土壤间接热脱附强化换热性能研究

林宸煜 张光学 吴林陶 王进卿 顾海林 袁定琨

（中国计量大学计量测试工程学院 浙江杭州 310018）

0 引言

随着我国经济的飞速发展，城市用地逐渐紧张，因城市建设的要求大量工厂迁出城区，遗留的污染土地往往用做房地产开发，因而需要将污染土壤进行快速修复，重新恢复使用［1-2］。土壤污染的主要来源为重金属污染和有机物污染，目前相关的治理与修复技术主要可分为物理修复、化学修复、生物修复和联合修复［3］。

热脱附技术是1 种常见的物理修复技术，其主要原理是通过直接或间接热交换，将土壤中的污染物加热到足够的温度后，使其从土壤中挥发或分离，再对尾气进行收集和挥发，从而实现土壤的修复作用［4］。根据加热方式的不同，主要可分为直接热脱附和间接热脱附［5］。

直接热脱附是将受污染土壤直接与加热的烟气接触，从而达到热脱附的效果，该技术传热效率高、成本低，但是其尾气处理复杂［6］，且处理周期具有一定的不确定性［7］；间接热脱附的主要原理是用燃料燃烧生成的高温烟气，通入到中心管内为周围的土壤进行间接换热，使土壤中的污染组分达到挥发或分离的程度，从而实现热脱附。

土壤间接热脱附设备的使用在我国起步较晚，工程应用始于杭州某持久性污染场地修复项目中。该项目使用间接热脱附设备处理量达2 t/h～4 t/h［8］。在国家“863”计划课题“多氯联苯类污染场地修复技术设备研发与示范”中，于杭州某农药污染场地中使用间接热脱附设备处理量为1.2 t/h［9］，大量工程项目结果［5］表明该方法具有尾气产量低、环保清洁的优点，然而单台设备的处置规模较小，并且由于土壤是被烟气间接加热的，存在换热效率低、能耗高的问题，所以亟需加强中心管的换热性能［10-11］。

强化管壳式换热概念自提出以来，经过长时间发展技术已较为成熟。强化管壳式换热主要从增加流体湍流度、扩展受热面和增大流体流速的角度出发［12］，其中翅片管式换热器由于其传热能力强、结构简单、改造灵活等优点而被广泛应用于各领域中［13-15］。

综合来看，已有不少关于翅片管内增加肋片结构强化传热的数值模拟研究报道，并且许多结果均能够较好地符合实际情况，但其中针对土壤间接热脱附强化传热方面的研究较少。本文采用计算流体动力学（CFD）数值模拟的方法针对土壤间接热脱附换热效率低的问题进行研究，对土壤热脱附中心管不同肋片结构、排布方式以及运行工况进行分析，探究最佳肋片结构和运行工况，为土壤间接热脱附技术提供更为高效的技术手段。

1 计算模型

1.1 物理模型

本文所研究的土壤热脱附仔心管的几何模型如图1 所示，主要分为烟气流道与土壤流道两部分，中心管的总长度2L=1600 mm，烟气流道内径d=400 mm，管道总直径D=900 mm。改变烟气流道中心管的肋片结构及排布方式来探究肋片对中心管强化传热的影响，图2 为3 种肋片管的基本结构示意图。分别从肋片数、肋片夹角及螺旋管螺距等多角度，研究了上述3 种肋片管的换热性能与阻力系数的变化情况。

图2 3 种肋片管内部结构示意图

1.2 模拟方法

本文利用Fluent 模拟软件进行模拟，采用Fluent meshing进行多面体网格绘制。为保证对壁面处温度梯度的准确模拟，在壁面处绘制3 层边界层。湍流模型选用k-epsilon 模型，为简化问题不考虑壁面间的辐射传热，同时认为模拟处于稳态条件，中心管的网格划分示意如图3 所示。

图3 中心管网格划分示意图

模型的计算工质为土壤与烟气，两者采用逆流形式换热，物性参数为等效温度下的常量，中心管与其中的肋片材质均为不锈钢；边界条件设置为速度入口与压力出口，烟气进口为速度进口，给定高温烟气的温度为1 023 K，改变进口的烟气速度，烟气的出口压力设为Pout=0 Pa；雷诺数Re 由式（1）求得，进口流速在10 m/s～50 m/s，Re 大于10 000 为旺盛湍流，则设定黏性模型为本文采用标准k-ε 模型，其中烟气的具体物性参数参考文献［16］，中心管的传热及流动必须满足基本控制方程：能量方程、质量守恒方程、动量方程。

式中：D 为烟气通道的水力直径，m；uin为烟气入口流速，m/s；μ为该温度下的动力黏度，Pa·s。

基于计算流体力学原理［17］，可得到流体域范围内的温度、速度与压力。换热系数h、压降ΔP 的计算公式按式（2）和（3）处理。

式中：Q 为单位时间通过烟气换热面的热量，W；A 为烟气与土壤换热面的面积，m2；ΔT 为烟气进出口温差，℃。

式中：Pin为烟气入口平均静压，Pa；Pout为烟气出口平均静压，Pa。

2 数值计算及结果分析

2.1 直肋片管换热性能分析

通过改变直肋片管的总肋片数对其换热性能及流动阻力进行分析，直肋片管的结构示意如图4 所示，其中肋片宽度B=800 mm，肋高H=60 mm，肋厚δ=20 mm，肋片总数分别为8、12及16。

图4 直肋片管基本结构示意图

经数值计算后，获得了直肋片管的压降和换热系数及土壤出口温度随烟气进口速度变化的规律。图5 为烟气进口速度为10 m/s～50 m/s 时，直肋片管烟气的进出口压降与光管的对比情况。

图5 不同肋片数下直肋片管的压降随进口速度变化趋势

由图5 可知，随烟气进口速度的增加，光管与直肋片管的压降均随之增大，且压降的变化趋势随进口速度的增大而升高，直肋片管压降增加的趋势较光管更大。这是由于在中心管内，压降主要包含加速压降与摩擦压降两部分，而直肋片管在烟气流场中增加了肋片，导致其换热面积较光管更多，产生了较大的摩擦阻力，能量损耗大于光管［18］。

图6 为直肋片管的换热性能图，可以看出，直肋片管的换热系数随烟气进口速度的增大而逐渐增大，呈现均匀升高的趋势，相较于光管，直肋片管的换热系数较大，其中肋片的数量为16 时的换热系数最大。其主要原因为在流场中增加肋片后，烟气与管道的换热面积增大，且烟气管道的流场也因为增加了肋片后加强了其流体扰流的效果，进一步提高了整体的换热效果。

图6 不同肋片数下直肋片管的换热系数随进口流速变化趋势

由于本文研究的是污染土壤经中心管加热后，使其内部的有机污染物达到挥发或分离的温度，从而实现热脱附，所以土壤的出口温度也是一个重要的指标［19］。图7 为直肋片管的土壤出口温度随烟气进口速度变化的趋势图，由图7 可见，土壤的出口温度与烟气进口速度的关系较小，随进口速度的变化其波动较小，且直肋片管的土壤出口温度总体较光管更大，光管的土壤出口温度约为230 ℃，直肋片管的土壤出口温度约为260 ℃～280 ℃，其中肋片数为16 时土壤出口的温度最高，在275 ℃附近波动。

图7 不同肋片数下直肋片管的土壤出口温度随进口流速的变化趋势

2.2 斜肋片管换热性能分析

图8 为斜肋片管的基本结构示意图，在保持其肋高H 及肋厚δ 不变的情况下，改变其中的肋片倾角α，探究斜肋片管的换热及流动规律，肋高H 为20 mm，肋厚δ 为4 mm，倾角α分别为45°、90°及135°。

图8 斜肋片管基本结构示意图

经数值计算后，获得了斜肋片管的压降和换热系数及土壤出口温度随烟气进口速度变化的规律。斜肋片管的压降随进口速度变化关系见图9，可以看出，斜肋片管的压降随烟气进口速度的变化趋势与直肋片管大致相同，其中肋片倾角为45°与135°的2 种肋片的压降变化基本相同，这是由于在流场中增加了微小斜肋片后，尽管其换热面积增加的较少，然而独特的肋片结构使得流场中的流体扰动现象十分明显［20］，增加了烟气流动阻力，造成了较多的能量损失。

图9 不同倾角斜肋片管的压降随进口流速变化趋势

图10 为斜肋片管的换热性能图，3 种斜肋片管的换热系数均随进口速度的增加而升高，且大致趋势相同，3 种肋片的换热系数均比光管大。其中肋片倾角为135°时其换热系数最高，相较于光管，其换热系数增大了10.6 W/（m2·K）～29.1 W/（m2·K），其主要原因在于增加微小斜肋片后，换热面积相较于光管有所增加，同时，由于微小斜肋片的存在增加了烟气流动的阻力，使其换热更为充分。

图10 不同倾角斜肋片管的换热系数随进口流速变化趋势

图11 为斜肋片管的土壤出口温度曲线图，由图可见，斜肋片管土壤出口温度随烟气进口速度的变化趋势较为平坦，与直肋片管的趋势相似。肋片倾角为135°时其土壤出口温度总体最高，相较于光管其温度升高了43 ℃～50 ℃左右，初步分析是由于斜肋片倾角为135°时，其肋片倾角结构与流体流动方向相反，最大程度的增加了流体与壁面的流动阻力，提升了其换热性能从而使土壤出口温度增高。

图11 不同倾角斜肋片管的土壤出口温度随进口流速变化趋势

2.3 螺旋凸管换热性能分析

为增大中心管内的换热性能，本文创新性地提出了1 种新型肋片，其基本结构见图12，由于具有螺旋型的特殊构造，称之为螺旋凸管，在保持凸肋半径R 及翅片管直径d 等参数不变的情况下，改变其中的螺距P 的长度得到该型号肋片管的换热性能及流动特性。其中凸肋半径R 为30 mm，翅片管直径d 与直肋片管及斜肋片管直径相同，均为400 mm，改变螺距P 分别为160 mm、200 mm 和250 mm。

图12 螺旋凸管结构示意图

3 种不同螺距下的螺旋凸管换热器的压降随烟气进口速度的变化趋势见图13，其中螺距为160 mm 与200 mm 的2 种肋片的压降较高。分析可知，由于烟气进口速度较大，在管内处于旺盛湍流状态。此时，流体的粘性不断增加，导致螺旋凸管内的烟气与管壁摩擦力增加，并且螺旋凸管内流体的旋转与旋流效应更加明显，导致压降高于光滑管道。

图13 不同螺距下螺旋凸管的压降随进口流速变化趋势

图14 为螺旋凸管的换热性能图，由图可见，螺旋凸管的换热系数随烟气进口流速的增大呈线性增加的趋势，且均比光滑管道的换热系数大。这是由于螺旋凸管的特殊结构，使得其中流体与中心管壁面间触点较多，致使其中的流体在流动过程中产生了垂直于流动方向的二次流，增加了换热。其中螺距为160 mm 时螺旋凸管的换热系数最佳，并且螺距越大换热性能越差。这是因为在流体的质量流量相同时，螺距的增加会使相邻凸管间对流体的扰动出现不连续的现象［21］，即前一段凸管对流体边界层的作用消失时，后一段凸管对流体边界层的作用尚未形成，从而导致其换热系数降低。

图14 不同螺距下螺旋凸管的换热系数随进口流速变化趋势

图15 为螺旋凸管换热器的土壤出口温度随烟气进口速度的变化趋势图，与直肋片管及斜肋片管的趋势相似，螺旋凸管的土壤出口温度与烟气进口速度的关系较小，土壤出口温度均大于光管，并且其中螺距最小的螺旋凸管的土壤出口温度最高，在同等进口流速下较光管升高了48 ℃～56 ℃。

图15 不同螺距下螺旋凸管的土壤出口温度随进口流速变化趋势

3 最佳肋片结构及运行参数的分析

为了更直观地展示土壤热脱附中心管的强化换热效果，现将三种肋片中换热性能最好的肋片结构与光管进行比较。如图16 所示，3 种肋片的整体换热系数均高于光管，而其中螺旋凸管的换热性能较另两种肋片管更好，当烟气的进口流速为50 m/s 时，其换热系数能达到97 W/（m2·K），相较于光管其换热系数提升了约140%。

图16 最优肋片结构下换热系数随进口流速变化趋势

图17 为这3 种肋片结构下土壤经中心管后加热后，出口温度随烟气进口速度变化的比较图。由图17 可见，经螺旋凸管强化传热后的土壤出口温度最高，另2 种肋片管的土壤出口温度相差较小，说明单纯从土壤热脱附后的出口温度角度考虑，使用螺旋凸管的效果最好。3 种肋片管的土壤出口温度随烟气进口速度增加而变化的趋势较小，由于3 种肋片管的压降均随烟气进口流速的增大而增大，能量损失增多，从经济性角度考虑，使用3 种肋片管时的烟气进口流速不宜过大。

图17 最优肋片结构下土壤出口温度随进口流速变化趋势

4 结论

本文通过建立不同肋片结构的土壤中心管传热模型，对土壤热脱附中心管的肋片结构、排布方式及运行参数进行分析，为增强土壤间接热脱附技术提供了有效的手段，并得到以下结论：

（1）相较于光管，直肋片管、斜肋片管及螺旋凸管随烟气进口流速的增大压降逐渐变大，且3 种肋片管的压降升高趋势更为明显。

（2）3 种肋片管强化传热的效果较为明显，随烟气进口流速的增大其换热系数均呈现上升趋势，其中螺旋凸管的传热效果最好，且螺距越小其换热效果越好，在同等进口流速下其换热系数提升了约140%，显著增加了中心管的换热性能。

（3）土壤经3 种肋片管强化传热后，出口温度提升都较为明显，在不同烟气进口流速螺旋凸管的出口温度较光管提升了48 ℃～56 ℃，并且土壤出口温度随烟气进口流速变化较小，综合考虑能量损失，应选择烟气进口流速小的运行工况进行热脱附。