煙氣供暖煙道的研究

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(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

煙氣供暖煙道的研究

王慶敏，田玉卓

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

針對(duì)煙氣供暖，改進(jìn)煙道形式，利用Fluent軟件對(duì)不同尺寸的前擋煙板和不同高度的煙道進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬。結(jié)果表明：前擋煙板錯(cuò)落高度比4∶2∶1和煙道高度為0.3 m的設(shè)計(jì)尺寸較優(yōu)，地面溫度均勻，熱舒適性強(qiáng)。為新農(nóng)村煙氣地板供暖的設(shè)計(jì)提供一定參考。

煙氣供暖；fluent模擬；前擋煙板尺寸；煙道高度

0 引言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，一度使用炕的北方地區(qū)也開始趨向干凈、衛(wèi)生的取暖方式。人們拋棄非商品能轉(zhuǎn)向商品能煤、電，據(jù)調(diào)查，我國(guó)農(nóng)村地區(qū)生活用能中，煤、電等商品能源使用己達(dá)到60%[1]。再加上農(nóng)村采暖室內(nèi)溫度低，能耗大，如房間溫度只能維持在10 ℃左右,但耗煤量卻高達(dá)30～40 kg標(biāo)煤/m2,為城市采暖能耗的1.5～2倍[2]。這樣勢(shì)必會(huì)給國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)壓力，增加環(huán)境中的有害氣體量。

為引導(dǎo)人們重新重視并使用非商品能源，減輕能源危機(jī)，針對(duì)煙氣地板輻射供暖建立數(shù)值模型，采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)地板傳熱和煙氣流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，用炕的評(píng)價(jià)手段對(duì)不同尺寸前擋煙板、不同高度煙道的作用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出較優(yōu)結(jié)果。

1 地道搭建的基本形式

房間以舊有農(nóng)村臥室一般尺寸6.5 m×3.5 m(高度是下文的研究點(diǎn))為例，煙道進(jìn)、出口、擋煙板布置如圖1。煙道是室內(nèi)地板下下挖的地道，為減少熱量的損失，只要是煙道的室外側(cè)都砌一堵距外墻0.5 m，高為煙道高度的墻，此次模擬側(cè)墻都按絕熱處理，煙道下方鋪一層土灰，可減少向大地散熱。煙道進(jìn)、出口尺寸為0.3 m×0.3 m，且為定量減少模擬變量時(shí)不必要的誤差。煙道內(nèi)有支撐混凝土板的磚砌支柱，前、后擋煙板高度小于煙道高度，與煙道上部有一定的距離，如圖2，此距離決定于前、后擋煙板高度，前擋煙板高度是下文的研究?jī)?nèi)容，后擋煙板高度采用已模擬出的結(jié)果，為煙道高度的3/4。前擋煙板距進(jìn)口2 m(已模擬距離)，采用“幾”字形尺寸，如圖2，高部減緩進(jìn)口高速煙氣流，高部中線正對(duì)進(jìn)口中線，通過(guò)進(jìn)口的高速煙氣流要擴(kuò)散，高部?jī)啥吮冗M(jìn)口各多出0.5 m；由于高部正對(duì)煙氣進(jìn)口，煙氣通過(guò)低部的速度小于通過(guò)高度的速度，這樣高部與地板間隙小速度大，低部與地板間隙大速度小，可實(shí)現(xiàn)地板表面溫度均勻。后擋煙板采用已模擬結(jié)果，寬度為2 m，位置如圖1，缺口1 m。煙囪不做研究，按以往經(jīng)驗(yàn)3.5～5 m[3]。

圖1 煙氣地板供暖結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 煙氣地板供暖結(jié)構(gòu)平面圖

2 地板表面溫度評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1地板表面溫度均值

煙氣在煙道內(nèi)流動(dòng)，溫度不斷降低，隨著距離進(jìn)口越來(lái)越遠(yuǎn)地面溫度也越來(lái)越低，為了實(shí)現(xiàn)舒適度要求地面溫度不能太高也不能太低，《輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》對(duì)地板輻射采暖溫度規(guī)定，地面均值24～35 ℃適宜[4]。

2.2地板表面溫度標(biāo)準(zhǔn)差

為滿足舒適性要求，地板表面溫度需均勻。本文采用標(biāo)準(zhǔn)差作為均勻性分布指標(biāo)，此值越小說(shuō)明地板表面溫度越均勻，供暖效果越好，定義為

(1)

式中，ti,τ為地板表面各小部分溫度均值；tp為地板表面在τ時(shí)刻溫度平均值；Ai為各小部分的面積；A為地面總面積；n為地面份數(shù)。

3 煙道數(shù)學(xué)模型的建立

3.1煙氣熱量計(jì)算

秸稈燃燒速率按9 kg/s，產(chǎn)生煙氣量為0.05 kg/s，進(jìn)去煙道的煙氣所帶熱量為Q，煙氣余熱利用率ηr為60.8%[6]，通過(guò)暖通鴻業(yè)計(jì)算軟件計(jì)算得北方農(nóng)村臥室熱負(fù)荷，熱負(fù)荷面積指標(biāo)取計(jì)算值74.6 W/m2。

(2)

式中，m煙氣質(zhì)量流量；CP煙氣重量比熱；tin,tout分別為煙氣進(jìn)口溫度，煙氣出口溫度。

3.2煙道土壤側(cè)換熱

煙氣與煙道下部土灰層接觸的地方溫度很高，在深度方向0.7～1.0個(gè)建筑寬度的地方溫度等于自然土壤溫度[5]，大地是無(wú)窮大的，所以把此厚度的土壤近似為一個(gè)大平板，根據(jù)平板傳熱的基本公式計(jì)算綜合傳熱系數(shù)，據(jù)前人實(shí)驗(yàn)研究的記錄，煙氣向土壤的傳熱量占整個(gè)放熱量的7%～8%[6]，所以計(jì)算模型簡(jiǎn)化為

(3)

式中，tyan,ttu分別為煙氣平均溫度，土壤自然溫度；η為煙氣與土壤的換熱量占煙氣總換熱量的百分比，取7%～8%；K為煙氣向土壤散熱的綜合傳熱系數(shù)；F為煙道截面積。

3.3地板表面換熱系數(shù)的確定

地面通過(guò)對(duì)流和輻射加熱室內(nèi)空氣，根據(jù)傳熱學(xué)，對(duì)流傳熱可看成大平板對(duì)流傳熱，努謝爾系數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算如下

(4)

(5)

式中，Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；λ為地面導(dǎo)熱系數(shù)；x為地板長(zhǎng)度。

MRT 法將地面與房間其他表面的輻射換熱假設(shè)為其與一個(gè)具有相同輻射換熱系數(shù)、表面溫度，而且具有與封閉空間內(nèi)其他表面相同的換熱效果的虛擬表面之間的換熱，換熱可按下面公式計(jì)算

(6)

式中，qr為輻射熱流；σb為黑體常數(shù)，取5.67×10-8W/(m2·K4);Fi,j為地面到虛擬表面的角系數(shù)，取1.0；εi，εj為地面、虛擬表面的發(fā)射率，非金屬表面的一般約為 0.9；Ai,Aj為地面、虛擬表面的面積；Ti,Tj分別為地板外表面與虛擬表面的溫度。

地板表面換熱系數(shù)是對(duì)流與輻射綜合的換熱系數(shù)，通過(guò)模擬一種煙道在不同時(shí)間的地板表面溫度，利用式(4)～式(6)計(jì)算對(duì)流和輻射的熱流密度和，此熱流密度和地板表面溫度與臨近空氣差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸擬合，擬合線的斜率即是地板表面綜合換熱系數(shù)。

4 前擋煙板高度與煙道高度的模擬分析

用Fluent對(duì)煙道傳熱進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，煙氣采用Boussinesq[7]假設(shè)，流體中的黏性耗散忽略不計(jì)，除密度外的其它物性為常數(shù)；考慮非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與傳熱過(guò)程；煙道側(cè)面都做保溫，按絕熱邊界條件處理。因?yàn)闊煹澜Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁面與擋煙板附近網(wǎng)格劃分到很密，無(wú)滑移壁面不再適用，采用Realizable k-ε模型并結(jié)合非平衡壁面函數(shù)[8]處理不會(huì)失真。使用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，對(duì)流項(xiàng)用 QUICK 格式差分，采用 SIMPLE[9-10]算法進(jìn)行壓力和速度的解耦來(lái)計(jì)算流場(chǎng)。

經(jīng)多次不同加熱時(shí)長(zhǎng)的模擬得出，地面加熱60 min，因蓄熱作用，在停止加熱后20 min地板就會(huì)達(dá)到基本舒適的溫度。模擬用煙道長(zhǎng)為6 m，寬3 m，地板鋪設(shè)采用混凝土板，材料物性用加權(quán)后的混凝土和黏土。煙道進(jìn)口采用質(zhì)量流量邊界條件，煙氣量為0.05 kg/s，溫度采用500 ℃[11]，經(jīng)式(2)計(jì)算加熱1 h產(chǎn)生的煙氣熱量，煙氣熱量比地面每小時(shí)的散熱量，得到7.4 h散熱完畢，也就是一天需要加熱3次；出口邊界條件為出流(outflow)條件。土壤側(cè)換熱系數(shù)用公式(3)求得，利用式(4)～式(6)求得擬合的地板表面綜合換熱系數(shù)，地板表面溫度在35 ℃時(shí)，其表面換熱系數(shù)[12]為10 W/(m2·℃)，此次模擬地面溫度達(dá)不到35 ℃，換熱系數(shù)就取10 W/(m2·℃)，不會(huì)影響煙道物理高度的研究。后20 min把進(jìn)口、出口的條件改為絕熱壁面進(jìn)行模擬。

4.1前擋煙板高度的確定

前擋煙板進(jìn)口之間部分的地板加厚0.01 m，防止進(jìn)口處地面溫度太高。前擋煙板采用“幾”字形，前擋煙板不能太低，也不能太高，在阻力盡量小但也要加長(zhǎng)煙氣停留時(shí)間的情況下選擇最合適的高度，把煙道，擋煙板高部，擋煙板低部3者設(shè)計(jì)成錯(cuò)落結(jié)構(gòu)，高度比β作為參考數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，除去3者中任意兩者有相同高度的情況，只研究β值為4∶3∶2，4∶3∶1，4∶2∶1，4∶2∶0共4個(gè)比例，找出最佳比例用于煙道高度的模擬研究，取100 min模擬結(jié)果。

圖3 不同高度比下加熱過(guò)程中的地面溫度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

如圖3，60 min停止加熱后，溫度在100 min都達(dá)到舒適溫度，之后溫度基本不會(huì)上升，停止加熱后溫度還在升高說(shuō)明地板表面溫度上升有滯后性。通過(guò)比較可看出，比例β=4∶2∶1的地面溫度標(biāo)準(zhǔn)差上升最緩慢，均勻性最好，雖然地面溫度平均值不如其它比例的高，不過(guò)差別比較小，從考慮地板溫度均勻性出發(fā)，高度比β=4∶2∶1是確定較優(yōu)前擋煙板高度的推薦值。

4.2煙道高度的確定

煙道高度是影響地面換熱的重要因素，炕考慮人生活的方便，高度在0.4 m左右，燃池(即地炕)因需添加整個(gè)采暖季的燃料高度一般要求1.2 m，而煙氣采暖的煙道根據(jù)搭建方便，提出0.2 m，0.3 m，0.4 m 3個(gè)高度進(jìn)行選擇，加熱60 min，模擬100 min，結(jié)果如圖4～圖6。

如圖4，地面溫度標(biāo)準(zhǔn)差越小說(shuō)明地面溫度越均勻，其中標(biāo)準(zhǔn)差升高比較緩慢的是h=0.3 m的情況；用相同質(zhì)量的燃料地面平均溫度越高越好，地面平均溫度升高最快的是0.2 m的情況；造成這樣的結(jié)果，原因是地面溫度越均勻，地板的得熱能力越差，地面溫度就會(huì)降低，煙道出口溫度升高，如圖5所示，h=0.3 m的煙道出口溫度高于其它情況，但是考慮溫度均勻性能，排煙溫度與其它情況又不會(huì)有很大差別，能量也不會(huì)浪費(fèi)太多，搭建時(shí)選擇0.3 m的煙道高度。

圖4 不同煙道高度下地面溫度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

圖5 不同高度煙道出口溫度

圖6 不同煙道高度下不同位置處地板表面溫度

圖6是取地面中線，距進(jìn)口1 m，3 m，5 m 3點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)得出的溫度，在1 m處，煙道高度為0.2 m的地面平均溫度最高，在距進(jìn)口3 m處，平均溫度最高的是0.3 m的煙道，0.2 m的煙道地面溫度卻最低，在距進(jìn)口5 m處地面溫度都趨于15 ℃ ，差別不明顯，所以從局部看地面溫度也是0.3 m高的煙道比較好。

5 結(jié)語(yǔ)

以面積為6 m×3 m的煙道設(shè)計(jì)為例，建立數(shù)學(xué)物理模型，選取基本合適的比例尺度，非穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，對(duì)前擋煙板高度、煙道高度進(jìn)行模擬分析，以火炕的評(píng)價(jià)手段對(duì)地面溫度進(jìn)行評(píng)估，得出前擋煙板錯(cuò)落高度比4∶2∶1，煙道高度為0.3 m的煙道地面溫度均勻，熱舒適性強(qiáng)，為新農(nóng)村煙氣地板供暖的設(shè)計(jì)提供參考。

[1] Yang X D,Jiang Y.Energy and environment in Chinese rural housing:road to Sustainability[C]//Tianjin University and Dalian University of Technology. Dalian,China :The First International Conference on Building Energy and Environment,2008.

[2]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能2007年度發(fā)展研究報(bào)告[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007：200.

[3]郭繼業(yè).北方省柴節(jié)煤炕連灶技術(shù)講座(四)[J].農(nóng)村能源,1999(2):4-6.

[4]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ142—2012輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程 [S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版，2012.

[5] Anderson B R. Calculation of the steady state heat transfer through a slab on ground floor[J]. Building and Environment, 1991, 24(4):405-415.

[6]趙云波.寒區(qū)農(nóng)宅煙氣余熱地道式采暖方式研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,2014.

[7]陶文拴.數(shù)值傳熱學(xué)[M].2版.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.

[8] Harrison R，Spear point M. The horizontal flow of gases below the spill edge of a balcony and an adhered thermal spill plume[J].international Journal of Heat and Mass Transfer,2010,53(25/26):5792-5805.

[9] Yeo M S,Yang I H,Kim K W.Historical changes and recent energy saving potential of residential heating in Korea[J].Energy and Buildings,2003,35(7):715-727.

[10] Liesen R J,Pedersen C O.An evaluation of inside surface heat balance models for cooling load calculations[G]//ASHRAE Trans,1997,103(3):485-502.

[11] 陳榮耀,呂良.關(guān)于民用炕連灶熱性能測(cè)試方法淺探[J]. 應(yīng)用能源技術(shù),1985(1): 36-40.

[12] MIura H,HokoI S,Kondo S.Development of simple commissioning Tools for floor heating systems in residences-performance evaluation of floor heating systems[J].Journal of Asian Architecture and Building Engineering,2004,3(1):93-100.

StudyonFlueGasHeating

WangQingmin，TianYuzhuo

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043,China)

For the flue gas heating, to improve the flue form, Fluent software is used to simulate the non steady state of different sizes of the front baffle and different height of the flue. The results showed that the front baffle ratio of 4:2:1 and the flue height of 0.3 m is the most excellent design, with homogeneous floor surface temperature and good thermal comfort, which can be used as reference for the design of gas floor heating in new rural construction.

flue gas heating；fluent simulation；front baffle size；flue height

TU111.1;TU241.4

： A

： 2095-0373(2017)03-0089-05

2016-05-17責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.03.17

王慶敏(1990-),女,碩士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能。E-mail:m15533989329@163.com 王慶敏,田玉卓.煙氣供暖煙道的研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(3):89-92.