具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體傳熱分析

徐靜文， 匡 蕘

(東南大學(xué) 江蘇省太陽(yáng)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096)

在太陽(yáng)能熱電站[1]、乏風(fēng)瓦斯發(fā)電系統(tǒng)[2-3]中，蓄熱體是最關(guān)鍵的傳熱部件。蓄熱體和氣體在流道內(nèi)完成熱交換后產(chǎn)生高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔饫^續(xù)供給余熱發(fā)電鍋爐從而將熱能轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)的電能[4]。蓄熱體的傳熱性能影響高溫?zé)煔獾漠a(chǎn)生效率和質(zhì)量，因此對(duì)蓄熱體傳熱性能進(jìn)行優(yōu)化，能夠帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。

陶瓷蜂窩蓄熱體因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、使用成本低等特性而被廣泛應(yīng)用，但是仍存在某些局限。陶瓷蜂窩蓄熱體普遍使用縱掠結(jié)構(gòu)[5-6]，氣體在筆直的流道中受到的擾動(dòng)較弱，換熱較慢。若使用較大氣體流速會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，氣體在尚未充分加熱時(shí)就會(huì)被排出。陶瓷蜂窩蓄熱體常采用較小的蜂窩孔徑(1.5～4.0 mm)[7]，其內(nèi)部流道單一且狹窄，氣體在流道內(nèi)的流阻較大。在狹窄的流道中，氣體以較高的速度流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的壓降。為了在可承受的壓降范圍內(nèi)達(dá)到較好的傳熱效果，氣體的入口流速一般控制在0.2～2.6 m/s[8]。GOSIEWSKI K等[9]在使用3 mm孔徑的陶瓷蜂窩蓄熱體時(shí)，采用0.823 m/s的氣體流速，壓降已達(dá)近2 000 Pa，若繼續(xù)增大流速會(huì)使得壓降急劇增大而超出合理范疇。流速受限使得陶瓷蜂窩熱力氧化器在單位時(shí)間內(nèi)的氣體處理量不大。

綜上，陶瓷蜂窩蓄熱體在具有較高的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，仍存在如下缺陷：

(1) 采用縱掠結(jié)構(gòu)，對(duì)氣體擾動(dòng)較弱,換熱較慢，限制了氣體的流速。

(2) 采用狹窄且單一的流道，導(dǎo)致壓降過(guò)大，限制了氣體的流速。

筆者針對(duì)上述兩項(xiàng)問(wèn)題，提出了一種具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體。纖維束器件群以橫掠的方式進(jìn)行安裝固定，混合流道中的次級(jí)流道負(fù)責(zé)與氣體進(jìn)行快速換熱，主流道負(fù)責(zé)將換熱完成的氣體快速排出。筆者通過(guò)數(shù)值模擬分析了纖維束排列方式、流道間距等對(duì)該蓄熱體傳熱性能的影響。

1 蓄熱體物理模型

1.1 蓄熱體材料

玄武巖材料屬于非晶體，在高溫下會(huì)熔融成玻璃態(tài)，易被拉絲成纖維。此外，玄武巖耐熱性能好，具有較高的比熱容和優(yōu)秀的力學(xué)性能[10]。因此，筆者選擇玄武巖材料作為制作蓄熱體中纖維束的原材料。

大量細(xì)小的玄武巖纖維絲可通過(guò)加捻的方式組合在一起構(gòu)成直徑為d的玄武巖纖維束。在蓄熱體中，玄武巖纖維束的兩端需要被固定，使其張緊。以纖維為基本單元的編織型器件是典型的低維度器件，每根纖維絲的尺度小，畢渥數(shù)低，其導(dǎo)熱熱阻可以忽略不計(jì)，熱量損失小。當(dāng)氣體流經(jīng)纖維束表面時(shí)，大量纖維束對(duì)氣體進(jìn)行切割、擾動(dòng)，從而達(dá)到較好的傳熱效果。

1.2 蓄熱體結(jié)構(gòu)

玄武巖纖維束以叉排或者順排的方式排成的纖維束器件群見(jiàn)圖1。每個(gè)纖維束器件群以叉排的排列方式進(jìn)行排列，構(gòu)成了玄武巖纖維束蓄熱體(見(jiàn)圖2)。

圖1 玄武巖纖維束器件群結(jié)構(gòu)立體圖

圖2 玄武巖纖維束蓄熱體結(jié)構(gòu)立體圖

為了同時(shí)兼顧減小流動(dòng)阻力與強(qiáng)化傳熱效果的目的，采用混合流道結(jié)構(gòu)。纖維束器件群的內(nèi)部由各個(gè)細(xì)小的纖維束劃分成大量小流道，構(gòu)成次級(jí)流道。次級(jí)流道的間隙小，其內(nèi)氣體能夠和玄武巖纖維進(jìn)行快速換熱，但次級(jí)流道內(nèi)流阻較大。因此，額外增設(shè)一個(gè)低流阻的主流道。纖維束器件群之間的間隙較大，構(gòu)成一個(gè)低流阻的主流道，可以用于快速排出次級(jí)流道內(nèi)已完成流固表面換熱的氣體。

1.3 蓄熱體二維模型

在模擬分析中，假設(shè)氣體受到的重力影響可以忽略不計(jì)。玄武巖纖維束蓄熱體結(jié)構(gòu)平面圖見(jiàn)圖3。其中，S1為相鄰兩個(gè)纖維束垂直于氣體流動(dòng)方向的距離，S2為相鄰兩個(gè)纖維束平行于氣體流動(dòng)方向的距離，S1和S2為待優(yōu)化參數(shù)。由于蓄熱室內(nèi)結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性和重復(fù)性，使用圖3(a)所示的截面進(jìn)行模擬分析和論證。

圖3 玄武巖纖維束蓄熱體結(jié)構(gòu)平面圖

在圖3(a)中，氣體自左向右流動(dòng)，30排纖維束器件群以叉排方式排列，每個(gè)纖維束器件群由19列纖維束組成。由于對(duì)稱(chēng)性，只需使用一半上下兩層叉排排列的纖維束器件群進(jìn)行模擬分析和論證。圖3(b)給出了以叉排排列的纖維束構(gòu)成的纖維束器件群的半截面，圖3(c)給出了以順排排列的纖維束構(gòu)成的纖維束器件群的半截面。

兩個(gè)相鄰纖維束器件群在平行于氣體流動(dòng)方向的距離等于每個(gè)纖維束器件群的平行于氣體流動(dòng)方向的軸長(zhǎng)，兩個(gè)相鄰纖維束器件群在垂直于氣體流動(dòng)方向的距離等于每個(gè)纖維束器件群的垂直于氣體流動(dòng)方向的軸長(zhǎng)。

2 數(shù)值計(jì)算

玄武巖纖維向氣體的放熱過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程。模擬過(guò)程中，選擇空氣作為受熱流體，玄武巖纖維的初始溫度為1 030 K，空氣的初始溫度為298 K，蓄熱體入口處氣體的流速為2 m/s。在每個(gè)纖維束旁設(shè)置一條監(jiān)控線(xiàn)來(lái)測(cè)量次級(jí)流道中的氣體流速，在出口處設(shè)置一條監(jiān)控線(xiàn)來(lái)測(cè)量氣體的出口溫度。采用瞬態(tài)分析法對(duì)放熱過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算持續(xù)1 000 s?？諝夂托鋷r的物性參數(shù)見(jiàn)表1和表2，其中，t代表熱力學(xué)溫度，K。

表1 空氣物性參數(shù)

表2 玄武巖物性參數(shù)

模擬過(guò)程中，纖維束的直徑為3 mm，纖維束器件群的排列方式固定為叉排排列，每條流道內(nèi)，纖維束器件群的排數(shù)為30。在纖維束器件群中，纖維束之間的間距和纖維束的排列方式由模擬分析確定。若纖維束器件群內(nèi)纖維束叉排排列，每列纖維束數(shù)量分別為5、10、13、14、17、18、17、18、19、18、19、18、17、18、17、14、13、10、3；若纖維束器件群內(nèi)纖維束順排排列，每列纖維束數(shù)量分別為5、9、13、15、15、17、17、19、19、19、19、19、17、17、15、15、13、9、5。

蓄熱體的熱量傳遞給氣體，當(dāng)氣體溫度高于溫度閾值時(shí)，可認(rèn)為該高溫氣體可用于余熱鍋爐發(fā)電。此處定義有效放熱熱量為被加熱后溫度超過(guò)675 K的這部分氣體所接收到的來(lái)自蓄熱體的總熱量；定義有效放熱時(shí)間為蓄熱體排出氣體溫度高于675 K的總時(shí)間；定義平均有效放熱功率為有效放熱熱量和有效放熱時(shí)間的比值。在圖3(a)所示的二維模型的模擬過(guò)程中，能量及功率的計(jì)算都以0.5 m的纖維束進(jìn)行換算。定義次級(jí)流道中大于2 m/s流速占比為次級(jí)流道的監(jiān)控線(xiàn)上的平均流速大于2 m/s的監(jiān)控線(xiàn)數(shù)量占總監(jiān)控線(xiàn)數(shù)量的百分比。

3 結(jié)果與分析

3.1 纖維束排列方式對(duì)傳熱的影響

圖4為5種相鄰纖維束間距方案下的平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間，其中各方案的相鄰纖維束間距設(shè)置由表3給出。

圖4 不同方案的平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間

表3 不同方案相鄰纖維束間距設(shè)置

由圖4可以看出：纖維束器件群中纖維束的排列方式對(duì)平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間的影響較?。欢噜徖w維束間距變化對(duì)平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間有顯著影響。因此，在尋找具有最優(yōu)傳熱效果蓄熱體結(jié)構(gòu)參數(shù)配置時(shí)，可以將纖維束器件群中的纖維束固定為順排方式排列。

3.2 纖維束間距對(duì)傳熱影響

圖5為在固定纖維束器件群中的纖維束為順排排列，固定S1為7.2 mm，不同S2工況下的平均有效放熱功率和放熱時(shí)間的變化。由圖5可以看出：S2的變化對(duì)于平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間的影響較小(10%以?xún)?nèi))。因此，可以在工程制作中允許的間距范圍內(nèi)，選擇較小的S2，以保證蓄熱體具有較小的體積。

圖5 不同S2工況下平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間

圖6為在固定纖維束為順排排列，固定S2為4.2 mm，不同S1工況下的平均有效放熱功率和放熱時(shí)間的變化。

由圖6可以看出：當(dāng)S1增大時(shí)，平均有效放熱功率顯著增大；平均有效放熱功率越大，有效放熱時(shí)間越短。這表明在具有相同熱量的蓄熱體和氣體進(jìn)行傳熱時(shí)，平均有效放熱功率越大，有效放熱時(shí)間也會(huì)隨之縮短，可以更快地完成放熱，傳熱效果越好。當(dāng)S1增大的同時(shí)，安裝相同數(shù)量纖維束的蓄熱體的體積也會(huì)隨之增大。因此，需要在體積允許的范圍內(nèi)，通過(guò)增大S1來(lái)獲得更好的傳熱效果。

圖6 不同S1工況下平均有效放熱功率和有效放熱時(shí)間

通過(guò)上述模擬結(jié)果可知，當(dāng)纖維束器件群中的纖維束以順排方式排列，S1取7.2 mm、S2取4.2 mm時(shí)，具有混合流道的纖維束蓄熱體可以獲得較好的傳熱效果。

3.3 次級(jí)流道氣體流速與傳熱效果的關(guān)系

圖7給出了不同工況下，平均有效放熱功率和次級(jí)流道中氣體流速占比，其中各方案的相鄰纖維束間距設(shè)置見(jiàn)表3。由圖7可以看出：次級(jí)流道中流速大于2 m/s的氣體占比越高，則平均有效放熱功率越大。這表明，次級(jí)流道的氣體流通狀態(tài)影響了傳熱的快慢，當(dāng)次級(jí)流道中氣體處于高流速的占比越小，次級(jí)流道越阻塞，越不利于強(qiáng)化傳熱。

圖7 不同方案的平均有效放熱功率和次級(jí)流道流速關(guān)系

3.4 蓄熱體性能比較

纖維束器件群中纖維束以順排排列，S1取7.2 mm、S2取4.2 mm，蓄熱體的總長(zhǎng)度為2.36 m，總體積為0.156 m3。當(dāng)入口氣體流速為4 m/s時(shí)，單位長(zhǎng)度蓄熱體的壓降為882 Pa。文獻(xiàn)[9]中的陶瓷蜂窩蓄熱體使用3 mm孔徑，蓄熱體總長(zhǎng)度2 m，總體積為0.405 m3。當(dāng)入口氣體流速為0.823 m/s時(shí)，其單位長(zhǎng)度蓄熱體的壓降已經(jīng)接近1 000 Pa。該玄武巖纖維束蓄熱體的有效傳熱效率為78.3%，而文獻(xiàn)[1]中的陶瓷蜂窩蓄熱體有效傳熱效率小于60%。因此，該玄武巖纖維束蓄熱體在保證較小的壓降和有效傳熱效率的同時(shí)，可以使用更大的氣體流速。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體的傳熱性能進(jìn)行的模擬分析，可以得到以下結(jié)論：

(1) 在不同的間距方案中由排列方式的變化所帶來(lái)的有效放熱功率相差不大，但各有優(yōu)劣。因此，可在選定間距方案后再根據(jù)模擬結(jié)果選擇合適的排列方式。

(2) 具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體的傳熱效果隨S2的增大而輕微增大，在實(shí)際應(yīng)用中可選取較小的S2，以保證較小的蓄熱體體積。

(3) 通過(guò)增大纖維束器件群的S1，可以獲得顯著增高的平均有效放熱功率，在體積允許的前提下，可選取較大的S1。

(4) 具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體的次級(jí)流道中高流速氣體的占比和蓄熱體傳熱效果呈正相關(guān)。

(5) 具有混合流道的玄武巖纖維束蓄熱體相比于傳統(tǒng)陶瓷蜂窩蓄熱體，在保證有效傳熱和壓降的前提下，能使用較大的氣體流速，具有更高的有效傳熱效率。