蜂窩陶瓷蓄熱室內(nèi)氣體傳熱過程數(shù)值模擬研究

汪建新，王恩浩，吳啟明，江 華

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.北京鳳凰工業(yè)爐有限公司，北京 100083)

20世紀(jì)80年代被開發(fā)并廣泛推廣的蓄熱式燃燒技術(shù)[1]又被稱為高溫空氣燃燒技術(shù)，因其顯著的節(jié)能效果與特殊的燃燒過程，得到了國際工業(yè)爐領(lǐng)域的普遍應(yīng)用[2-4]。相比于傳統(tǒng)的燃燒方式，蓄熱式燃燒技術(shù)實現(xiàn)了超低NOx排放，緩解了環(huán)境污染問題。由于預(yù)熱空氣溫度可以達(dá)到1 000 ℃以上，排煙溫度普遍在200 ℃左右，在大幅提高燃料利用率的同時減少了燃料的損耗。常溫空氣被預(yù)熱到接近高溫?zé)煔獾臏囟龋諝馀c燃料可以在爐膛內(nèi)充分混合，實現(xiàn)貧氧燃燒。同時，加熱爐沒有預(yù)熱段，爐膛內(nèi)燃燒平緩、均勻，使鋼坯在爐內(nèi)被迅速加熱，縮短了工作時間，產(chǎn)品質(zhì)量相比其它燃燒方式有大幅提高[5]。

蓄熱室是工業(yè)爐中余熱回收的重要裝置[6-7]。蓄熱室內(nèi)規(guī)則地放滿蓄熱體， 為了減少熱量損失，并使蓄熱室擁有足夠的強(qiáng)度和氣密性，蓄熱室外側(cè)還采用耐火材料與鋼板覆蓋，蓄熱室結(jié)構(gòu)與參數(shù)以及蓄熱體材料與結(jié)構(gòu)是技術(shù)的關(guān)鍵。目前國內(nèi)普遍采用的蓄熱體有蜂窩陶瓷蓄熱體和陶瓷球蓄熱體等，阻力特性和換熱特性是蓄熱室的兩個重要的指標(biāo)，以蜂窩陶瓷蓄熱體為例：

(1)阻力特性[8]：是指通過蓄熱室的氣體與其相應(yīng)的阻力損失之間的關(guān)系。它是體現(xiàn)蓄熱室和蓄熱體工作性能的重要參數(shù)之一，直接影響到蓄熱室的設(shè)計和工業(yè)爐供風(fēng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)的選擇。蓄熱室內(nèi)的阻力損失與蓄熱體的高度和蓄熱室內(nèi)氣體空塔的流速成正比，與蓄熱體的孔徑成反比。

(2)換熱特性[9]：是指通過蓄熱室的氣體與蓄熱體間熱量轉(zhuǎn)移的關(guān)系。蓄熱室的換熱過程較為復(fù)雜，主要包括對流、輻射及傳導(dǎo)等非穩(wěn)態(tài)換熱過程。對于一定材質(zhì)的蓄熱體，綜合換熱系數(shù)隨蓄熱體孔徑的增大和換熱時間的增加而減小。

與傳統(tǒng)燃燒方式相比，蓄熱式燃燒技術(shù)余熱利用更加成熟，具有較大潛力和發(fā)展前景。雖然被廣泛推廣應(yīng)用，依然存在一些尚未有效解決的問題。對于蓄熱室，其作為儲熱裝置，在工作時被反復(fù)加熱和冷卻，既要承受疲勞熱應(yīng)力，又要經(jīng)受高速氣流沖刷，長期使用后易形成結(jié)構(gòu)變形、開裂或漏熱等故障。針對蓄熱室內(nèi)氣體傳熱過程的仿真研究，通過引入流體域和多孔介質(zhì)建立蓄熱室三維模型，分析其在傳熱過程中的導(dǎo)熱特點，得出蓄熱室工作時溫度、壓力的分布，深入了解氣體在蓄熱室內(nèi)的流通，從而進(jìn)一步探索蓄熱室出現(xiàn)故障的原因及規(guī)律。

1 工作過程

工業(yè)爐工作分為加熱期和冷卻期，原理如圖1所示：開始工作時，常溫空氣通過右側(cè)通道進(jìn)入蓄熱室1被高溫蓄熱體預(yù)熱，與燃料混合后經(jīng)右側(cè)燒嘴B噴出后燃燒，左側(cè)的燒嘴A用于排出煙氣，高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱室2內(nèi)將大部分熱量傳遞給蓄熱體完成熱量交換后以200 ℃左右的溫度排入大氣，到達(dá)換向時間后，換向裝置改變空氣與燃料的流動方向，常溫空氣進(jìn)入蓄熱室2被高溫蓄熱體預(yù)熱到較高溫度后，與燃料混合通過左側(cè)通道經(jīng)燒嘴A噴出燃燒，此時燒嘴B用于排出煙氣，高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱室1后將大部分熱量傳遞給蓄熱體后成為低溫?zé)煔馀欧诺酱髿鈨?nèi)，到達(dá)設(shè)定時間后再次換向，如此實現(xiàn)工業(yè)爐的連續(xù)運作。

圖1 蓄熱式燃燒器工作原理圖

蓄熱式燒嘴在工業(yè)爐中成對存在交替工作，當(dāng)一側(cè)的燒嘴用于加熱常溫空氣時另一側(cè)的燒嘴用于排出高溫?zé)煔?，常溫空氣?jīng)過換向閥進(jìn)入一側(cè)蓄熱室后，被預(yù)熱至接近蓄熱體的溫度，然后以較高溫度進(jìn)入到爐膛當(dāng)中，此時爐膛內(nèi)氧含量少空氣稀薄，高溫空氣與燃料混合后在貧氧環(huán)境下燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過另一側(cè)蓄熱室，將大部分熱量傳遞給蓄熱體后成為低溫?zé)煔獗慌懦觥?/p>

蓄熱室的結(jié)構(gòu)以某工業(yè)爐公司設(shè)計的半工業(yè)試驗蓄熱室為原型，使用的煤氣為熱值3 140 kJ/m3的高爐煤氣，蓄熱室內(nèi)填充的單塊蜂窩陶瓷蓄熱體尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，孔型是正六方形，孔數(shù)為23×20，孔徑4 mm，開孔率為64%，比表面積為608 m2/m3，空格寬度為2.45 mm，進(jìn)入蓄熱室的常溫空氣為288.15 K，進(jìn)入蓄熱室的高溫?zé)煔鉁囟葹? 423.15 K，空氣的預(yù)熱溫度可到1 273.15 K，陶瓷蓄熱體內(nèi)空氣流速為1.3 m/s，煙氣流速為1.6 m/s，燒嘴前空氣與高爐煤氣壓力不低于3.5 kPa，加熱爐的換向時間為70 s[10]。

由于蓄熱體數(shù)量較多，蓄熱室的內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜[11-12]，溫度變化十分劇烈，給計算帶來了很大的困難和不確定因素，為了減輕計算負(fù)擔(dān)，提高計算精度，將三維模型簡化為多孔介質(zhì)模型，簡化后的三維模型空隙率為64%，垂直于氣體流動方向的黏性阻力為無窮大。

2 假設(shè)條件

為了便于計算，做出以下假設(shè)[13]：

(1)進(jìn)入蓄熱室的氣體為理想氣體；

(2)將蜂窩陶瓷蓄熱體存在的區(qū)域簡化為多孔介質(zhì)；

(3)大氣壓強(qiáng)P0=101 325 Pa，常溫空氣T0=288.15 K；

(4)各個壁面封閉性良好且為非絕熱壁面，與外界存在能量交換但沒有物質(zhì)交換；

(5)垂直于氣體流動方向上的黏性阻力為無窮大。

3 有限元模型與邊界條件的確定和施加

1)湍流模型

由于采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量較好，能較好地滿足計算需求，湍流模型采用精度、可信度較高的SSTk-o模型。

2)輻射傳熱模型

輻射模型選擇精度較高DO模型，能夠求解大多數(shù)燃燒問題中的輻射問題，且對于計算機(jī)的要求比較適中。

3)邊界條件

進(jìn)口邊界條件：高溫?zé)煔夂统乜諝獾倪M(jìn)口速度、溫度以及組分各占體積分?jǐn)?shù)值的給定。湍流模型的變量， 指定進(jìn)口的水力直徑，湍流強(qiáng)度值為5%。

出口邊界條件：采用壓力出口邊界條件， 給定出口值為-3.5 kPa。

在加熱期期間，高溫?zé)煔鉃閭鳠峤橘|(zhì)，進(jìn)口類型為velocityinlet，出口類型為outflow；在冷卻期期間，常溫空氣為傳熱介質(zhì)，進(jìn)口類型為velocityinlet，出口類型為pressureoutlet。各計算域之間用interface接口連接用于數(shù)據(jù)傳輸。

4)網(wǎng)格劃分及數(shù)值計算

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，網(wǎng)格的質(zhì)量是模擬計算能否成功的關(guān)鍵，它對于結(jié)果的準(zhǔn)確性、收斂性和計算速度等至關(guān)重要[14]。網(wǎng)格數(shù)量的多少和質(zhì)量的高低對計算精度和計算速度起著決定性作用。本文使用solidworks創(chuàng)建物理模型，使用ICEM劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，應(yīng)用了“O”型網(wǎng)格生成技術(shù)添加邊界層網(wǎng)格，y+值在40～150，滿足湍流方程的需求。整個計算區(qū)域總網(wǎng)格數(shù)量接近250萬，網(wǎng)格質(zhì)量較好且全部在0.57以上，求解器選用segregated solver，采用coupled算法和二階迎風(fēng)格式，標(biāo)準(zhǔn)湍流模型的殘差小于10-4。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 壓力分布

由圖2可以看出，隨著燃燒器爐膛溫度的不斷升高，蓄熱室內(nèi)部的壓力也隨之升高。蓄熱室內(nèi)的壓力分布大致可分為四個梯度，沿著蓄熱室的長度方向逐漸降低，負(fù)壓升高，煤氣出口處鼓風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓為3.5 kPa，由圖2知，隨著蓄熱室減小出口壓力，蓄熱室內(nèi)部的壓力也隨之下降。相比于出口壓力，煤氣入口壓力約為600 Pa，到達(dá)第一層蓄熱體時的壓強(qiáng)約為100 Pa，到達(dá)最后一層蓄熱體時的壓強(qiáng)約為-300 Pa，平均每層蓄熱體的壓降約為40 Pa，因此，經(jīng)過十層蓄熱體排煙，蓄熱室總的壓力損失約為400 Pa。

圖2 蓄熱室壓力分布圖

4.2 溫度分布

在傳熱初期，隨著爐膛溫度的升高和氣體流動速度的加快，蓄熱室內(nèi)的溫度隨之不斷升高。當(dāng)工業(yè)爐進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)時，蓄熱室內(nèi)溫度分布如圖3所示。蓄熱式燃燒器經(jīng)過前、后兩個周期的不斷交替運行后，蓄熱室內(nèi)的溫度也逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，由圖3知，高溫?zé)煔馊肟谔幍臏囟仍? 400 K左右，常溫空氣入口處的溫度在500 K左右，與實際情況較為符合；蓄熱室兩端的溫度略高于蓄熱體的溫度。溫度在蓄熱體內(nèi)的溫度分布較為均衡，沿蓄熱室長度方向的蓄熱體受熱較為均勻，在接近蓄熱室四周內(nèi)壁的區(qū)域溫度略高于其他地方。

圖3 蓄熱室溫度分布圖

4.3 形 變

蓄熱室形變分布圖如圖4所示。在流固耦合中，將蓄熱室的材料設(shè)置為硅[15]，整個蓄熱室的應(yīng)變由下到上呈扇形逐漸增大，形變最大的地方出現(xiàn)在高溫?zé)煔馊肟谏戏降闹苯翘?，形變的最大值約為0.28 mm，收縮百分比為0.05%，應(yīng)變最小值出現(xiàn)在蓄熱室的底部，應(yīng)變幾乎為0，蓄熱室頂端四個直角處的應(yīng)變大于中間區(qū)域。

圖4 蓄熱室形變分布圖

5 結(jié) 論

(1)蓄熱室的高溫?zé)煔馊肟谔帀毫ψ畲?，大致分為四個梯度，沿著蓄熱室長度方向逐漸降低，蓄熱室總的壓力損失約為400 Pa。

(2)溫度最高的地方出現(xiàn)在高溫?zé)煔馊肟诟浇?，約為1 400 K，溫度最低的地方出現(xiàn)在常溫空氣入口附近，約為500 K，蓄熱室兩端及內(nèi)壁區(qū)域溫度高于其他地方。

(3)形變最大的地方出現(xiàn)在高溫?zé)煔馊肟陧敳康膬蓚€直角處，約為0.28 mm，收縮百分比為0.05%，應(yīng)變最小值出現(xiàn)在蓄熱室的底部，幾乎為0。