高温烟气冷却装置设计【字数：10066】
摘 要高温烟气在船舶、汽车、航天航空等领域均会有大量涉及，而如何对其进行冷却就成了面临的亟待解决的问题。本文以某实际工况管道内的高温烟气为研究对象，针对其冷却过程与冷却效果开展系列研究。结合烟气具体性质，分析比较不同冷却方式优缺点，选择了压力式雾化喷嘴直接水冷的方式。利用Fluent软件数值模拟不同喷射参数条件下管道内烟气的冷却过程，对比分析所得模拟结果，得到了满足冷却要求的喷射参数。基于数值模拟结果，设计了适用于该管道结构的腔体结构，并采用CATIA软件绘制出相关三维图形。本文的研究过程与研究结果对管道内高温烟气的冷却处理具有参考意义，所设计的冷却装置具有实际应用价值。
Key Words: High Temperature Flue Gas; Spray Cooling; Fluent simulation; Cooling system 目 录
1. 绪论 1
1.1 高温烟气冷却装置简介及研究现状 1
1.2 Fluent软件简介 2
1.3 本文的主要研究内容 2
2. 高温烟气冷却方式与喷嘴的选择 4
2.1 高温烟气冷却的实际工况 4
2.2 冷却方式的选择 4
2.3 喷嘴类型的选择 5
2.4 本章小结 7
3. 高温烟气冷却装置的数值仿真 8
3.1 计算依据与基本假设 8
3.2 高温烟气管道的Fluent建模以及条件设定 9
3.3 计算结果及分析 12
3.4 本章小结 15
4. 高温烟气冷却装置结构设计 16
4.1 直射式喷孔孔径的确定 16
4.2 高温烟气冷却装置的方案与具体结构 17
4.3本章小结 21
5. 结论 22
参考文献 23
致谢 24
1. 绪论
1.1 高温烟气冷却装置简介及研究现状
高温烟气作为现代工业中主要能量传递、产品生产过程中的重要媒介，在船舶、汽车、航天航空等领域，以及实际生产活动均会有大量涉及。高温烟气冷却处理就是将高温烟气的温度调整到适当的值，作为后 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
续过程生产活动的热源；或者将高温烟气降到等于或小于净化设备允许的温度极限，经净化处理后排放到大气环境中，减少对自然环境的污染与破坏。在高温烟气排放或冷却处理过程中，无法避免会涉及到高温烟气在管道内流动的情况，而如何对管道内的烟气进行冷却就成了面临的亟待解决的问题。
在没有严格要求烟气组分的前提下，对于空间的快速降温，喷雾冷却是最为经济实用的途径。喷雾冷却作为新兴冷却技术，在国内外引起众多学者的关注与研究。喷雾冷却是将冷却液体加压后从喷嘴喷出，形成大小均匀的雾状液滴，通过液滴蒸发将环境中的热量带走。与其它制冷方式相比，喷雾冷却具有换热效率高、工质需求量少、温度均匀性好、无沸腾滞后性等一系列优点。刘然等人[1]研究了喷雾冷却技术在航空航天领域出色的表现，尤其是在失重环境下的综合优秀的表现。PENG Can等人[2]研究了封闭空间内的喷雾冷却，冷却功率随着喷雾流量的增加而增加，而冷却效率随着喷雾流量的增加而减少。刘绍彦等人[3]研究发现喷雾压力、出口直径尺寸与液滴大小之间呈线性关系。丁博等人[4]指出水流量一定的前提下，喷孔数越多，冷却速度也就越快，冷却均匀度也越高；孔径越大，冷却速度越慢，均匀度越高。王瑜等人[5]发现了不同喷嘴类型和高度时的传热特性。吴正人等人[6]分析了喷雾压力对换热的影响：压力大时，流量相应增大，液膜变薄，直接影响壁面温度和换热系数。刘妮[7,8]研究了喷嘴参数变化时，液滴数密度的变化，冷却效果的改变。侯燕[9]认为进口压力对壁面换热能力及均匀性有影响。此外，喷雾入射角度对换热也存在着影响。张军等人[10]指出随喷射压力增大，雾化过程变的更加复杂，对喷雾直径的影响越明显。VISARIA等人[11]指出喷雾入射角对喷嘴临界热流密度的影响很明显；在理想高度下，倾斜角度越大换热效果也就越佳，冷却效率也越好。曹建明[12]总结了国际喷雾学的研究，系统的阐述了喷雾液体碎裂的过程以及喷雾质量预测与评价方法。郭永献[13]研究了喷雾冷却在电子器械中的应用，研究发现：当喷雾速率均匀时，液膜表现为平膜；反之，液膜在中心位置出现凸起和下凹两种情况，具体形状与液膜表面喷雾的速率分布有关。当液膜靠近热源表面时流速较大，而其余大部分液膜流速较慢。增加喷雾速度和降低喷雾密度会使液膜变薄，而速度滑移对液膜厚度及流场的影响微乎其微。此外，微结构的改善也能够提高喷雾冷却热流密度，使喷雾冷却提前进入两相区。潘阳敏等人[14]通过Fluent软件对压力式喷嘴内外流场进行了模拟，发现液相速度会在压力室到喷嘴处剧烈变化，气相冷凝使液膜厚度变大，液膜破碎长度由于蒸汽冷凝而变长。韩丰云[15]总结了多位学者关于喷雾冷却方面的研究，利用实验加以证明并研究了喷雾冷却的传热特性，得出了喷雾冷却在单双相区换热的无量纲关联式。喷雾冷却单相区喷雾冷却换热无量纲关联式主要与液滴的韦伯数、雷诺数、普朗特数和代表液膜蒸发速率的无量纲温度有关；两相区喷雾冷却换热的无量纲关联式主要与喷雾液滴的韦伯数、雷诺数、普朗特数和雅克伯数有关。
目前，以水为工质的空间喷雾冷却技术应用广泛，如隧道、矿井、温室、大型室内场馆等的喷雾降温。虽然以液氮为工质的喷雾冷却技术近年来在低温风洞中的应用被广泛关注，但对于液氮喷雾冷却的研究及大空间喷雾降温的低温实验相对较少。
1.2 Fluent软件简介
Fluent是国内外比较通用的计算流体动力学（CFD）的一个软件，可以计算流体、热交换以及化学反应等，在涡轮机设计、汽车外形设计和航空航天等方面都有着广泛的应用。Fluent软件内有压力求解器、显式求解器等的多个求解器，这使得Fluent软件可以用来模拟各种各样环境下流体的不同特性。从而可以对无法进行真实场地试验或者在理论计算时进行仿真实验。Fluent软件内置了从基础到复杂的多种物理模型，大大节省了人为计算过程，只需要输出相关参数即可。Fluent有着领先其他软件的网格技术，超强的内置计算逻辑，可以快速灵活的划分网格。由于软件已经相当成熟，采用基于节点网格的非结构化网格的有限体积法进行计算，使得在计算结果时精准且快速。由于软件结合了多个领域的计算软件，使得用户可以在Fluent内部完成整个研究，大大节省了时间。
1.3 本文的主要研究内容
针对实际生产中存在的管道内高温烟气的冷却需求，本文以某特定管道内的高温烟气冷却为研究对象，拟采用喷雾冷却方式对其进行冷却，主要研究内容如下：
（1）根据具体的管道结构以及高温烟气特性，选择合适的冷却方式。
（2）采用Fluent软件模拟不同喷射条件，不同喷射参数下管道内高温烟气的冷却过程。
Key Words: High Temperature Flue Gas; Spray Cooling; Fluent simulation; Cooling system 目 录
1. 绪论 1
1.1 高温烟气冷却装置简介及研究现状 1
1.2 Fluent软件简介 2
1.3 本文的主要研究内容 2
2. 高温烟气冷却方式与喷嘴的选择 4
2.1 高温烟气冷却的实际工况 4
2.2 冷却方式的选择 4
2.3 喷嘴类型的选择 5
2.4 本章小结 7
3. 高温烟气冷却装置的数值仿真 8
3.1 计算依据与基本假设 8
3.2 高温烟气管道的Fluent建模以及条件设定 9
3.3 计算结果及分析 12
3.4 本章小结 15
4. 高温烟气冷却装置结构设计 16
4.1 直射式喷孔孔径的确定 16
4.2 高温烟气冷却装置的方案与具体结构 17
4.3本章小结 21
5. 结论 22
参考文献 23
致谢 24
1. 绪论
1.1 高温烟气冷却装置简介及研究现状
高温烟气作为现代工业中主要能量传递、产品生产过程中的重要媒介，在船舶、汽车、航天航空等领域，以及实际生产活动均会有大量涉及。高温烟气冷却处理就是将高温烟气的温度调整到适当的值，作为后 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
续过程生产活动的热源；或者将高温烟气降到等于或小于净化设备允许的温度极限，经净化处理后排放到大气环境中，减少对自然环境的污染与破坏。在高温烟气排放或冷却处理过程中，无法避免会涉及到高温烟气在管道内流动的情况，而如何对管道内的烟气进行冷却就成了面临的亟待解决的问题。
在没有严格要求烟气组分的前提下，对于空间的快速降温，喷雾冷却是最为经济实用的途径。喷雾冷却作为新兴冷却技术，在国内外引起众多学者的关注与研究。喷雾冷却是将冷却液体加压后从喷嘴喷出，形成大小均匀的雾状液滴，通过液滴蒸发将环境中的热量带走。与其它制冷方式相比，喷雾冷却具有换热效率高、工质需求量少、温度均匀性好、无沸腾滞后性等一系列优点。刘然等人[1]研究了喷雾冷却技术在航空航天领域出色的表现，尤其是在失重环境下的综合优秀的表现。PENG Can等人[2]研究了封闭空间内的喷雾冷却，冷却功率随着喷雾流量的增加而增加，而冷却效率随着喷雾流量的增加而减少。刘绍彦等人[3]研究发现喷雾压力、出口直径尺寸与液滴大小之间呈线性关系。丁博等人[4]指出水流量一定的前提下，喷孔数越多，冷却速度也就越快，冷却均匀度也越高；孔径越大，冷却速度越慢，均匀度越高。王瑜等人[5]发现了不同喷嘴类型和高度时的传热特性。吴正人等人[6]分析了喷雾压力对换热的影响：压力大时，流量相应增大，液膜变薄，直接影响壁面温度和换热系数。刘妮[7,8]研究了喷嘴参数变化时，液滴数密度的变化，冷却效果的改变。侯燕[9]认为进口压力对壁面换热能力及均匀性有影响。此外，喷雾入射角度对换热也存在着影响。张军等人[10]指出随喷射压力增大，雾化过程变的更加复杂，对喷雾直径的影响越明显。VISARIA等人[11]指出喷雾入射角对喷嘴临界热流密度的影响很明显；在理想高度下，倾斜角度越大换热效果也就越佳，冷却效率也越好。曹建明[12]总结了国际喷雾学的研究，系统的阐述了喷雾液体碎裂的过程以及喷雾质量预测与评价方法。郭永献[13]研究了喷雾冷却在电子器械中的应用，研究发现：当喷雾速率均匀时，液膜表现为平膜；反之，液膜在中心位置出现凸起和下凹两种情况，具体形状与液膜表面喷雾的速率分布有关。当液膜靠近热源表面时流速较大，而其余大部分液膜流速较慢。增加喷雾速度和降低喷雾密度会使液膜变薄，而速度滑移对液膜厚度及流场的影响微乎其微。此外，微结构的改善也能够提高喷雾冷却热流密度，使喷雾冷却提前进入两相区。潘阳敏等人[14]通过Fluent软件对压力式喷嘴内外流场进行了模拟，发现液相速度会在压力室到喷嘴处剧烈变化，气相冷凝使液膜厚度变大，液膜破碎长度由于蒸汽冷凝而变长。韩丰云[15]总结了多位学者关于喷雾冷却方面的研究，利用实验加以证明并研究了喷雾冷却的传热特性，得出了喷雾冷却在单双相区换热的无量纲关联式。喷雾冷却单相区喷雾冷却换热无量纲关联式主要与液滴的韦伯数、雷诺数、普朗特数和代表液膜蒸发速率的无量纲温度有关；两相区喷雾冷却换热的无量纲关联式主要与喷雾液滴的韦伯数、雷诺数、普朗特数和雅克伯数有关。
目前，以水为工质的空间喷雾冷却技术应用广泛，如隧道、矿井、温室、大型室内场馆等的喷雾降温。虽然以液氮为工质的喷雾冷却技术近年来在低温风洞中的应用被广泛关注，但对于液氮喷雾冷却的研究及大空间喷雾降温的低温实验相对较少。
1.2 Fluent软件简介
Fluent是国内外比较通用的计算流体动力学（CFD）的一个软件，可以计算流体、热交换以及化学反应等，在涡轮机设计、汽车外形设计和航空航天等方面都有着广泛的应用。Fluent软件内有压力求解器、显式求解器等的多个求解器，这使得Fluent软件可以用来模拟各种各样环境下流体的不同特性。从而可以对无法进行真实场地试验或者在理论计算时进行仿真实验。Fluent软件内置了从基础到复杂的多种物理模型，大大节省了人为计算过程，只需要输出相关参数即可。Fluent有着领先其他软件的网格技术，超强的内置计算逻辑，可以快速灵活的划分网格。由于软件已经相当成熟，采用基于节点网格的非结构化网格的有限体积法进行计算，使得在计算结果时精准且快速。由于软件结合了多个领域的计算软件，使得用户可以在Fluent内部完成整个研究，大大节省了时间。
1.3 本文的主要研究内容
针对实际生产中存在的管道内高温烟气的冷却需求，本文以某特定管道内的高温烟气冷却为研究对象，拟采用喷雾冷却方式对其进行冷却，主要研究内容如下：
（1）根据具体的管道结构以及高温烟气特性，选择合适的冷却方式。
（2）采用Fluent软件模拟不同喷射条件，不同喷射参数下管道内高温烟气的冷却过程。
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