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蜂窝型蓄热室传热过程的数值模拟

欧俭平2 吴道洪2  肖泽强1
1 中南大学能源与动力工程学院,长沙410083
2 北京神雾热能技术有限公司 ,北京 100083 
摘  要  介绍了高温空气燃烧过程中蜂窝型蓄热体的工作原理,并建立蓄热体三维非稳态传热数学模型,运用计算流体力学通用软件CFX4.3,对模型进行了计算。计算结果与现场测试情况吻合较好。
关键词 高温空气燃烧;蜂窝蓄热体;CFX软件;热工特性
 NUMERICAL SIMULATION OF HEAT TRANSFER PROCESS AND THERMAL PERFORMANCE OF HONEYCOMB REGENERATOR
Ou Jianping2  Wu Daohong2  Xiao Zeqiang1
1 School of Energy and Power Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
2 Beijing Shenwu Thermal Energy Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China 
Abstract: The operating principle of honeycomb regenerator in high temperature air combustion is introduced. The mathematical model of transient transfer of regenerator is established and the thermal performance of honeycomb regenerator is studied by means of CFX code. The calculated results agree with on-site measurement very well.
Key words: High Temperature Air Combustion; CFX code; Honeycomb Regenerator; Thermal Performance
 1 前言
高温空气燃烧技术是新兴的先进燃烧技术,具有显著的节能环保效果。燃烧系统中的蓄热体是这种燃烧技术的关键部件之一。九十年代初,日本工业炉株式会社田中良一领导的研究小组开始采用热钝性小的蜂窝式陶瓷蓄热器,取得了很好的效果。与球形蓄热体相比,蜂窝型蓄热体在比表面积、重量、压力损失、换向时间等方面具有极大的优越性[1]。在我国,蜂窝型蓄热体在蓄热式燃烧系统中的工业应用得到越来越多的重视[2],但对蜂窝型蓄热体的热工特性的研究尚处于起步阶段。
本文建立了蓄热体三维非稳态传热数学模型,并运用大型的计算流体力学通用软件CFX4.3进行了计算。结合现场测试讨论了气流速度、换向时间等参数对蓄热室热工特性的影响。
2数值模拟
高温空气燃烧的蜂窝型蓄热室采用方孔蜂窝体砌筑而成。蓄热室的操作周期由加热期和冷却期组成,其工作原理如图1所示。在加热期,流过格孔的高温烟气将热量传递给蜂窝陶瓷蓄热体;在冷却期,低温的空气以相反的方向流过格孔并获得热量。在高温空气燃烧过程中,蓄热体及流体的温度周期性随时间而变化。
为简化计算,作如下假设:各格孔内传热相同;忽略蓄热室的辐射换热和热损失;流体的热物性参数恒定不变;蓄热体具有各向同性的导热特性,其比热是一个关于温度的多项式;蓄热介质的表面积及质量分布均匀;烟气与空气的入口速度及温度在横截面上分布均匀,且不随时间变化;不考虑空气与烟气物性的差异对蓄热体特性的影响,在整个计算过程中都用空气作为传热介质。
    
图1 蓄热体工作原理图                     图2  计算网格划分
2.1几何模型及网格划分
以现场实际使用的蜂窝型蓄热元件为对象,其壁厚0.5mm,蜂窝单元间距为3mm。蓄热室长度为600mm,每相邻四个格孔的中心连线围成一个正方形区域。如图2所示,以该区域和沿蓄热室长度方向构成的三维空间内的蓄热体作为计算区域。使用周期性边界,采用非均匀网格划分计算区域,计算网格数为 44×15×15。
2.2 控制方程组
对流体流动与传热的耦合过程,其模型可由下述控制方程组表示。
连续性方程:                                                                                (1)
动量方程:                                                                                (2)
为Reynolds应力张量:
                                                                        (3)
能量方程:                                                                         (4)
式中,ρ为密度,U为速度矢量,I为单位矢量,Fs为体积力,H为总热焓,σ为普朗特数,Tref参考温度,Cp为比热,λ为导热率,μ、μT、μeff分别为分子粘度、湍流粘度、有效粘度。
2.3 边界条件和初始条件
进口采用Dirichlet条件,直接设定进口速度。在一个工作周期中加热和冷却两个阶段具有相同的质量流量,但由于冷热空气的温度差异,使得它们的进口流速差别很大。结合现场实际,确定加热期烟气入口温度为1500K,冷却期冷空气入口温度为305K,按表1所示的主要工况考察一个工作周期内流体入口速度和换向时间对蓄热体热工特性的影响。

表1 主要计算工况表

工况
1
2
3
高温气体流速/m.s-1
30.0
20.0
10.0
低温气体流速/m.s-1
7.5
4.5
3.0
 
由于蓄热式燃烧采用引风机排放烟气,因此本计算出口采用压力边界条件,考虑到流体流过蜂窝型蓄热室的压降小于1000Pa[1][3],结合现场实际工况,计算中的出口压力均设为-800Pa。
蓄热体壁面沿流动方向采用壁面函数,壁面内部无热源。整个计算区域内的初场设定为温度305K,速度为0。
3 计算结果及分析
3.1 蜂窝体内的流体流动与换热特征
计算表明,蜂窝体横截面上气体的温度与速度具有相似分布。工况2中加热期,温度与速度在蜂窝体中点处横截面上的等值线分布见图3。它们的最大值都位于通道中心处,而靠近壁面处等温线和等速线的分布较密,通道中心处和靠近壁面处的温度相差很大,靠近壁面的流体流速极小,说明蓄热体壁面和气体间的换热强烈,狭长的格孔通道对流动和换热有较大的影响。
   
  (a)等温线,K                       (b)等速度线,m/s
 
图3 蓄热体中截面上的气流速度和温度分布
3.2 换向时间对换热效果的影响
通常用蓄热体的温度效率 E 和余热回收率来评价蓄热体的换热性能[4]:
                                                                        (5)
                                          (6)
式中,ta0,ta1分别为空气进口及出口温度,tf0为高温烟气的进口温度,Ga,Gf分别为空气及烟气的质量流量,Cp,a为空气的比热,Cp,f为烟气的比热。
以上定义式表明,对于确定的供气条件,预热气体的出口温度ta1越高,则温度效率 E 和余热回收率 越大,说明蓄热体的换热性能越好。由于蓄热体的蓄热能力是一定的,随着过程的不断进行,蓄热体热量将不断发生变化,使得气体的出口温度不断发生变化。图4示出了一个周期内加热期蓄热体出口处烟气温度和冷却期空气出口温度随时间的变化情况。
   图4 气体出口温度随时间的变化             图5 烟气进口流速对出口温度的影响
                                               1—工况1,2—工况2,3—工况3
随着时间的增加,在加热期,烟气排放温度逐渐上升,冷却期空气出口温度逐渐降低,蓄热体的温度效率下降,热回收率降低。因此,为获得较高的热回收率,确定合适的换向时间是非常重要的。蓄热体在具体的工作条件下,存在一个最佳换向时间[1,3],若实际换向时间过长,烟气余热得不到充分回收,表现为排烟温度升高;若换向时间过短,蓄热体得不到充分加热,难以获得较好的预热效果,表现为气体预热温度降低。
3.3 气体流速对换热效果的影响
表1中的三种计算工况下的烟气出口温度在相同换向时间内的变化曲线如图5所示。
对于不同流速的气体,其温度曲线有较大差别。流速越高,烟气出口温度越高。这是因为,高的流速增加了气体的质量流量,单位时间内带入体系的热量相应增加,而蓄热体的蓄热能力是一定的,烟气的热量来不及被充分吸收即随高速气流排出体系外,使余热回收率降低。因此,在实际应用过程中,要充分考虑气体流速对换热效果的影响,组织合理的燃烧制度和换向制度,避免出现烟气出口温度过高和气体预热程度不够的现象。
5 结论
(1)蜂窝体横截面上气体的温度与速度具有相似的分布,它们的最大值都位于通道中心处,靠近壁面处等温线和等速线的分布都较密,蓄热体壁面和气体间的换热强烈,狭长的格孔通道对流动和换热有较大的影响。
(2)换向时间对蓄热体的热工特性有较大影响。换向时间越长,烟气出口温度越高,蓄热室的温度效率和热回收率越低。
(3)气体流速对蓄热体的热工特性有一定影响。气体的流速越高,烟气出口温度越高,余热回收率越低。
参考文献
1 萧泽强,吉川邦夫.高温空气燃烧—新技术讲座.中国科学技术协会工程学会联合会,北京,1999
2  Ou Jianping, Xiao Zeqiang. Investigation and Application of HTAC in China. HTACG5: Fifth International Symposium on High Temperature Air Combustion and Gasification,Yokohama, 28-30, Oct., 2002
3 刘夏丹,于宏,周琦等.陶瓷蜂窝体的结构特性及其蓄热燃烧系统的应用.冶金能源,1999, 18 (4):28-31
4 须藤 淳,多田 健.蜂窝型蓄热式燃烧系统的开发和应用(译文),工业炉,1999,Vol.21(2):50-53



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