气液两相流在蒸汽空气预热器中的应用

秦为军，钱鹏，赵鸿飞，景红

(光大环保技术装备(常州)有限公司，江苏 常州 213011)

随着我国城市化的飞速发展，城市生活垃圾主要通过焚烧进行处理，炉排炉目前已成为国内外主要的垃圾焚烧处理设备。炉排炉垃圾焚烧发电厂通常抽取余热锅炉汽包内的高低压蒸汽，通过蒸汽空预器加热一次风，作为助燃风送入到炉排炉中，加速炉排上垃圾的干燥及燃烧。通过余压疏水管道输送至除氧器或疏水扩容器[1-3]。

潘兵辉[4]等人建立低压蒸汽管道模型，使用FLUENT进行气液两相流分析，采用Euler模型对不同液相比、不同液态颗粒直径进行分析，分别得到了轴面处的流场分布场。刘金海[5]对垃圾焚烧电厂一次风加热分析，推荐采用汽机一级抽汽和锅炉汽包饱和蒸汽分别对蒸汽空气预热器的低压段和高压段进行加热，高压段的疏水通过闪蒸回收蒸汽。王声[6]等人建立中高温空预器模型，利用 Fluent 对建立的中高温空预器模型进行流热耦合分析，通过仿真分析结果确定了换热性能最佳的中高温空预器的结构。上述文献虽然对空预器的选型与设计进行了详细的研究与计算，但过程繁复，计算精度不高，工作量较大。新型蒸汽空预器采用U型管式，有效避免受热面管道膨胀引起焊缝失效，导致空预器发生泄漏，影响空预器换热效果。

本文使用SOLIDWORKS软件对蒸汽空预器的U型管道进行三维建模，再使用CFD软件中的VOF模型进行气液两相流分析，分析空预器中的U型管中的蒸汽压力速度分布，确定U型管的受冲击最大的位置，为空预器U型管道设计提供相关理论依据。计算的过程高效，而且计算精度高，为提高蒸汽空预器的结构性能提供了切实且有效的计算方法。

1 计算模型

1.1 U型管模型

新型管壳式蒸汽空气预热器管程弯成U形，管子的两端分别安装在同一侧不同的固定管板上，两个固定管板分别与半圆集箱组成进出口集箱，使受热面管道可以在U型弯头处自由膨胀，消除了热应力对管束的影响。使用SOLIDWORKS对空气预热器的U型管进行三维建模，并使用ICEM CFD19.0对U型管进行网格划分。蒸汽空气预热器U型管的三维模型如图1所示。

图1 U型管模型图

1.2 数学模型

计算流体力学(Computional Fluid Dynamics)的简称为CFD，是一门计算机科学与数值计算互相交叉的新型学科。本文使用FLUENT中的VOF模型对空预器的U型管进行两相流分析，VOF模型是以固定欧拉网格表面为基础的跟踪方法，使用相体积分数对相界面追踪不同流体，在解决多种不相融的流体界面的流场问题时，VOF模型得到广泛的应用。对第q相，流体的微分方程如下：

(1)

(2)

(3)

1.3 边界条件

计算范围为整个U型管，U型管直径为25 mm，管壁厚度为3 mm，U型管直线长度为1 792.5 mm，圆弧半径为65 mm。在U型管的两端设置进口与出口，压力入口为边界条件，进水口的水深根据水对于湍动能k和耗散率ε可按经验公式计算。所有进气均采用压力条件，压力值为4.2 MPa，蒸汽的初始温度为253 ℃，蒸汽的入口速度为4 m/s，U型管直管段的换热系数为39 W/(m2·K)，弯头处不进行换热。

2 数值模拟及分析

进入U型管中的蒸汽中液相比例分别在α为10%、20%、30%和40%时，将U型管的壁设置为无滑移壁边界条件，对U型管的温度场与速度场进行流场分析。结合有限体积法将空间域上连接的控制方程转化为离散方程 SIMPLE 算法求解压力速度耦合方程组，控制方程对流项的离散二阶迎风格式，扩散项原项采用二阶中心差分格式。

2.1 温度场分析

由图2～图5温度分布图可知，α=10%，蒸汽出口温度约为520 ℃；α=20%，蒸汽出口温度约为518 ℃；α=30%，蒸汽出口温度约为520 ℃；α=40%，蒸汽出口温度约为521 ℃。当汽水含量10%≤α≤20%时，随着冷凝水含量的增加，出口温度的降低，表明U型管的换热效果增加。当汽水含量20%≤α≤40%时，随着冷凝水含量的增加，出口温度的升高，U型管的换热效果减小。

图2 α=10%时 U型管的温度分布图

图3 α=20%时 U型管的温度分布图

图4 α=30%时 U型管的温度分布图

图5 α=40%时 U型管的温度分布图

2.2 速度场分析

蒸汽会冲击弯头外侧壁面，形成湍流造成管道阻力损失，并对管道进行冲刷。由图6～图9可知，在相同的蒸汽速度下，当汽水含量为10%≤α≤20%，随着冷凝水含量的增加，弯头内侧的静水速度较弯头外侧处明显减小。当汽水含量为20%≤α≤40%，随着冷凝水含量的增加，弯头内侧的静水速度较弯头外侧处明显增加。当含水率约30%时，弯头外侧的静水速度达到最大，此时对弯头的冲击和磨损加剧。

图6 蒸汽入口α=10%的速度分布图

图7 蒸汽入口α=20%的速度分布图

图8 蒸汽入口α=30%的速度分布图

图9 蒸汽入口α=40%的速度分布图

2.3 截面分析

U型管中弯头部分是着重需要分析研究的区域，在180°的弯曲部位等分了5个截面，弯头处截面分布如图10所示。

图10 弯头处截面分布图

由图11可知，在相同的蒸汽流速下，随着蒸汽中水的含量的增加，在弯管处的速度逐渐增加，当含水率约为30%时弯管处的C点的速度达到最大。再随着蒸汽中水的含量增加，弯头处的液膜逐渐增厚，弯管处的C点的速度减小。

图11 不同蒸汽含量下弯管截面速度变化图

图12～15分别为蒸汽入口含水率α=10%、α=20%、α=30%和α=40%的截面C处的气液两相分布图。

图12 α=10%截面C处气液分布图

图13 α=20%截面C处气液分布图

图14 α=30%截面C处气液分布图

由图12～图15可知，截面C处的气相浓度主要集中在瓦头内侧靠近出口处，液相主要集中在外部外侧。蒸汽在相同的速度下，随着蒸汽入口含水率的增加，液相的分布区域也随之增大，在弯头外侧及进口的影响区域也逐渐增大。当α=30%时，液相的分布区域在瓦头外侧达到最大。

图15 α=40%截面C处气液分布图

3 结语

本文利用SOLIDWORKS软件对空气预热器U型管进行了三维建模，使用ANSYS FLUENT软件中的VOF模型对蒸汽空预器中的U型管的温度场及速度场进行了分析，得到了U型管中不同体积分数的蒸汽的速度和温度的变化规律。

(1)当汽水含量10%≤α≤20%时，随着水汽含量的增加，出口温度的减少，表明U型管的换热效果增加。当汽水含量20%≤α≤40%时，随着水汽含量的增加，出口温度的增加，U型管的换热效果减小。

(2)在相同的蒸汽速度下，当蒸汽含量为10%≤α≤20%，随着蒸汽含量的增加，弯头内侧的静水速度在较弯头外侧处明显减小。当蒸汽含量为20%≤α≤40%，随着蒸汽含量的增加，弯头内侧的静水速度在较弯头外侧处明显增加。

(3)当含水率约30%时，弯头外侧的静水速度达到最大，此时对弯头的冲击和磨损加剧。因此，在布置受热面时应尽量避开在含水率为20%～40%范围内设置弯头，可降低汽水对管束的冲刷。

通过本文的模拟云图和计算结果分析，可以对空预器中U型管中冷凝换热现象和机理有了更为深入的了解和认知，为提高蒸汽空预器的结构性能提供了理论依据与实际方法，对制造空预器时节约材料降低成本有着重要的作用。