某蜂窩陶瓷蓄熱體熱交換特性數(shù)值模擬及優(yōu)化

陳志超

（韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

為回收鍛造加熱爐中的熱量以用于預(yù)熱助燃空氣，鍛造加熱爐中常配有蓄熱體.蓄熱體通過周而復(fù)始地吸收煙氣的熱量并向助燃空氣釋放熱量，實(shí)現(xiàn)鍛造余熱回收，如圖1所示.研究蓄熱體熱交換特性對(duì)提高余熱回收效率具有重要意義.目前，國(guó)際火焰協(xié)會(huì)（IFRF）、荷蘭、德國(guó)、瑞典、美國(guó)等國(guó)家均對(duì)余熱回收技術(shù)進(jìn)行了大量研發(fā)［1-3］，應(yīng)用方面則是日本處于領(lǐng)先地位.我國(guó)清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、寶鋼技術(shù)中心等對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)和推廣，主要集中在爐型、蓄熱體和換向閥等關(guān)鍵部件的材質(zhì)和形狀的選用，換向時(shí)間、燃?xì)饪諝獾牧魉俸唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒火焰特性的影響等方面［4-6］.

對(duì)蓄熱體的熱交換特性，已發(fā)表的研究主要是基于類比方法進(jìn)行理論推導(dǎo)以求出近似的解析解［1］，或者是利用單因素法進(jìn)行數(shù)值模擬或試驗(yàn)驗(yàn)證［2-3］.由于影響蓄熱體熱交換特性的因素?cái)?shù)量多，單因素法顯然不夠全面，而限于試驗(yàn)條件和時(shí)間，做全因素試驗(yàn)也不可取.本文基于正交試驗(yàn)法，采用Ansys軟件中的Fluent模塊對(duì)某蜂窩陶瓷蓄熱體不同結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)下的余熱回收過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出其熱交換特性參數(shù)，主要是綜合換熱系數(shù)和壓力損失及其變化規(guī)律，并通過回歸分析進(jìn)行各因素的顯著性排序，進(jìn)而獲得相對(duì)較優(yōu)的蓄熱體結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)，實(shí)現(xiàn)蓄熱過程中較高的換熱系數(shù)以及較低的壓力損失.

圖1 蓄熱體余熱回收原理

1 正交數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

蓄熱體壁厚為定值且孔邊長(zhǎng)小于5 mm時(shí)，正方形孔的比表面積和開孔率均為最大［5］，故選取正方形孔蜂窩式蓄熱體作正交數(shù)值模擬，因氣體流速平行于孔的軸線，忽略蓄熱體整體與外界的熱交換，可認(rèn)為蓄熱體各單元與氣體的熱交換是獨(dú)立的，各單元間不發(fā)生熱交換.故蓄熱體中任一單元的換熱特性即能反映整個(gè)蓄熱體的換熱特性［6］.蓄熱體單元為空心正四棱柱結(jié)構(gòu)，其正方形橫截面邊長(zhǎng)等于內(nèi)孔邊長(zhǎng)（A）與壁厚（B）之和，如圖2所示.

圖2 蓄熱體單元

蓄熱體的綜合換熱系數(shù)、壓力損失主要與蓄熱體單元當(dāng)量直徑（孔邊長(zhǎng)A）、壁厚（B）、長(zhǎng)度（C）、氣體流速（D）、氣體溫度（E）和換向時(shí)間（F）有關(guān)［7］.各因素水平取值如表 1 所示.流體流動(dòng)情況主要用雷諾數(shù)Re表征，其大小決定了粘性流體的流動(dòng)特性.對(duì)于正方形截面流道，Re=.其中u為流體流動(dòng)速度，m/s；L為流道正方形截面邊長(zhǎng)，m；v為流體粘滯系數(shù)，m2/s［9］.選取的試驗(yàn)參數(shù)中，流道橫截面最大邊長(zhǎng)和流體最大流速分別為lmax=5 mm，umax=10 m/s.則最大雷諾數(shù)為Remax=271.93＜2 000，說明氣體在蓄熱體中的流動(dòng)形式為層流，應(yīng)選取層流模型進(jìn)行模擬.選取氧化鋁作為蓄熱體的材料,其主要物理性質(zhì)參數(shù)參照文獻(xiàn)［10］氧化鋁主要物理性質(zhì)的參數(shù).

表1 各因素水平取值

通過蓄熱體的煙氣和空氣入口速度已知，且由設(shè)備本身決定；而煙氣和空氣出口速度未知，但壓力已知.因此，蓄熱體有限元模型中氣體流入的邊界選取速度入口邊界條件、氣體流出的邊界選取壓力出口邊界條件.由于蓄熱體單元及流場(chǎng)幾何結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱性，為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，取1/4個(gè)蓄熱體單元進(jìn)行模擬.其中，各平面的性質(zhì)設(shè)置如下（如圖3所示）：

（1）平面ABCD——煙氣速度入口（空氣壓力出口）；

（2）平面HIJK——煙氣壓力出口（空氣速度入口）；

（3）平面DCBEFG、平面KJILMN——傳熱表面；

（4）平面HIBA、平面KHAD——旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面組1；

（5）平面ILEB、平面NKDG——旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面組2；

（6）平面JIBC、平面KJCD——?dú)庀?、固相耦合表面?/p>

（7）平面MLEF、平面NMFG——絕熱表面.

由于蓄熱體的蓄熱和放熱階段進(jìn)展速率不同步，存在一個(gè)不穩(wěn)定的啟動(dòng)過程，其工作狀態(tài)必須經(jīng)過若干個(gè)傳熱周期才能逐漸趨于穩(wěn)定.屆時(shí)，相鄰兩個(gè)傳熱周期中，蓄熱階段和放熱階段的溫度和壓力分布將不再變化，故必須模擬出蓄熱體的穩(wěn)定工作狀態(tài).首先將整個(gè)蓄熱體內(nèi)的溫度場(chǎng)均勻地設(shè)定為300 K（室溫）；然后令1 200~1 400 K的高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱體，蓄熱階段開始；經(jīng)過一個(gè)換向時(shí)間后，改變邊界條件，令300 K的空氣從煙氣的出口進(jìn)入蓄熱體，使之在放熱階段被逐漸加熱至一個(gè)傳熱周期結(jié)束；再把該周期的終末狀態(tài)作為下一個(gè)傳熱周期的初始狀態(tài)，繼續(xù)依次循環(huán)計(jì)算下去，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止.若前后兩次放熱階段結(jié)束時(shí)的空氣出口溫度相差不超過3 K，即認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，停止計(jì)算.并認(rèn)為此次蓄、放熱過程的綜合換熱系數(shù)和壓力損失為蓄熱體穩(wěn)態(tài)下的特性參數(shù).

圖3 1/4蓄熱體單元各平面

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將影響蓄熱體的各因素按6因素5水平正交表進(jìn)行組合試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示.

表3 正交模擬試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)綜合換熱系數(shù)和壓力損失兩個(gè)特性指標(biāo)對(duì)各因素關(guān)系分別作回歸分析，得出各因素影響顯著性概率P值，如表4所示.當(dāng)某個(gè)因素的P＞0.05時(shí)，該因素的影響不顯著；0.05≥P＞0.01時(shí)，影響顯著；P≤0.01時(shí)，影響極其顯著；P值越小則影響越顯著［8］.可見，對(duì)綜合換熱系數(shù)，蓄熱體邊長(zhǎng)、蓄熱體孔壁厚和煙氣入口速度的影響極其顯著，煙氣入口溫度和換向時(shí)間的影響顯著，蓄熱體長(zhǎng)度的影響不顯著；對(duì)壓力損失，蓄熱體孔邊長(zhǎng)、蓄熱體長(zhǎng)度和煙氣入口速度的影響極其顯著，蓄熱體孔壁厚、煙氣入口溫度和換向時(shí)間的影響顯著.按各因素對(duì)綜合換熱系數(shù)影響的顯著程度排序?yàn)樾顭狍w孔邊長(zhǎng)(A)＞蓄熱體孔壁厚(B)＞煙氣入口速度(D)＞換向時(shí)間(F)＞煙氣入口溫度(E)＞蓄熱體長(zhǎng)度(C)；按各因素對(duì)壓力損失影響的顯著程度排序?yàn)樾顭狍w孔邊長(zhǎng)(A)＞煙氣入口速度(D)＞蓄熱體長(zhǎng)度(C)＞煙氣入口溫度(E)＞換向時(shí)間(F)＞蓄熱體孔壁厚(B).

表4 各因素對(duì)綜合換熱系數(shù)和壓力損失影響顯著性概率

隨著蓄熱體孔邊長(zhǎng)、換向時(shí)間增大，綜合換熱系數(shù)單調(diào)遞減.這是因?yàn)楫?dāng)蓄熱體孔邊長(zhǎng)增大時(shí)，流道截面積增大，蓄熱體孔壁面積與流道中的氣體體積之比減小，單位體積的氣體與蓄熱體孔壁接觸的面積減小，高溫?zé)煔馀c蓄熱體、蓄熱體與低溫空氣之間交換的熱量也減??；由于換向時(shí)間的延長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)高溫?zé)煔夂偷蜏乜諝馀c蓄熱體之間交換的熱量減少，即熱交換速率降低，因此綜合換熱系數(shù)都將減小.當(dāng)蓄熱體孔壁厚、蓄熱體長(zhǎng)度、煙氣入口速度、煙氣入口溫度增大時(shí)，綜合換熱系數(shù)單調(diào)遞增.這是由于蓄熱體孔壁厚的增大，使得參與熱交換的蓄熱體材料增多，單位時(shí)間內(nèi)氣體與蓄熱體交換的熱量也增大；蓄熱體長(zhǎng)度增大時(shí)，高溫?zé)煔夂偷蜏乜諝庠谛顭狍w中流過的長(zhǎng)度更大，高溫?zé)煔庀蛐顭狍w釋放的熱量更多、低溫空氣從蓄熱體吸收的熱量也更多，在換向時(shí)間不變的前提下，熱交換的速率增大，煙氣入口流速增大時(shí)（空氣入口流速也相應(yīng)增大），氣體與蓄熱體之間的對(duì)流換熱加劇，對(duì)流換熱速率增大、對(duì)流換熱系數(shù)增大；當(dāng)煙氣入口溫度升高時(shí)，高溫?zé)煔庀蛐顭狍w釋放的熱量增加，低溫空氣從蓄熱體中吸收的熱量也增加，在換向時(shí)間不變的前提下，熱交換的速率增大，因此綜合換熱系數(shù)都將增大.

隨著蓄熱體孔邊長(zhǎng)增大，壓力損失單調(diào)遞減.這是因?yàn)?，無論在吸熱期還是放熱期內(nèi)，當(dāng)蓄熱體孔邊長(zhǎng)增大時(shí)，流道截面積增大，蓄熱體孔壁面積與流道中的氣體體積之比減小，單位體積的氣體受到蓄熱體孔壁的摩擦減小，故壓力損失減小.當(dāng)蓄熱體孔壁厚、蓄熱體長(zhǎng)度、煙氣入口速度、煙氣入口溫度、換向時(shí)間增大時(shí)，壓力損失單調(diào)遞增.這是由于蓄熱體孔壁厚越大，則參與熱交換的蓄熱體材料越多，在蓄熱體吸熱期內(nèi)，高溫?zé)煔馔ㄟ^蓄熱體時(shí)向蓄熱體釋放的熱量更多，其溫度降低更多，壓降也更大；在蓄熱體放熱期內(nèi)，低溫空氣流經(jīng)蓄熱體時(shí)吸收的熱量更多，溫度和粘度增大；蓄熱體長(zhǎng)度增大時(shí)，氣體在蓄熱體內(nèi)流動(dòng)的距離均增大，受到蓄熱體孔壁摩擦力的作用距離增大；吸熱（或放熱）期內(nèi)，煙氣（或空氣）入口流速增大時(shí)，氣體受到蓄熱體孔壁的摩擦均增大；在蓄熱體吸熱期內(nèi)，由于煙氣入口溫度更高，煙氣向蓄熱體釋放的熱量更多，另外由于煙氣的粘度更大，增大了孔壁對(duì)煙氣的摩擦力和煙氣壓力損失；在蓄熱體放熱期內(nèi)，由于蓄熱體內(nèi)儲(chǔ)存的熱量更多，其向低溫空氣釋放的熱量也更多，使空氣在預(yù)熱后期具有更高的溫度和粘度，增大了孔壁對(duì)空氣的摩擦力和空氣壓力損失；由于換向時(shí)間的延長(zhǎng)，在蓄熱體吸熱期內(nèi)，高溫?zé)煔庀蛐顭狍w釋放的熱量更多，煙氣的溫度降低更多、壓降也越大；在蓄熱體放熱期內(nèi)，低溫空氣從蓄熱體中吸收了更多的熱量、在預(yù)熱后期具有更高的溫度和粘度，因此空氣受到蓄熱體孔壁的摩擦力增大，其壓力損失也隨之增大.綜合換熱系數(shù)和壓力損失隨各因素水平的變化趨勢(shì)見圖4、圖5.

圖4 綜合換熱系數(shù)隨各因素水平變化趨勢(shì)

3 確定較優(yōu)的蓄熱體結(jié)構(gòu)工況參數(shù)組合

由壓力損失與各因素的關(guān)系可知，使綜合換熱系數(shù)最大的各因素組合為A1B5C5D5E5F1，使壓力損失最小的各因素組合為A5B1C1D1E1F1.為達(dá)到綜合換熱系數(shù)盡可能大、壓力損失盡可能小的目標(biāo)，以下對(duì)各因素的較優(yōu)水平值進(jìn)行選取.

蓄熱體孔邊長(zhǎng)（A）增大會(huì)導(dǎo)致綜合換熱系數(shù)和壓力損失均增大.由于綜合換熱系數(shù)增大是有利的，而壓力損失增大卻是不利的，即兩者不可能同時(shí)達(dá)到最優(yōu).由于蓄熱體孔邊長(zhǎng)對(duì)兩者的影響均為最顯著的，而使壓力損失最小和綜合換熱系數(shù)最大的蓄熱體孔邊長(zhǎng)分別是最大和最小的水平值，故應(yīng)選取中間水平值A(chǔ)3，即3 mm.蓄熱體孔壁厚（B）增大導(dǎo)致綜合換熱系數(shù)和壓力損失均增大.由于蓄熱體孔壁厚對(duì)綜合換熱系數(shù)的影響極其顯著，對(duì)壓力損失的影響也顯著，故選取中間水平B3，即1.5 mm.蓄熱體長(zhǎng)度（C）增大時(shí)，綜合換熱系數(shù)和壓力損失都呈增大趨勢(shì).由于蓄熱體長(zhǎng)度對(duì)壓力損失的影響極其顯著，而對(duì)綜合換熱系數(shù)的影響不顯著，故按照使壓力損失最小的原則，選取C1，即200 mm.煙氣入口速度（D）增大時(shí)，綜合換熱系數(shù)和壓力損失均增大.由于蓄熱體孔邊長(zhǎng)對(duì)綜合換熱系數(shù)和壓力損失的影響都極其顯著，而使壓力損失最小和綜合換熱系數(shù)最大的蓄熱體孔邊長(zhǎng)分別是最小和最大的水平值，故應(yīng)選取中間水平值D3，即6 m/s.煙氣入口溫度（E）增大時(shí)，綜合換熱系數(shù)和壓力損失單調(diào)增大.由于煙氣入口溫度對(duì)兩者均影響顯著，可選取中間水平值E3，即1 300 K.換向時(shí)間（F）增大時(shí)，壓力損失單調(diào)增大、綜合換熱系數(shù)單調(diào)減小.若取F1，即10 s，可同時(shí)使壓力損失最小、綜合換熱系數(shù)最大.

綜上所述，較優(yōu)的蓄熱體結(jié)構(gòu)和工況組合為A3B3C1D3E3F1，即孔邊長(zhǎng)為3 mm，孔壁厚為1.5 mm，長(zhǎng)度為200 mm，煙氣入口速度為6 m/s，煙氣入口溫度為1 300 K，換向時(shí)間為10 s.由于該組合不在6因素5水平正交表內(nèi)，故進(jìn)行補(bǔ)充模擬試驗(yàn)，得出其壓力損失為608 Pa，綜合換熱系數(shù)為6.57 W/(m2·K).

4 結(jié)論

影響壓力損失的因素按顯著性從大到小為蓄熱體孔邊長(zhǎng)＞煙氣入口速度＞蓄熱體長(zhǎng)度＞煙氣入口溫度＞換向時(shí)間＞蓄熱體孔壁厚.

影響綜合換熱系數(shù)的因素按顯著性從大到小為蓄熱體孔邊長(zhǎng)＞蓄熱體壁厚＞蓄熱體長(zhǎng)度＞煙氣入口溫度＞換向時(shí)間＞蓄熱體長(zhǎng)度.

較優(yōu)的蓄熱體結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)組合為孔邊長(zhǎng)3 mm，孔壁厚1.5 mm，長(zhǎng)度200 mm，煙氣入口速度6 m/s，煙氣入口溫度1 300 K，換向時(shí)間10 s.其對(duì)應(yīng)的綜合換熱系數(shù)為6.57 W/(m2·K)，壓力損失為608 Pa.