碰撞:而在顺列换热器中,部分颗粒会保持与烟气一起在管束间从上至下较"顺利"地流经换热器。
图8错列管束50um颗粒磨损量分布图
图9顺列管束20um颗粒磨损量分布图
图10错列管束20um颗粒磨损量分布图
本文在模拟中加入离散相模型,主要分析颗粒运动轨迹和对壁面磨损情况,得出以下结论:携带颗粒的烟气冲刷错列管束时会造成更严重的磨损,使受热管束更容易损坏。因此,从飞灰颗粒磨损角度考虑,顺列布置的方案3明显优于错列布置的方案1。
3结论
本文采用计算流体力学方法,使用Fluent软件分析错列与顺列换热器烟气侧的流场,并且加入离散相模型模拟烟气中颗粒对于管束的撞击磨损作用。采用20um、50um两种粒径,分析颗粒粒径对磨损量的影响,从飞灰磨损的角度,对比方案1与方案3的优劣,得出错列管束更容易受到磨损,安全性差一些。所以认为方案3一移除下级空气预热器,换热器受热管束采用顺列布置方式较优。