伴有參與性介質(zhì)的開口系統(tǒng)傳熱研究

夏　宇,仇性啟,惠媛媛

(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266580)

?

伴有參與性介質(zhì)的開口系統(tǒng)傳熱研究

夏宇,仇性啟,惠媛媛

(中國石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266580)

摘要:基于耗散極值原理,綜合考慮高溫?zé)煔夂透邷毓腆w壁面間的輻射對流耦合傳熱過程,推導(dǎo)出適用于伴有參與性介質(zhì)的等溫漫射灰體開口系統(tǒng)傳熱分析的平衡方程,并驗(yàn)證該方程的正確性,拓展了理論應(yīng)用范圍.將該方程應(yīng)用于現(xiàn)代燃燒單元結(jié)構(gòu)分析,通過Matlab軟件編程,理論計(jì)算得到再輻射壁面開口寬度、燃燒筒到煙氣出口垂直距離、爐灶開口寬度等參數(shù)對熱效率、鍋底和燃燒筒傳熱量、再輻射壁面溫度的影響規(guī)律,指出爐灶開口寬度是影響現(xiàn)代燃燒單元傳熱性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù).

關(guān)鍵詞：耗散；等溫漫射；傳熱；現(xiàn)代燃燒單元

1模型建立與方程推導(dǎo)

對于伴有參與性介質(zhì)的等溫漫射灰體開口系統(tǒng)(本文統(tǒng)稱為“系統(tǒng)” )中任一表面k ,能量守恒方程可以表示為

(1)

式中：Qnet-k為表面k的凈傳熱量；τ為表面輻射熱能通過煙氣時(shí)的衰減系數(shù)[17]；Qi為表面i 發(fā)射的熱能；Bi→k為吸收系數(shù),表示由表面i發(fā)射而被表面k吸收的熱能所占份額；Qg為煙氣對表面k的輻射傳熱量；Qcon為采用牛頓冷卻定律計(jì)算煙氣與壁面間的對流傳熱量.等式右邊第二項(xiàng)表示由表面i發(fā)射而被氣體吸收后透射到表面k的能量.

式(1)為系統(tǒng)能量平衡方程.可以看出方程形式與一般能量守恒方程一致[17].規(guī)定系統(tǒng)表面發(fā)射能量為正,吸收能量為負(fù).當(dāng)表面k為凹表面時(shí),表面發(fā)射能量會(huì)被自身部分吸收；當(dāng)表面k為凸表面時(shí),發(fā)射能量不會(huì)被自身吸收.

對于Qg的理論表達(dá)式,一般情況下,若腔內(nèi)氣體充分混合,可假定等溫[17],認(rèn)為氣體吸收系數(shù)a為常數(shù).由氣體透射率表達(dá)式τ(l)=exp(-al)和吸收率表達(dá)式α(l)=1-τ(l)=1-exp(-al),根據(jù)灰體發(fā)射率與吸收率相等,可得發(fā)射率ε(l)=1-exp(-al).氣體發(fā)射而被表面k 接收的能量可以表示為

(2)

式中：各參數(shù)含義如圖1所示，Ak為表面k的面積,Ai為表面i的面積,Ebg為高溫?zé)煔獾暮隗w輻射能量,α(l)為煙氣發(fā)射率,lik為兩面積元連線長度,θi、θk分別為兩面積元法線與lik的夾角.

圖1　傳熱分析示意圖Fig.1　Schematic of heat transfer analysis

考慮角系數(shù)定義式[18-19]：

(3)

可將式(2)改寫為

(4)

式中

(5)

由此可將式(1)改寫為

(6)

式(6)兩端同時(shí)乘以表面k 的熱勢,則有

(7)

將Qk=εkAkUk代入式(7),可得

(8)

令

(9)

則有

(10)

2算例與討論

廉潔文化是社會(huì)主義先進(jìn)文化的重要組成部分，是社會(huì)主義政治文明和精神文明的重要內(nèi)容。在城鄉(xiāng)社區(qū)開展廉潔文化建設(shè)，教育引導(dǎo)社區(qū)居（村）民提升思想政治素質(zhì)、道德素質(zhì)和法治意識，有利于營造風(fēng)清氣正的社區(qū)環(huán)境。

現(xiàn)代燃燒單元三維結(jié)構(gòu)如圖2所示,二維斷面包括直線型、圓弧形、拋物線型三種結(jié)構(gòu),分別如圖3(a)、(b)和圖4所示,由燃燒筒外壁面1、鍋底2、排氣通道3、再輻射壁面4和連接圓弧5組成.圖4中,固定拋物線上端點(diǎn)(A和A′ 點(diǎn))和下端點(diǎn)(B和B′ 點(diǎn)),在燃燒筒軸線上任取一點(diǎn)C,即可得到不同結(jié)構(gòu)拋物線型輻射阱,進(jìn)而改變壁面間角系數(shù)分布,影響熱效率等性能.現(xiàn)代燃燒單元工作時(shí),高溫火焰噴射進(jìn)入燃燒筒并對其加熱,煙氣通過燃燒筒壁面開孔進(jìn)入輻射阱,與燃燒筒壁面、再輻射壁面共同以輻射對流耦合方式將熱量傳遞給受熱體,并最終由排氣通道流出.燃燒筒半徑r =0.05m,連接圓弧段距燃燒筒高度h1=0.01m,排氣通道高度h=0.02m.考慮現(xiàn)場實(shí)地條件,環(huán)境海拔1 905m,沸水溫度T = 366K.假設(shè)鍋底溫度為沸水溫度,煙氣和燃燒筒壁面分別采用試驗(yàn)值1 500K和1 400K.

圖3　輻射阱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Structural schematic of radiant well

圖4　拋物線型輻射阱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Structural schematic of parabolic radiant well

理論計(jì)算時(shí),保持r、h和h1為定值,分析再輻射壁面開口寬度2t 、燃燒筒到煙氣出口垂直距離L 和爐灶開口寬度2S 對現(xiàn)代燃燒單元熱效率、傳熱量等性能的影響,計(jì)算過程采用Matlab編程實(shí)現(xiàn).

3結(jié)果分析

3.1t對輻射阱熱能利用的影響

由于結(jié)構(gòu)關(guān)于軸線對稱,現(xiàn)取其中一半進(jìn)行分析.當(dāng)L = 0.08m,S = 0.18m時(shí),不同t下的輻射阱傳熱性能如圖5所示.

圖5　不同t下的輻射阱傳熱性能Fig.5　Heat transfer performance of radiant well in different values of t

由圖5可知,熱效率和鍋底吸熱量均隨 t 的增大而減?。籆點(diǎn)越靠近燃燒筒,再輻射壁面所圍空間越緊湊,當(dāng)A′ 、B′ 、C三點(diǎn)共線,即再輻射壁面為直線型時(shí),熱效率最高；燃燒筒放熱量隨t 的增大而增大；t 越大,曲線變化越顯著.

這是因?yàn)殡S t 的增大,鍋底有效輻射密度逐漸減小(此處以發(fā)射能量為正,吸收能量為負(fù),下同).分析鍋底凈傳熱量可知,在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下,鍋底吸熱量隨有效輻射密度的減小而減?。浑S t 的增大,燃燒筒有效輻射密度逐漸減小.分析燃燒筒凈傳熱量可知,在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下,燃燒筒放熱量隨有效輻射密度的減小而增大.

綜上所述,隨 t 的增大,鍋底吸熱量減小,燃燒筒放熱量增大,因而熱效率下降.該規(guī)律可由吸收系數(shù)分析求得：隨 t 的增大,燃燒筒對鍋底的吸收系數(shù)減小,導(dǎo)致可用能減少,熱效率下降.

圖6　不同t下的再輻射壁面溫度Fig.6　Reradiation surface temperature in different values of t

3.2L對輻射阱熱能利用的影響

當(dāng)S=0.18m,t=0.09m時(shí),不同L下的輻射阱傳熱性能如圖7所示.

圖7　不同L下的輻射阱傳熱性能Fig.7　Heat transfer performance of radiant well in different values of L

由圖7可知,曲線均隨L的增大而減小,且近似呈線性關(guān)系.這是因?yàn)殡S著L的增大,鍋底有效輻射密度逐漸減小.分析鍋底凈傳熱量可知,鍋底吸熱量隨有效輻射密度的減小而減??；隨著L的增大,燃燒筒有效輻射密度逐漸增大.分析燃燒筒凈傳熱量可知,燃燒筒放熱量隨有效輻射密度的增大而減小.

由圖7還可以看出,鍋底吸熱量較燃燒筒放熱量的變化更顯著,因而熱效率下降.該規(guī)律可由吸收系數(shù)分析求得：隨L的增大,燃燒筒對鍋底的吸收系數(shù)減小,導(dǎo)致可用能減少,熱效率下降.

圖8　不同L下的再輻射壁面溫度Fig.8　Reradiation surface temperature in different values of L

3.3S對輻射阱熱能利用的影響

由于結(jié)構(gòu)關(guān)于軸線對稱,現(xiàn)取其中一半進(jìn)行分析.當(dāng)L=0.08m,t=0.09m時(shí),不同S下的輻射阱傳熱性能如圖9所示.

圖9　不同S下的輻射阱傳熱性能Fig.9　Heat transfer performance of radiant well in different values of S

由圖9可知,曲線隨S的增大而增大；S越大,曲線變化越平緩.這是因?yàn)殡SS的增大,鍋底有效輻射密度逐漸增大.分析鍋底凈傳熱量可知,鍋底吸熱量隨有效輻射密度的增大而增大；隨S的增大,燃燒筒有效輻射密度逐漸減小.分析燃燒筒凈傳熱量可知,燃燒筒放熱量隨有效輻射密度的減小而增大.

由圖9還可以看出,鍋底吸熱量較燃燒筒放熱量的變化更顯著,因而熱效率上升.該規(guī)律可由吸收系數(shù)分析求得：隨S的增大,燃燒筒對鍋底的吸收系數(shù)增大,導(dǎo)致可用能增加,熱效率上升.

對比圖7、9可知,熱效率隨S的變化更顯著,因此選取合理的S是結(jié)構(gòu)優(yōu)化和保證熱效率的首要因素.

圖10　不同S下的再輻射壁面溫度Fig.10　Reradiation surface temperature in different values of S

4結(jié)論

(2)現(xiàn)代燃燒單元熱效率隨再輻射壁面開口寬度、燃燒筒到煙氣出口垂直距離的增大而減小,隨爐灶開口寬度的增大而增大；再輻射壁面溫度隨再輻射壁面開口寬度、爐灶開口寬度的增大而減小,隨燃燒筒到煙氣出口垂直距離的增大而增大.

(3)爐灶開口寬度為現(xiàn)代燃燒單元的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),熱效率隨爐灶開口寬度的變化最顯著.

參考文獻(xiàn)(References)：

WANGSong-ping,CHENQing-lin,ZHANGBing-jian.Entransytransferequationanditsapplication[J].ScienceBulletin,2009,54(15)：2247-2251．

CHENGXue-tao,XUXiang-hua,LIANGXin-gang.Radiativeentransyfluxinenclosureswithnon-isothermalornon-grey,opaque,diffusesurfacesanditsapplication[J].ScienceChina,2011,41(10)：1359-1368．

CHENGXue-tao,LIANGXin-gang.Entransytheoryanditsapplicationintheprocessofheat-workconversion[J].ActaPhysicaSinica,2014,63(19)：190501．

[4]ONSAGERL.ReciprocalrelationinirreversibleprocessⅡ[J].PhysicalReview,1931,38:2265-2279．

[5]ONSAGERL,MACHLUPS.Fluctuationsandirreversibleprocesses[J].PhysicalReview,1953,91(6)：1505-1512．

[6]PRIGOGINEI.Introductiontothermodynamicsofirreversibleprocesses[M].3rded.NewYork：IntersciencePublisher,1967．

[7]馮長根.熱學(xué)新理論及其應(yīng)用[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社,2010．

CHENLin-gen.Entransytheoryanditsapplicatingprogress[J].ScienceBulletin,2012,57(30)：2815-2835．

[9]李志信,過增元.對流傳熱優(yōu)化的場協(xié)同理論[M].北京：科學(xué)出版社,2010．

GUOJiang-feng,CHENGLin,XUMing-tian.Entransydissipationnumberanditsapplication[J].ScienceBulletin,2009,54(19)：2998-3002．

DINGKai-qiang,TIANMao-cheng,LENGXue-li.Optimizationforflowfieldofoutsidetubebasedonentransyextremeprinciple[J].JournalofEngineeringThermophysics,2015,36(2)：419-422．

GUOZeng-yuan,LIANGXin-gang,ZHUHong-ye.Entransy：aphysicalquantitydescribingheattransferability[J].ProgressinNaturalScience,2006,16(10)：1288-1296．

[13]GUOZeng-yuan,ZHUHong-ye,LIANGXin-gang.Entransy:aphysicalquantitydescribingheattransferability[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2007,50(13-14)：2545-2556．

[14]過增元,程新廣,夏再忠.最小熱量傳遞勢容耗散原理及其在導(dǎo)熱優(yōu)化中的應(yīng)用[J].科學(xué)通報(bào),2003,48(1)：22-25．

GUOZeng-yuan,CHENGXin-guang,XIAZai-zhong.Leastdissipationprincipleofheattransportpotentialcapacityanditsapplicationinheatconductionoptimization[J].ScienceBulletin,2003,48(1)：22-25．

[15]程新廣,李志信,過增元.基于最小熱量傳遞勢容耗散原理的導(dǎo)熱優(yōu)化[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2003,24(1)：94-96．

CHENGXin-guang,LIZhi-xin,GUOZeng-yuan.Heatconductionoptimizationbasedonleastdissipationprincipleofheattransportpotentialcapacity[J].JournalofEngineeringThermophysics,2003,24(1)：94-96．

[16]CHENGXue-tao,LIANGXin-gang.Entransyfluxofthermalradiationanditsapplicationtoenclosureswithopaquesurfaces[J].HeatMassTransfer,2011,54:269-278．

[17]卞伯繪.輻射換熱的分析與計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社,1988．

[18]SIEGELR,HOWELLJR.Thermalradiationheattransfer[M].2nded.WashingtonDC:HemisphereandMcGraw-Hill,1981．

[19]INCROPERAFR,DEWITTDP,BERGMANTL,etal.Fundamentalsofheatandmasstransfer[M].6thed.NewYork:Wiley,2007．

收稿日期：2015-04-10.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項(xiàng)目：中國石油大學(xué)(華東)研究生創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(YCX2015034).

作者簡介：夏宇(1989-)，男，碩士生，從事爐灶節(jié)能優(yōu)化研究．ORCID：0000-0002-6603-679X．E-mail：dkpylxy@163.com 通信聯(lián)系人：仇性啟，男，教授，博導(dǎo)．ORCID：0000-0002-5763-1968．E-mail：apvshi@upc.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.07.020

中圖分類號：TK 11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-973X(2016)07-1367-06

Heattransferinopeningsystemwithparticipatingmediums

XIAYu,QIUXing-qi,HUIYuan-yuan

(College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Abstract:The entransy balance equation on isothermal diffused gray body opening system with participating mediums was obtained based on the extremum entransy dissipation principle (EEDP) and coupled heat transfer of radiation and convection between high temperature gas and solid surface. The validity of the equation was proved and the application field of entransy theory was expanded. For the structural analysis of modern burning unit, some parameters’ (reradiation surface opening width, vertical distance between burning tube and gas outlet and stove opening width) influencing laws on thermal efficiency, heat transfer quantity of pan and burning tube and reradiation surface temperature were obtained by theoretical calculation with application of the equation through the software Matlab. The stove opening width was the key structural parameter of affecting heat transfer performance of modern burning unit．

Key words:entransy dissipation；isothermal diffusion；heat transfer；modern burning unit