王彥剛，王洪利，梁精龍，張振迎

(1. 華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

?剻??剻?在轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐中，并聯(lián)管組是活動煙罩重要的配水系統(tǒng)，用于各受熱管管內(nèi)工質(zhì)流量的分配?；顒訜熣謨?nèi)部的環(huán)境十分惡劣，受熱管路經(jīng)常出現(xiàn)穿孔、鼓包和破裂等現(xiàn)象，水分配不均是造成這些現(xiàn)象的主要原因之一。并聯(lián)管組還廣泛應(yīng)用于其它設(shè)備，如鍋爐集箱系統(tǒng)[1]、換熱器[2]、冷凝器、太陽能集熱器[3]等，水分配不均會嚴重影響其換熱效率，更嚴重的甚至?xí)p壞設(shè)備，因此研究并聯(lián)管組流量分配具有重要意義。朱玉琴等[4,5]綜述了國內(nèi)外關(guān)于單相流在并連管組內(nèi)流量分布的研究情況，并歸納了流量分布的理論基礎(chǔ)和計算方法。國內(nèi)學(xué)者[6,7]采用數(shù)值模擬的方法對集箱幾何特性和流量分布的關(guān)系進行了深入研究，并各自提出了優(yōu)化流量均勻分布的方案。劉巍等[8]對比了多種流量分配不均勻性的評價指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)相對標(biāo)準(zhǔn)方差的方法是衡量不均性較為合理的指標(biāo)。WANG等[9]通過實驗的方法分析了多種改進集箱的方式對平行換熱器中流體流量的分布影響，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的集箱形式相比，每一種改進方式都很大程度改善了其流量分布的不均勻性。

以上研究大部分都較為詳細地利用數(shù)值模擬和實驗的方法深入研究了換熱器集箱配水均勻的問題，但尚未見轉(zhuǎn)爐活動煙罩集箱關(guān)于受熱管流量分布的研究，加之由于幾何之間差異較大，上述的研究在活動煙罩設(shè)計工作中很難提供可靠的參數(shù)來進行指導(dǎo)，因此對于活動煙罩流量分布特性的研究顯得尤為重要。該研究同樣采用數(shù)值模擬的方法對影響受熱管流量分布的因素進行詳細的討論，由于實際生產(chǎn)中轉(zhuǎn)爐活動煙罩幾何的復(fù)雜性，在構(gòu)建幾何模型時，將盡量還原活動煙罩的幾何細節(jié)，以保證模擬流體區(qū)域和實際流體區(qū)域的一致性。研究結(jié)果將為活動煙罩設(shè)計工作中幾何參數(shù)的確定提供指導(dǎo)。

1并聯(lián)分布管組模型

1.1 幾何形狀的研究

該項研究的活動煙罩幾何模型如圖1所示。該幾何模型是由一個配水集箱、一個匯水集箱和多根受熱管組成。冷卻水從配水聯(lián)箱進口流入，經(jīng)過配水聯(lián)箱的分流把工質(zhì)分配給各個受熱管，然后匯集聯(lián)箱匯集所有受熱管的工質(zhì)并從匯集聯(lián)箱出口流出。

圖1 主視圖和三維模型

1.2 控制方程

連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

能量守恒方程

(3)

k穩(wěn)態(tài)傳輸方程

(4)

ε的穩(wěn)態(tài)傳輸方程

(5)

其中，T——溫度，K；u——速度，m/s；ρ——密度，kg/m3；k——湍流動能；ε——湍流能量耗散率；μt——動力粘度，kg/(m·s)；i、j——張量符號。

湍流常數(shù)σk=1.0，σε=1.3；經(jīng)驗常數(shù)取C1=1.44，C2=1.92。

1.3 邊界條件

進口采用速度入口，出口采用自由出流，壁面設(shè)置為無滑移條件，選用標(biāo)準(zhǔn)的k-epsilon(k-ε)模型，壁面熱流密度設(shè)為450 kW/m2，殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-4。

1.4 網(wǎng)格劃分

由于該活動煙罩的幾何模型是對稱結(jié)構(gòu)，所以在劃分網(wǎng)格和fluent數(shù)值模擬的過程中，利用其一半的幾何結(jié)構(gòu)即可，這樣可以大大減小網(wǎng)格的數(shù)量，提高運算的速度，對于兩側(cè)受熱管的編號如圖2所示。

利用ANSYS mesh來劃分如圖2所示網(wǎng)格，在網(wǎng)格劃分時采用了2種不同網(wǎng)格劃分方法來劃分該幾何體，集箱部分采用四面體網(wǎng)格，受熱管部分是采用掃略的方法劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。此外邊界層上做了細化，以獲得更精確的模擬結(jié)果。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.5 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了驗證網(wǎng)格的無關(guān)性采用4種不同網(wǎng)格數(shù)量對活動煙罩3D模型進行網(wǎng)格劃分，分別為mesh1#、mesh2#、mesh3#、mesh4#，其代表的網(wǎng)格數(shù)量依次為3 087 929、3 546 318、5 037 207和6 735 608，由于流量分布是該研究的主要內(nèi)容，因此將不同網(wǎng)格數(shù)量下的流量繪制成如圖3所示分布情況。由圖3可以看出，mesh1#與其他幾個不同數(shù)量的網(wǎng)格相比有較大的變化，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多mesh2#、mesh3#、mesh4#的流量分布趨勢趨于一致，因此在后續(xù)的模擬計算中采用具有相同計算精度的mesh2#來進行數(shù)值模擬。由于活動煙罩幾何尺寸較大，產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)量也較多，因此網(wǎng)格劃分及數(shù)值計算均在具有專業(yè)性能的服務(wù)器上進行。

圖3 受熱管的流量分布

2模擬結(jié)果

2.1 集箱直徑的影響

受熱管橫截面直徑為41 mm，集箱的長度為1 283 mm。配水集箱和匯水集箱的間距為4 656 mm，集箱入口質(zhì)量流量為14.04 kg/s。分別對集箱直徑Dh=69～429 mm區(qū)間的3維模型進行數(shù)值模擬計算,在圖4中可以看出集箱直徑在3個階段中隨著Dh的減小，受熱管的流量分布曲線趨于平緩，同樣也就意味著流量的分布更加均勻。圖4所示為集箱受熱管流量分布情況，從圖4可以明顯看出，沿集箱長度方向(由上到下)每個管的流量呈逐漸減少的趨勢，并且隨著集箱直徑的減小這種趨勢會更加明顯，速度的分布云圖如圖5所示。在圖4(a)可以觀察到在Dh<135 mm時，第10根管的流量會有所增大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在集箱進口流量一定的情況下，隨著配水集箱直徑減小，集箱內(nèi)的流速是不斷增加的，在高速的流動中，集箱末端的受熱管會產(chǎn)生明顯的慣性效應(yīng)。隨著直徑的進一步增大，在圖4(b)、圖4(c)中并未出現(xiàn)第10根管的流量的增大，這是由于集箱內(nèi)部流速的降低導(dǎo)致的。在圖4中還可以觀察到，在相同水平位置的受熱管的流量分布呈對稱分布，也就說明在相同水平位置的2個受熱管的流量幾乎是相同的。

圖4 集箱受熱管流量分布情況

圖5為集箱速度云圖分布，配水集箱的速度分配與集箱的靜壓分布有直接的關(guān)系，在沿集箱長度方向的靜壓如圖6所示，從圖6可以看出，靜壓隨集箱長度方向(進口水流方向)是不斷增大的，并且隨集箱直徑的減小，集箱內(nèi)部壓力梯度不斷增大，靜壓分布的劇烈變化直接導(dǎo)致了受熱管流量分布的不均勻。配水集箱內(nèi)靜壓的變化是由管壁的摩擦阻力和動壓轉(zhuǎn)換2個原因所致，而導(dǎo)致沿長度方向靜壓不斷增大的主要原因是由于動壓不斷向靜壓轉(zhuǎn)換所造成的，此時摩擦阻力并不占主體地位。

圖5 集箱速度云圖分布

圖6 集箱靜壓分布

2.2 進出口方式對流量分布的影響

受熱管理論所需要流量取決于活動煙罩吸收爐氣的熱量，活動煙罩是控制漏風(fēng)縫隙面積以及收集從轉(zhuǎn)爐爐口噴出的轉(zhuǎn)爐爐氣和燃燒產(chǎn)物的裝置，因此活動煙罩的外形需要設(shè)計為上窄下寬的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計會致使受熱管的長度沿集箱的長度方向依次增加，長度的增加會使得受熱管理論吸收熱量增加，這就意味著集箱下端的受熱管將要吸收更多的熱量，同時受熱管也需更大流量的冷卻水。傳統(tǒng)采用“上進上出”冷卻水進出方式，如圖1(a)所示，通過模擬計算可以得出沿著集箱進口水流方向(由上到下)越靠近下端，受熱管的流量越小，如圖8所示，而現(xiàn)實情況卻是越靠近下端，所需冷卻水的流量越大。通過增大集箱直徑方式只能使受熱管之間的流量分布更加均勻，而不能滿足每根受熱管依據(jù)各自受熱能力的理論配水需求。利用并聯(lián)管組水分配沿著集箱進口水流方向，受熱管流量呈逐漸減小的分布特點，把“上進上出”改為如圖7所示的“下進下出”即可得到如圖9所示的流量分布。

圖7 “下進下出”循環(huán)方式

圖8 受熱管和集箱的流線圖

圖9 “下進下出”循環(huán)方式對流量分布的影響

已知該活動煙罩的各項熱力性能如表1所示。

表1 活動煙罩的熱力參數(shù)

根據(jù)公式(6)求得冷卻水循環(huán)量。

(6)

其中，H——活動煙罩總冷卻水量，m3/h；Q——總傳熱量，kJ/h；Ψ——熱有效系數(shù)；ρ——密度，kg/m3；Δt——冷卻水進出口溫差，℃；C——冷卻水比熱容，kJ/(kg·℃)。

在式(6)中，當(dāng)其他參數(shù)一定的情況下，得出H與Q為正比例關(guān)系，又因為Q與受熱面積的正比例關(guān)系，所以可以得出受熱管理論所需冷卻水量表達式(7)，并根據(jù)式(7)計算得到如圖9所示的受熱管理論流量分布曲線。

(7)

其中，hi——受熱管冷卻水量，m3/h；H——活動煙罩總冷卻水量，m3/h；li——受熱管長度，mm；L——受熱管總長，mm。

在圖9中可以看出 “下進下出”方式中Dh在不同取值條件下沿著集箱出口水流方向(由上到下)受熱管流量的分布趨勢都是逐漸遞增的。Dh=135 mm時這種逐漸遞增的趨勢更為明顯，受熱管流量之間差距顯著，流量變化的梯度較大，與理想狀態(tài)下的分布有很大差距，顯然不是合理的選擇。Dh=429 mm時，流量的分布均勻性為最好，但并不是最佳的流量分布趨勢，Dh=209 mm時，流量的曲線與理想狀態(tài)下的流量分布曲線顯然是吻合程度最高的。所以采用“下進下出”的冷卻水循環(huán)方式，Dh=209 mm顯然是最佳的選擇。

3結(jié)論

(1)從不同集箱直徑對應(yīng)的流量分布效果來看，集箱的直徑尺寸越大，其流量分布就愈加均勻。因此，在活動煙罩設(shè)計中，集箱的直徑在不影響其他設(shè)計條件的情況下，盡可能選取直徑較大的集箱。

(2)針對活動煙罩的結(jié)構(gòu)特點，分析出每根受熱管理論的冷卻水流量，發(fā)現(xiàn)由傳統(tǒng) “上進上出”變更為“下進下出”的水循環(huán)方式，能夠符合受熱管理論循環(huán)水量由上到下逐漸變大的趨勢，在“下進下出”方式中，Dh=209 mm時所得的流量分布和理論分布基本吻合。