加热炉炉底管内两相流动行为研究.pdf

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；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 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，黏度为 1.78810-5Pas。第二相水蒸气的密度为0.5863kg/m3，黏度为 1.27110-5Pas。2.4 求解采用通用的 Solidworks 软件对求解区域进行实体建模，并采用六面体网格对实体进行网格剖分。首先在入口截面上划分四边形平面网格，而后采用 sweep 方法沿管道长度方向形成六面体网格，通过网格进行独立性检验，当网格数为 1 212 500 时，计算结果不再随网格尺寸的减小而变化。因此，最终计算时采用的网格剖分数目为 121 500，采用一阶离散格式对质量守恒方程、动量守恒方程、k-双湍流流动方程和 Eulerian 两相流方程进行离散。由于流动过程中的压力基本保持不变，故流动过程被假定为不可压缩流动，对流场的求解采用 SIMPLE 算法，速度场和压力场的计算各自独立进行，二者无任何联系，压力场的修正通过已求解的速度场的质量守恒条件得到。中间速度通过求解当前压力得到，如果求解速度不能满足质量守恒条件，对压力添加一个修正量进行修正，速度场也随之得以修正。收敛条件：质量守恒方程，x、y、z 方向上的速度方程、k 和 方程及 Eulerian 方程的收敛残差限均设为 10-3，能量守恒方程设为 10-6，当计算残差都小于规定值时，认为计算结果收敛，结束运算，然后对结果进行处理和分析。3 计算结果及分析3.1 流动阻力损失流动阻力损失包括局部阻力损失和沿程阻力损失两部分，它们共同组成管道的总阻力损失。研究管内的流动阻力损失可为系统循环泵的选型提供重要参考。通过数值计算和对计算结果的处理，我们得到了不同入口速度下的管内流动阻力损失，如图 3 所示。从图中可以看出，随着工质（汽水混合物）在管道入口处速度的不断增加，管道内的阻力损失也逐渐增加，其变化趋势先慢后快。当入口速度为 2m/s 时，流动阻力损失约为 0.03kPa；当入口速度达到 10m/s 时，流动阻力损失增大到了 0.184kPa。由此可知，想要提高流速，必须选用更大功率的循环泵。图 3 不同入口速度下的管内流动阻力损失3.2 密度分布图 4 示出了不同入口速度下管内流体的密度分布。从图中可以看出，在炉底管入口处的密度最大，等于水的密度；离开入口一段距离后，随着液体的向前流动，其密度逐渐变小。这是因为，在入口处，液体为未饱和的水，随着往前流动，水不断吸收来自管壁的热量，温度逐渐升高，达到饱和温度后，部分水汽化，变为了水蒸气。密度小的地方也是水蒸气聚集的地方，水蒸气聚集的地方往往是冷却不好的地方。从图中可以看出，当入口流速较小时，炉底管的上水平管内几乎都变成了水蒸气，由此可以判断，这些地方的冷却效果不会很好，很容易出现烧坏管子的现象。因此，入口流速不易太小，从模拟结果来看，入口流速应保持在 6m/s 以上，否则炉底管的冷却效果难以保证；但也不能太大，否则发挥不出汽化冷却的优势，大部分区域将变为水冷。139青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGY图 4 不同入口速度下管内流体的密度分布3.3 截面平均汽化率图 5 示出了不同入口速度下截面平均汽化率沿炉底管长度方向上的变化，从该图可以更直观地看出水在管内的汽化过程。从图中可以看出，每条曲线在入口附近都有一段水平的直线段，入口流速越大，该直线段的长度越长，这意味着随着入口流速的增大，水流过较远的距离，才能达到饱和温度，进而才能发生汽化现象。一般来讲，通过出口平均汽化率可以大致判断炉底管汽化冷却的应用效果，应用效果较好时，出口平均汽化率的范围大致在 10%45%之间，由此可以判断，当入口流速为610m/s 时，均可取得较好的应用效果。4 结论基于现场加热炉汽化冷却炉底管的形状和实际尺寸，用 Solidworks 软件创建了加热炉汽化冷却炉底管的实体模型，采用六面体网格对计算区域进行了网格划分。采用数值模拟的方法，对炉底管内的气液两相流动行为进行了研究。通过研究，获得以下结论：（1）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大致呈抛物线形状。（2）随入口速度的增大，管道出口处的汽化率也逐渐增大。当入口速度较小时，汽化率沿流动方向的变化受到入口速度的影响较大；当入口图 5 不同入口速度下截面平均汽化率沿炉底管的变化2m/s（kg/m3）6m/s4m/s8m/s140青海科技202303成果视窗青海科技INGHAI SCIENCE AND TECHNOLOGYStudy on Vaporization and Two-phase Flow Behavior in the Bottom Tube of a Heating FurnaceChenYoucai（QinghaiBranchofChinaAluminumIndustryStockCo.,Ltd.,Datong810108,China）Abstract:Thegas-liquidtwo-phaseflowbehaviorinthebottomtubeofaheatingfurnacewasstudiedusingnumericalsimulationmethodbasedonEuleriangas-liquidtwofluidmodels.Theresultsindicatethatintheevaporativecoolingpipe,theresistancelossofthepipelineincreaseswiththeincreaseofinletvelocity,anditsvariationcurveisroughlyparabolicinshape.Astheinletvelocityincreases,thevaporizationrateattheoutletofthepipelinealsograduallyincreases.Whentheinletvelocityissmall,thevariationofvaporizationratealongtheflowdirectionisgreatlyinfluencedbytheinletvelocity.Whentheinletvelocityislarge,theinfluenceoftheinletvelocityonthevaporizationrateattheoutletbecomessmaller.Excessiveorinsufficientinletspeedcanhaveadverseeffectsonthesafeandeffectiveoperationofthevaporizationcoolingsystem,withanappropriateinletspeedof6-10m/s.Keywords:Vaporizationcooling;Heatingfurnace;Furnacebottompipe;Resistanceloss;Vaporizationrate速度较大时，入口速度对出口处的汽化率影响变小。（3）当入口速度较小时，蒸汽易在管道的拐弯处的上侧聚集，此处管道易过热，随着入口速度的增大，蒸汽聚集现象逐渐消失。（4）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。参考文献:1余秋根.我国第一座步进式加热炉汽化冷却装置的设计和推广价值J.冶金能源,1995,14(1):4-6.2贾守忠,曲毅.加热炉汽化冷却技术的应用J.工业炉,2001,23(3):19-24.3张劲松,陈新.步进式加热炉汽化冷却技术的应用J.冶金能源,2002,21(1):44-45+59.4朱清林.关于冶金炉的汽化冷却J.节能,1995(4):7-10.5陆钟武火.焰炉M.北京:冶金工业出版社,1995:20-23.6韩守鹏,李宇翔,王迪.热水锅炉锅水汽化研究现状及数值模拟分析J.热能动力工程,2017,32(6):62-67.7李闯,刘良旭,李海英.旋流式发生器内部气-液两相流场的数值模拟研究J.可再生能源,2022,40(8):1038-1044.8马立辉,何利民,米祥冉.并联管路气液两相流分流实验与数值模拟J.科学技术与工程,2021,21(3):14554-14560.