廢熱鍋爐傳熱及流場(chǎng)特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、在能源儲(chǔ)備短缺和環(huán)境污染嚴(yán)重的背景下，廢熱鍋爐作為一種回收熱量的重要設(shè)備，在化工、熱動(dòng)及有余熱產(chǎn)生的系統(tǒng)中，應(yīng)用越來越廣泛。與輻射式廢熱鍋爐相比，火管式廢熱鍋爐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易清洗、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化有重要的意義。
　　由于廢熱鍋爐蒸發(fā)器內(nèi)部復(fù)雜流場(chǎng)很難通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，本文通過 CFD數(shù)值模擬方法對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，為其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一些參考。
　　本文以天華院提供的廢熱鍋爐為研

2、究對(duì)象，使用ICEM軟件對(duì)廢熱鍋爐蒸發(fā)器管外殼側(cè)液態(tài)水沸騰空間和管內(nèi)建立1:1的物理模型并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格等前處理；利用Fluent軟件對(duì)管外液態(tài)水的沸騰相變換熱結(jié)果和管內(nèi)煙氣流動(dòng)工況進(jìn)行模擬計(jì)算。
　　對(duì)于管殼側(cè)的沸騰相變工況，選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程湍流模型和Mixture模型作為計(jì)算模型，結(jié)合 UDF確定沸騰相變的質(zhì)量及能量傳遞的源相，建立速度進(jìn)口邊界、壓力出口邊界及無滑移固體壁面邊界，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，通過分析模擬計(jì)算得到的

3、水蒸汽體積分?jǐn)?shù)云圖、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)，得出：當(dāng)管壁溫度與液態(tài)水的飽和溫度存在一定的過熱度時(shí)，管殼側(cè)的液態(tài)水在流動(dòng)過程中，不斷與換熱煙管產(chǎn)生熱傳遞，并發(fā)生沸騰相變，液態(tài)水變?yōu)樗羝S著液態(tài)水慢慢流至出口邊界。越靠近中心煙管，換熱越良好，液態(tài)水越容易沸騰，蒸汽體積分?jǐn)?shù)明顯高于鍋爐外壁的空間；在換熱量基本達(dá)到平衡狀態(tài)，蒸汽體積分?jǐn)?shù)的分布情況趨于穩(wěn)定，空間內(nèi)水蒸汽的平均體積分?jǐn)?shù)為0.3左右；以換熱煙管軸線為中心起點(diǎn)，向外延伸，混合相的溫度呈線性

4、遞減趨勢(shì)，由573K逐漸減小到363K；沿Y軸正方向，壓力逐漸減小，在最底部Y=0截面，壓力達(dá)到最大值2.64×106Pa；靠近出口邊界處，由于出口設(shè)為常壓邊界，而鍋爐內(nèi)部為的運(yùn)行壓力的數(shù)量級(jí)高達(dá)106Pa，壓力差值較大，導(dǎo)致壓力分布不均；水蒸汽的出口管徑對(duì)含氣率的影響很大；液態(tài)水的進(jìn)口水溫以及煙管的管徑都會(huì)影響換熱系數(shù)的大小，從而影響水蒸汽的產(chǎn)生量，因此，從安全和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮，當(dāng)換熱煙管管徑為48mm、蒸汽出口管徑為60mm時(shí)，液

5、態(tài)水的進(jìn)口水溫設(shè)定373K為最佳選擇。
　　對(duì)于管內(nèi)的煙氣流動(dòng)，選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程湍流模型及 DOM輻射模型作為計(jì)算模型，壁面采用無滑移邊界條件和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，對(duì)單根煙管管內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，通過分析模擬的溫度分布，得出：在列管式廢熱鍋爐換熱過程中以對(duì)流換熱為主，輻射換熱量在總換熱量中所占的比例最大值也不會(huì)超過30％；換熱煙管的管徑越大，進(jìn)口煙氣流速越大，溫降越迅速，但是流速增加對(duì)余熱鍋爐的使用壽命造成很大的影響，因