蓄熱式換熱器流動(dòng)傳熱的數(shù)值模擬

1、蓄熱式換熱器流動(dòng)傳熱的數(shù)值模擬摘要:以煉鐵廠的蓄熱式熱風(fēng)爐為例,根據(jù)熱風(fēng)爐的實(shí)際運(yùn)行狀況對(duì)熱風(fēng)爐內(nèi)的流動(dòng)與換熱過程進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,應(yīng)用二維模型,采用有限容積法對(duì)熱風(fēng)爐內(nèi)的流動(dòng)與換熱情況進(jìn)行數(shù)值求解,得到了熱風(fēng)爐在不同工況下的氣體溫度與蓄熱體溫度的分布情況.模擬計(jì)算結(jié)果表明:在內(nèi)燃式熱風(fēng)爐蓄熱體中氣體的溫度分布大致為對(duì)數(shù)曲線,并且在熱風(fēng)爐中同一高度上氣體與蓄熱體溫差較小,與實(shí)際情況相符,這對(duì)優(yōu)化熱風(fēng)爐的運(yùn)行與設(shè)計(jì)有參考價(jià)值.關(guān)鍵詞:蓄熱式換熱器;數(shù)值模擬;流動(dòng)與換熱本研究以某煉鐵廠的高爐熱風(fēng)爐為例,根據(jù)蓄熱體和氣體(煙氣或者冷空氣)之間的流動(dòng)傳熱原理,對(duì)物理模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化1,采用有限容積法,應(yīng)

2、用計(jì)算機(jī)進(jìn)行耦合求解,從而得到相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)以及蓄熱體和氣體的溫度分布規(guī)律.這對(duì)優(yōu)化熱風(fēng)爐的運(yùn)行與設(shè)計(jì)很有參考價(jià)值.1物理模型及假設(shè)熱風(fēng)爐蓄熱室的蓄熱體由許多徑向通孔平行排列組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.由于氣體流速較高并且在格孔中的分布較均勻,采用一維參數(shù)分布法來(lái)處理2;而單位蓄熱體其外形為圓柱形,根據(jù)其對(duì)稱性,簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱問題.基本假設(shè)條件如下:a.蓄熱室內(nèi)任意截面上煙氣流分布均勻,氣體流速相等,燃燒期內(nèi)拱頂溫度不變;b.格子磚的熱物性僅是溫度的函數(shù);c.氣流在孔格內(nèi)與氣流垂直方向的孔格換熱,主要是邊界層傳熱,而氣流平行方向孔格內(nèi)的導(dǎo)熱略去不計(jì),外部熱損失不計(jì);d.蓄熱體由于軸對(duì)稱可取其外徑

3、處為絕熱的邊界.2模型處理及離散化對(duì)計(jì)算區(qū)域采用第一類網(wǎng)格劃分方法,計(jì)算的網(wǎng)格劃分如圖2所示,圖中蓄熱體內(nèi)三個(gè)控制體所對(duì)應(yīng)的離散方程由于邊界條件不同而各不相同,可對(duì)微元控制體作熱平衡求得.采用有限容積法5,6,分別對(duì)單位控制體作熱平衡,得到如下方程式,氣體熱平衡方程3設(shè)定工況與計(jì)算過程4計(jì)算結(jié)果及其討論應(yīng)用自己編制的熱風(fēng)爐傳熱過程的模擬程序,計(jì)算了在給定條件下的一個(gè)格孔及其所控制的控制體的流動(dòng)與傳熱情況,可以得到在不同工況下的蓄熱體和氣體的溫度分布規(guī)律.從圖3不同時(shí)刻煙氣溫度隨高度h的變化曲線可以看出,在加熱時(shí),隨著時(shí)間的推進(jìn),蓄熱體的溫度逐步升高,其溫度變化曲線大致呈現(xiàn)為對(duì)數(shù)曲線,這是符合傳

4、熱學(xué)理論也是符合實(shí)際情況的.圖4表示了冷風(fēng)過程不同時(shí)刻氣體溫度隨高度h的變化曲線,可以看到隨著送風(fēng)時(shí)間的推進(jìn),熱風(fēng)溫度逐步降低,并且降溫速率加快,其溫度變化曲線大致仍然為對(duì)數(shù)曲線.從模擬結(jié)果來(lái)看,熱風(fēng)爐蓄熱室格子磚在加熱過程中溫差主要集中在高度方向上以及隨時(shí)間的變化上,而在水平方向上雖然存在溫差,但是差值相對(duì)較小.在燃燒加熱初期由于燃燒產(chǎn)生的熱量先被蓄熱室上部的蓄熱體所吸收,下部的溫度變化很小,對(duì)于從常溫開始加熱的格子磚,出口處的固體溫度直到加熱很長(zhǎng)一段時(shí)間后才開始有明顯的升高,在此之前一直基本上保持在初始溫度.但是一旦溫度開始升高,升溫的速率很快,這是由于此時(shí)上部的蓄熱體的溫度已經(jīng)升高到一定

5、的溫度,它所能吸收的熱量也已很少,煙氣的熱量開始向下部移動(dòng),主要被下部的蓄熱體所吸收,因此蓄熱體的升溫速率加快,大約在5.5h內(nèi)煙氣的出口溫度即可以達(dá)到設(shè)定的250,同時(shí)可以看出,在出口處煙氣和格子磚之間存在一定的溫差,不過差值不是很大.在給定一定的條件下,通過模擬計(jì)算得到下面運(yùn)行參數(shù):煙氣的體積分?jǐn)?shù)(CO2)=25.53%,(H2O)=1.82%,(O2)=0.45%,(N2)=72.18%;理論燃燒溫度為1309.18;實(shí)際燃燒溫度為1243.72;煙氣流量和流速,助燃空氣流量,冷風(fēng)流量和流速等運(yùn)行參數(shù).開爐計(jì)算時(shí)煙氣出爐溫度達(dá)到給定控制溫度250的時(shí)間為337min.經(jīng)過和熱風(fēng)爐運(yùn)行參數(shù)

6、對(duì)比,以上數(shù)據(jù)是基本符合實(shí)際情況的.數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明計(jì)算采用的物理模型和數(shù)學(xué)模型是合理的,對(duì)模型所做的簡(jiǎn)化也是符合工程實(shí)際的,這樣的處理方法在進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)際驗(yàn)證之后就可以在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中加以應(yīng)用.同時(shí)為了增加蓄熱室格子磚的蓄熱量,在蓄熱室高度一定的情況下,可以通過在一定范圍內(nèi)減小格子磚的格孔通道面積來(lái)實(shí)現(xiàn),另外還應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)減小通道入口處的流動(dòng)阻力以增強(qiáng)換熱.參考文獻(xiàn)1羅海兵,陳維漢.蓄熱式換熱器傳熱過程的數(shù)值模擬J.化工裝備技術(shù),2004,25(4):14182陳維漢.管內(nèi)流動(dòng)換熱過程的性能綜合分析J.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(1):18213卡里爾EE.燃燒室與工業(yè)爐的模擬M.陳熙,周曉青譯.北京:科學(xué)出版社,1987.4項(xiàng)