薄壁蓄熱器結構參數(shù)對傳熱性能的影響

薄壁蓄熱器結構參數(shù)對傳熱性能的影響

1蓄熱器傳熱過程的數(shù)學解析低氧高溫空氣燃燒具有能耗和低nox排放雙重優(yōu)越的優(yōu)勢。它是一種在特定低氧高溫條件下,以燃氣自燃為前提條件,燃燒區(qū)分散、燃燒點彌散、燃燒過程延時性可控的一種新型燃燒,本文稱之為低氧彌散燃燒。這種燃燒的技術優(yōu)勢較大程度取決于蜂窩陶瓷蓄熱器切換周期取值的合理性。顯然,蓄熱器切換周期的選擇,須考慮其相對溫度高,且能有利于爐內(nèi)低氧燃燒條件的形成?？s短切換周期,可提高切換過渡時間在整個切換周期中所占的比例,從而強化爐內(nèi)滯留的煙氣稀釋空氣含氧體積濃度的效果。把握蓄熱器傳熱性能的變化規(guī)律,特別是最大相對溫度和相應的切換時間,是開發(fā)這種燃燒技術的關鍵。日本研發(fā)的蜂窩陶瓷蓄熱器,氣流通道邊長約2.8～3.0mm,壁厚0.4～1.0mm,運行中切換周期短且相對溫度高,實現(xiàn)了高效節(jié)能和爐內(nèi)低氧燃燒的和諧統(tǒng)一,因而得到廣泛應用。我國先后經(jīng)歷了跟蹤并推廣高效蓄熱概念,用數(shù)值法和實驗法驗證蓄熱器優(yōu)良的熱工性能,及蓄熱器結構優(yōu)化設計等階段。由于研究方法的限制,加上受傳統(tǒng)蓄熱經(jīng)驗的影響,報道的蜂窩蓄熱器最大相對溫度大小不一,最佳切換時間維持在30～40s水平,與國際先進水平相比差距明顯。蜂窩蓄熱器壁薄到氣流通道內(nèi)對流換熱熱阻遠大于固體內(nèi)部導熱熱阻的程度,本文稱之為薄壁蓄熱器。用數(shù)學解析法研究蓄熱器傳熱過程,能高效、經(jīng)濟和便捷地獲得實質性規(guī)律。Klein在薄壁蓄熱、平衡對稱(兩氣流水當量相等)、快速切換(切換周期τ0→0)假設下,將氣固溫度分布函數(shù),簡化成關于切換時間的泰勒級數(shù),并將一階近似解和數(shù)值計算結果進行對比,未能證實存在最大相對溫度現(xiàn)象。國內(nèi)蓄熱器傳熱數(shù)學解析研究只局限于陶瓷球蓄熱器。薄壁蓄熱器傳熱數(shù)學解析研究報道少,以解析規(guī)律為依據(jù)進行其優(yōu)化設計和運行,和有關最大相對溫度和最佳切換時間的系統(tǒng)的定量研究更是少見。本文在對蓄熱器非穩(wěn)態(tài)傳熱半解析數(shù)值解的基礎上,研究蓄熱器結構參數(shù)—壁厚、通道內(nèi)周長和通道長度變化對蓄熱器傳熱性能的影響,論證最大相對溫度所要求的切換周期條件,和蓄熱器以最優(yōu)工況(同時達到最大相對溫度和最佳切換時間的要求)運行的可行性,為縮短我國蓄熱燃燒技術與國際前沿的差距創(chuàng)造條件。2蓄熱器氣固溫度分布解析變量以下簡稱《蓄熱器氣流分布均勻且為穩(wěn)流。取厚0.5δ的環(huán)形固體和通道內(nèi)氣流為研究對象,固體外側與外界絕熱。沿垂直于流動方向λsr=∞,沿長度方向λsx≠0。氣體為理想氣體。λf忽略不計,熱物性參數(shù)、氣固綜合傳熱系數(shù)和氣流進口溫度為常數(shù)。對煙氣放熱,坐標原點為煙氣進口處。對煙氣放熱,取x處的dx微元段(見圖1)分析,氣固換熱滿足:SρScp,S?ts?τ-SλS?2ts?x2=Uα(ty-ts)Aρyuycp,y?ty?x=-Uαy(ty-ts)SρScp,S?ts?τ?SλS?2ts?x2=Uα(ty?ts)Aρyuycp,y?ty?x=?Uαy(ty?ts)邊界條件為:ty(0?τ)=ty0??ts(0?τ)?x=?ts(L?τ)?x=0ty(0?τ)=ty0??ts(0?τ)?x=?ts(L?τ)?x=0;初始條件為:ts(x,0)=f(x)對空氣預熱,氣流流向相反,固體能量方程式只差一個負號,滿足ta(L,τ)=taL。式中:f(x)—初始時ts連續(xù)函數(shù);cp—定壓比熱容,kJ/(kg.K)或kJ/(m3.K);S—固體截面積,m2;A—通道截面積,m2;λ—導熱系數(shù),kJ/(m.K);α—氣固綜合傳熱系數(shù),kJ/(m2.K);ρ—密度,kg/m3;U—通道內(nèi)周長;L—通道長度,m;u—氣流速度,m/s。下標y—煙氣;a—空氣;s—固體。引入無量綱變量θ=αUτSρScp,Sθ=αUτSρScp,S、X=xLX=xL和W=ts-taLty0-taLW=ts?taLty0?taL,常數(shù)λ=λSSαUL2λ=λSSαUL2和k=αULAρfucpfk=αULAρfucpf,f為空氣?？紤]到方程中固體導熱項系數(shù)較小,可用漸近分析法求取蓄熱器氣固溫度分布解析式,再進行編程,可迅速獲得其近似解,求得的固體溫度分布為:W(x,θ)=1+e-θ×{h(X)+k∫X0[h(X-u)e-kudΙ0(2√kuθ)du]du}+√λ?{ke-θ[(f(0)-1)Η(X,θ)-f(1)Κ(X,θ)+e-kΜ(X?θ)+2k2Ν(X?θ)*∫10f(1-u)ue-kuΙ1(2√kθu/(2√kθu)du)]}W(x,θ)=1+e?θ×{h(X)+k∫X0[h(X?u)e?kudI0(2kuθ???√)du]du}+λ√?{ke?θ[(f(0)?1)H(X,θ)?f(1)K(X,θ)+e?kM(X?θ)+2k2N(X?θ)*∫10f(1?u)ue?kuI1(2kθu???√/(2kθu???√)du)]}式中:Η(X?θ)=erfc(X2√λθ)*sin√2kXθ√0.5πkXΚ(X,θ)=erfc(1-X2√λθ)*sinh√2k(1-X)θ√0.5πk(1-X)Μ(X?θ)=erfc(1-X2√λθ)*sinh√2k(3-X)θ0.5π(3-X)h(X)=f(X)-1Ν(X?θ)=erfc(1-X2√λθ)*[Ρ(X?θ)-∫θ0Ρ(X?u)du]Ρ(X?θ)=sinh√2k(1-X)θ√0.5πk(1-X)式中:I0、I1—零階、一階變形貝塞爾函數(shù);erfc—余誤差函數(shù);*—時間卷積。蓄熱器非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學解析結果很復雜,需借助matlab功能求出氣固溫度分布數(shù)值解。蓄熱器相對溫度定義為:ηt=[∫2τ00ta0dτ/(2τ0)-taL]/(ty0-taL)×100%3opt的變化固定氣體流量及成份和固體材質,變化壁厚、通道長度或內(nèi)周長,可計算出各個切換時間所對應的周期平均相對溫度,從而可分析相對溫度的變化規(guī)律。計算條件為冷氣流(O210.0%、H2O8.1%和CO26.1%)流量為135.6m3/h,熱氣流(O22.554%、H2O13.62%和CO210.21%)流量為139.6m3/h,固體材質為Al2O3,兩蓄熱室各有6912個通道。固定通道邊長和長度,不同壁厚條件下相對溫度隨切換周期變化而變化的規(guī)律如圖2所示。由圖2可知,對應于不同的壁厚值,存在最大相對溫度和相對應的最佳切換時間。δ加厚,出現(xiàn)ηtmax所對應的τ0opt明顯變長,壁厚δ是影響τ0opt的重要參數(shù)。δ單位為mm,τ0opt單位為s,圖2中9條曲線的最高點所對應的τ0opt和相應的δ可用τ0opt=2.425δ+1.804關聯(lián)。隨δ的加大,ηtmax在89.8%～90.6%之間變化,可認為ηtmax與δ關聯(lián)不大。在δ=0.5～1mm時,縮短切換時間到2.5s左右,能實現(xiàn)好的節(jié)能效果,且實現(xiàn)以爐內(nèi)煙氣滯留稀釋空氣為主的低氧彌散燃燒。固定通道邊長和壁厚,不同通道長度條件下得到的相對溫度隨切換周期變化而變化的規(guī)律如圖3所示。由圖3可知,加長L,對應于ηtmax的τ0opt從2.3s增加到4.8s,變化幅度不大,可認為τ0opt與L關聯(lián)性不大。隨L的增加,ηtmax將接近于1。L減小,ηtmax下降。故L存在一個合適范圍。低于下限值,將不出現(xiàn)真正的ηtmax;高于上限值,ηtmax提高的效果不明顯。L單位為mm,ηtmax單位為%,圖3中10條曲線的最高點ηtmax與L可用ηtmax=0.0174L+86.8421關聯(lián)。L固定時,ηt隨τ0的變化是先增大后減少。τ0過短時,固體加熱不足,而τ0過長時,固體冷卻過度,兩方面都會使ηt下降。經(jīng)過此峰值后,ηt隨L減小而線性下降。L越短,ηt下降速度越慢。對較短的L,ηt變化平緩;對較長的L,ηt變化明顯。當τ0在τ0opt附近時,長蓄熱器相對溫度高;當τ0偏離τ0opt較遠時,短蓄熱器相對溫度高。固定通道長度和壁厚,不同通道內(nèi)周長條件下得到的相對溫度隨切換周期的變化如圖4所示。由圖4可知,當內(nèi)周長較大時,隨著內(nèi)周長的減少ηtmax緩慢減少,而通道內(nèi)周長較小時ηtmax明顯減少,特別是在內(nèi)周長減少到0.7mm時,出現(xiàn)固體加熱不足而直接過冷現(xiàn)象。變化內(nèi)周長,出現(xiàn)ηtmax的η0opt小于2.5s,沒有引起τ0opt的明顯改變。與相同特征長度(邊長或直徑)的三角形、正方形和圓形通道比較而言,正方形通道的ηtmax會稍高,但τ0opt相差不大。4tmoa的曲線趨勢在應用壁厚0.5～1mm蜂窩蓄熱體的低氧彌散燃燒工業(yè)試驗中,日本歸納出如圖5所示的蓄熱器傳熱性能和τ0關系曲線。Q/(2τ0)=Gacpa∫2τ00(ta0-taL)dτ/(2τ0)。設Gacpa、taL、ty0為常數(shù),并設常數(shù)k=Gacpa(ty0-ta1),結合ηt定義,則:Q/(2τ0)=k[∫2τ00(ta0-taL)dτ/(2τ0)]/(ty0-taL)=k[∫2τ00ta0dτ/(2τ0)-taL]/(ty0-taL)=k?ηt這樣,Q/(2τ0)和ηt隨τ0變化是一致的,大小成正比。圖5中傳熱速度最大工況就是ηtmax工況。故存在ηtmax,對應的τ0opt約為10s;ηt曲線趨勢和圖2～圖4是一致的;但延長τ0時,圖5的ηt急劇下降,沒有體現(xiàn)出實際的ηt緩慢下降特征。日本使用壁厚1mm的蓄熱器,將τ0縮短至4s,達到了爐內(nèi)低氧燃燒和為高溫氣化中試