加热炉炉底管内两相流动行为研究.pdf
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1、135青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY0 引言随着近年来能源危机的不断加剧和我国“双碳”目标的提出,“节能减排”成为当前的重中之重。我国是世界钢铁生产大国,钢产量位居世界第一。钢铁企业是耗能大户1-3,强化钢铁企业的节能减排对我国“双碳”目标的实现具有重要意义。对冷钢坯进行加热是钢材轧制的一道重要工序,也是轧钢厂的主要耗能环节。目前对钢坯进行加热的设备主要是采用各种不同的加热炉4,5。汽化冷却是加热炉炉底水管普遍采用的冷却形式,在我国已有几十年的应用历史。与传统水冷相比,汽化冷却具有很大的优势,主要体现在:(1)节能和节水。汽化冷却
2、的主要优点是降低冷却水的消耗量,同时也能带来很好的节能效果。在汽化冷却过程中,冷却工质吸收的热量由两部分组成,其一是来自下降管中的冷水加热至同压强下的饱和水所吸收的显热,另一部分是饱和水蒸发为同压强下的饱和水蒸气所吸收的汽化潜热,且汽化潜热占有更大的比重。在系统工作压力为 0.5MPa条件下,1kg20的水汽化冷却可吸收 266GJ 的热量,而传统水冷只能吸收 83.74GJ 的热量。研究表明,对同一冷却系统,采用汽化冷却所需要的水量仅为温升为10时水冷却水量的2%。其次,汽化冷却系统产生的水蒸气,不仅可以用来采暖以及满足其他生活需求,而且还可用于工业生产或发电。5060t/h 的蒸汽就能够带
3、动装机容量为800010000kWh 左右的发电机组,这将进一步提高汽化冷却的经济效益。(2)延长冷却构件的使用寿命。汽化冷却采用的工质是软水,由于软水中几乎不含 Ca 和 Mg 离子,这可以使冷却构件不易发生结垢,极大地延长冷却构件的使用寿命,同时也能避免冷却构件的堵塞,减少事故的发生率。(3)提高钢坯的加热质量。汽化冷却系统的工作温度通常能达到 200,远高于水冷系统 60 的工作温度,这会改善钢坯的加热质量,降低由于加热温度不均使钢坯表面出现水管黑印几率。作者简介:陈有财(1972-),男,工程硕士,研究方向:多相流动及传热。E-mail:。加热炉炉底管内两相流动行为研究陈有财(中国铝业
4、股份有限公司青海分公司,大通 810108)摘 要:基于 Eulerian 气-液两流体模型,采用数值模拟的方法,研究了加热炉炉底管内的汽-液两相流动行为。结果表明,在汽化冷却管中,管道的阻力损失随入口处速度的增加而增加,其变化趋势先慢后快。随着入口速度的增大,管道出口处的汽化率也逐渐增大。入口速度较小时,汽化率沿流动方向上的变化受到入口速度的影响较大;入口速度较大时,入口速度对出口处的汽化率的影响变小。入口速度过大或过小对汽化冷却系统的安全有效运行都会带来不利的影响,适宜的入口速度为 610m/s。关键词:汽化冷却;加热炉;炉底管;阻力损失;汽化率中图分类号:TF803 文献标识码:A 文章
5、编号:1005-9393(2023)03-0135-06136青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY众所周知,对加热炉炉底管而言,水工质大部分处于气液两相流状态,气相的分布状态影响着炉底管管壁的温度分布,决定着炉底管的检修周期和使用寿命。目前关于加热炉汽化冷却的研究,主要侧重于整体冷却效果方面,对管内汽化及气液两相流的研究极为缺乏,这对汽化冷却技术的应用带来不利的影响6-8。因此,本研究以Eulerian 气-液两流体模型为基本数学模型,并耦合标准 k-RNG 模型和固体壁面传热模型,利用具体问题挑选 3D 求解器,导入六面体网格,确定流
6、体的物理性质,定义操纵环境,指定界限前提进行流场初始化。然后采用数值模的方法研究了不同条件下钢坯加热炉汽化冷却炉底管内的两相流动行为,以期为该技术的设计和运行提供参考。1 汽化冷却系统简介基于系统的运行方式,汽化冷却系统可分为强制循环系统和自然循环系统。强制循环不受汽包高度的限制,且能为系统运行提供更加稳定的动力,因此在厂房高度受限的场所,大多选用强制循环汽化冷却系统。本研究将以此为研究对象。图 1 示出了一个简单的强制循环汽化冷却系统的回路。该循环回路是由汽包、下降管、炉底管、上升管串联组成的封闭的环状回路。其中在上升管内,工质为汽水混合物,在其中为上升流动;在下降管内,工质为水,在其中为下
7、降流动。这两种管子的上下两端分别与汽包和炉底管相接,从而组成一个密闭回路。水在炉底管内流动的过程中受热,逐渐达到饱和温度并部分汽化进入上升管,下降管中为不饱和的水,由于上升管中汽水混合物的密度小于下降管中水的密度,左右两侧将产生压力差,从而为管内的工质流动提供一定的动力。当上升管上升高度不足,左右两侧管内的压力难以保证循环速度时,不足的动力由安装在下降管上的水泵提供。汽水混合物进入汽包后,在汽包内进行汽和水的分离。补充水由汽包的下部补充,分离出来的蒸汽由汽包上部的蒸汽管道送出,分离出来的水与补充水混合后流入下降管,继续循环。1-汽包;2-下降管;3-水泵;4-炉底管;5-上升管;A-炉底管进口
8、;B-炉底管出口;O-汽化点图 1 强制循环汽化冷却系统示意图137青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY2 数学物理模型的建立及求解2.1 物理模型本研究选取炉底管为 型支撑管。如图 2 所示,其下部的水平短管与下降管相连,上部的水平长管与上升管相连。来自下降管的不饱和水由其下部的水平短管进入炉膛,吸热汽化后以汽水混合物的形式由上部的水平长管进入上升管,在汽包中进行汽水分离,蒸气被送入汽网,而未汽化的水继续进行循环。2.2 数学模型将原点设在 型支撑管入口截面的中心,以水流的方向为x轴的正方向,建立Cartesian坐标系。两相流计算采
9、用 Eulerian 模型,湍流计算采用 k-双方程模型,管壁传热计算采用稳态导热模型。(1)质量守恒方程(1)式中:为密度,单位为 kg/m3;U 为速度矢量,单位为 m/s;SM为质量源项,单位为 kg/m3s。(2)动量守恒方程(2)式中:p 为流体压力,单位为 pa;为剪切应力,单位为 N/m2。(3)湍流模型采用标准 k-双方程模型,k 方程和 方程分别描述如下:图 2 型支撑管沸腾传热计算实体模型及网格剖分式中:k 为湍动能,单位为 m2/s2;为动力黏,单位为 Pa/s;t为湍流黏度,单位为 Pa/s,t=Ck2/;Gk 和 Gb 分别为平均速度梯度和浮力引起的湍动能增量,单位为
10、 m2/s2;YM为可压缩湍(3)(4)138青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY流脉动膨胀对总耗散率的影响,单位为 m2/s2;为湍动能耗散率,单位为 m2/s3;模型常数的取值分别为 C1=1.44、C2=1.92、C3=1.0、C=0.09、k=1.0和=1.3。Eulerian 模型和管壁传热计算模型可参考相关文献6,在此不再累述。2.3 模拟条件模拟条件为:入口温度比饱和水温度(P=0.3MPa)低 5K,查表为 406K;主相水的入口速度分别取为2 m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s;密度为 1000kg/m3
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