直翅片在热管换热器减轻积灰中的应用.pdf

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1、第40卷第3期化工机械35l直翅片在热管换热器减轻积灰中的应用马勇+虞斌郝彪芮志平(南京工业大学机械与动力工程学院)擅要提出了使用纵向直翅片管代替光管来缓解积灰。采用流体力学软件Fluent分别对光管管束和直翅片管束进行数值模拟，对比其漉场特性。结果表明：在光管背风区会产生负压尾涡区。灰尘易被卷入涡区，而直翅片管的外形更接近流线，边界层分离点明显后移。并且直翅片砖尾涡区还有一定的分隅作用。颗粒被气流卷吸的强度明显小于光管，故很好地阻碍了积灰的产生。关键词换热器直翅片负压区积灰中圈分类号TQ051

2、．5文献标识码A文章编号0254-6094(2013)03-0351-05由于热管换热系数比一般管壳式换热器高出5～10倍，具有体积小、重量轻及节约金属等很多优点，因此热管换热器在工业余热回收中发挥了良好的作用。然而，在一些含尘量较高的烟气、尾气余热回收装置中，烟气通过冲刷受热面来换热，日积月累会产生积灰，轻则使受热面热阻上升，降低换热器的传热效率；重则使烟道堵塞，换热器失效，同时积灰还会引发低温腐蚀，影响设备的安全性和经济性¨qJ。某铜冶炼厂的余热回收系统由于灰尘量大、灰粒具有很强的粘附性等原

3、因，出现了严重的积灰，阻碍了公司正常生产，给公司造成了很大的损失。笔者针对这种情况提出使用纵向直翅片管代替光管，可以有效减轻积灰现象，同时，烟气阻力明显降低。1物理模型两种管束结构都错列布置(图1)，横向间距S。=1．732D，纵向间距S：=2D。从图1b可知，直翅片管就是在光管前后分别加上纵向直翅片，翅片长度为15mm，厚度为3mm。由于笔者研究的重点是在管子错列情况下迎风面与背风面颗粒的运动轨迹和浓度分布，故在突出研究重点的基础上简化模型，重点研究前面管子的流场。“光臂管柬布置b．直翅片管柬

4、布置图l管束的结构与布置笔者采用二维绕流计算，计算域尽量取大以消除外边界对流场的影响。计算区域范围为：人流边界距离前管轴线10D；出流边界距离后管轴线20D；侧面外边界距离靠近边界的管子轴线10Dt41。·马勇，男，1988年1月生，硬士研究生。江苏省南京市，211816。352化工机械2013年2数学模型及计算方法2．1数学模型对于流一固两相流，可以采用单流体模型，将流体相和固体相视作单一混合的连续介质；也可以采用双流体模型，将两相视作不同的两种连续介质(即欧拉模型)；还可以采用欧拉一拉格朗日

5、模型，将流体视作连续介质，固体颗粒视作离散介质¨1。笔者采用欧拉双流体模型进行计算，将气相作为第一相，固体颗粒相作为第二相。气固两相的连续性方程为：素(trqp。)+V。(n-p-ve)=o(1)口

6、+Otp=i(2)式中g——气相；P——固体颗粒相；q——相；a——容积份额；P——密度。动量守恒方程：气相方程詈(a。p。V。)+V‘(a。p；V。2)=一alVPE+dEV。rs一卢(V—VP)+a沪sg(3)固相颗粒相方程云(doP，vp)+V。(a，，V，2)=一aPVPP+asV‘rE+卢

7、(V5一VP)+trppPg(4)其中，f为粘性应力；g为重力加速度；P为压力；卢为拖曳系数，用来描述气固两相间动量交换的物理量，笔者采用WenAndYu模型，表达式为[6·7

8、：fl=了3c。坐掣a。．2”(5)c。=最⋯o．15(ctRe)o”](6)R。。：型坐￡型(7)ps在研究烟气冲涮换热器管束时，烟气中的气相假设为空气，且物性参数为常数；颗粒为球形，不考虑颗粒相之间的相互作用力；忽略重力作用。2．2数值计算方法及边界条件利用Fluent软件对烟气绕流管束(光管与直翅片管)流动情况进行

9、数值分析。由于在管子附近速度、压力和颗粒的浓度梯度变化较大，故采用非结构化六面体网格，并且在管体周围采用加密网格。两相流动中气相对颗粒相的影响以及局部的回流，使得流体表现出各向异性和对流线弯曲的敏感性。RNGk-8湍流模型在标准k-8湍流模型上纳入低雷诺数影响效应，提高了精度，故笔者选用RNGk-e湍流模型，同时近壁面采用非均衡壁面函数进行处理。入口设为速度进口，给定进口颗粒相的体积份额。取0．01；出口设为自由出流边界；其余都设为墙壁边界。气体和颗粒以相同的速度l，=10m／s进入流道，颗粒密

10、度为2500kg／m3，粒径取10lxm。由于颗粒运动时受力比较复杂，如流体曳力(粘性阻力)、重力、浮力、压力梯度力、虚假质量力、Basset力、Magnus力、Saffma升力以及热泳力等随一¨。在笔者的分析中，颗粒粒径很小，颗粒所受的流体曳力是最主要的，其他力在量级上与之相比非常小，一般可以忽略不计。3模拟结果与分析3．1流场对比分析烟气绕流光管时，在管壁附近的流场中存在一个显著受到粘性影响的流体薄层，也就是边界层(图2)，同时边界层内的流体在管表面上某处与管壁发生分离，形成漩涡脱体现象，并