多孔介質(zhì)燃燒_換熱器內(nèi)燃燒和傳熱的數(shù)值模擬_圖文

1、第 25卷第 6期 2010年 11月熱 能 動 力 工 程J OURNAL OF ENG I N EER ING FOR THERMA L ENERGY AND POW ERVo. l 25, No . 6N ov . , 2010收稿日期 :2009-09-23; 修訂日期 :2010-02-25基金項目 :遼寧省教育廳科學(xué)研究 計劃基 金資助 項目 (2008491; 遼 寧省博 士啟動 基金資 助項目 (20081073; 國家自 然科 學(xué)基 金資 助項目(50476073(, , .文章編號 :1001-2060(2010 06-0648-05多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器內(nèi)燃燒和傳熱的數(shù)值

2、模擬徐有寧 1, 史俊瑞 1, 解茂昭 2, 薛治家1(1. 沈陽工程學(xué)院 沈陽市循環(huán)流化床燃燒技術(shù)重點試驗室 , 遼寧 沈陽 110136;2. 大連理工大學(xué) 能源與動力學(xué)院 , 遼寧 大連 116024摘 要 :通過建立二維數(shù)值模型研究了多孔介質(zhì)燃燒 -換熱 器內(nèi)的燃燒和傳熱 。 研究系統(tǒng) 配置對 燃燒 -換熱 器熱效 率 和壓力降的影響 。 結(jié)果表明 , 換熱管的縱向距離對燃燒 器內(nèi) 溫度分布 、 傳熱速率和壓力損失有顯著的影響 。 減小換 熱管 縱向距離 , 熱效率和壓力 損失增 大 , 而 換熱管 的水 平距離 對 熱效率和壓力損失的 影響很小 。 另外 , 增大小球直徑導(dǎo) 致熱 效

3、率增大和壓力損 失的急 劇減小 。 數(shù) 值模型 的有 效性通 過 實驗進行驗證 。 關(guān)鍵詞 :多孔介質(zhì) ; 燃 燒 換熱 器 ; 二維 單溫 模 型 ; 傳熱 ;壓力損失 ; 溫度中圖分類號 :TK411. 1 文獻標識碼 :A引 言將多孔介質(zhì)燃燒器和換熱器集成于一體的多孔 介質(zhì)燃燒 -換熱器 , 具有 功率調(diào)節(jié)范圍 大、 結(jié)構(gòu)緊 湊、 熱效率高 和污 染物排 放低等 優(yōu)點13。 Tri m i s和 Durst 設(shè)計的多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器 1, 比同功率常規(guī)換熱器體積縮小了 20倍 , 負荷調(diào)節(jié)為 1 20, 在過量空氣系數(shù)為 1. 11. 8時 , 煙氣排放中 CO 體 積分數(shù)小于 10

4、-5, NO x 體積分數(shù)為 (220 10-6。 X i o ng 等人實驗研究了多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器的燃燒穩(wěn)定性、 傳熱速率和污染物排放 23。 M a lico 等 人以文獻 1為原型 , 將螺旋形盤管簡化為換熱器 區(qū)域4, 應(yīng)用二維模型和簡化機理研究了燃燒和污染物的形成。在 M oha m ad 等人的分析中 5, 將圓形換熱管簡化為方形 , 因此預(yù)測的管壁附近的流場和壓力分布與實際有較大的差異。為了最大限度回收燃燒器出口蓄積的熱量 , 研 究者又開發(fā)了往復(fù)流多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器 69。Con tari n 等人將換熱器嵌 入到燃燒器兩端6, 組織了當(dāng)量比為 0. 11的甲烷 /空

5、 氣穩(wěn)定燃燒 , 熱效率達 70%80%。隨后 , Con tari n 等人研究了往復(fù)流 多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器 7, 但模型中沒有考慮換熱器的具體形狀。與文獻 6換熱器布置方 式不同 , Jug jai 等人將換熱器布置于中間區(qū)域89, 預(yù)混氣體可單向或往復(fù)流動。另外 , 程樂鳴研究組實驗研究了多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器 10。本研究以 X i o ng 等人的多孔 介質(zhì)燃燒 -換熱器 結(jié)構(gòu)為 原型 2, 考 慮換 熱器 的具體 形 式 , 通過二維單溫模 型 , 分析燃 燒 -換熱器 內(nèi)的溫 度、 流場和壓力損失等。通過數(shù)值計算 , 研究換熱管 中心距和填充床小球直徑對熱效率和壓力損失的影

6、響 , 為多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器的優(yōu)化設(shè)計和開發(fā)提 供指導(dǎo)。模型的有效性通過實驗進行驗證。1 數(shù)值模擬1. 1 問題描述考慮到換熱管的對稱布置 23, 為控制計算成本 , 只取其中一部分代表整個二維平面作為計算域 , 如圖 1所示 , 其余部分關(guān)于 y =0和 y =12. 7mm 兩 側(cè)對稱。燃燒器內(nèi)填充了直徑為 6mm 的氧化鋁小 球 , 在燃燒器下游嵌入兩根直徑為 12. 7mm 的換熱 管。為防止回火 , 將燃燒控制在隔火管的下游 , 在入 口嵌入 直徑 較小的 隔火 管。需 要指 出的 是 , 文 獻 2對隔火管未作說明 , 本研究經(jīng)試算并與實驗結(jié) 果比較 , 最終確定了該管的尺寸和

7、位置。為敘述方 便 , 由燃燒器的入口起的 3排換熱管 , 分別稱為隔火 管、 第一排和第二排換熱管。 1. 2 控制方程假定混合氣體為理想氣體 , 氣體在多孔介質(zhì)中 的流動為層流 ; 多孔介質(zhì)為光學(xué)厚介質(zhì) ; 忽略氣體的 輻射 ; 化學(xué)反應(yīng)簡化為單步總包反應(yīng) ; 假定混合氣體第 6期 徐有寧 , 等 :多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器內(nèi)燃燒和傳熱的數(shù)值模擬和多孔介質(zhì)固體 (氧化鋁小球 處于當(dāng)?shù)責(zé)崞胶?, 即假設(shè)氣體和多孔介質(zhì)固體溫度相同 ; 填充床簡化為均勻連續(xù)介質(zhì)。根據(jù)以上假設(shè) , 建立如下控制方程 :圖 1 多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器示意圖連續(xù)性方程 :! ( g v =0(1x 方向動量方程 :!

8、(guv =-+ ! (! u -(2y 方向動量方程 :! ( g #v =-p + ! (! # - p (3能量守恒方程 :! ( g vc p T = ! ( eff T + h 0%CH4(4組分守恒方程 :! ( g vY i = ! ( g D Y i +%1(5式中 :v 速度矢量 ; g 、 c p 、 u 、 #、 ! 氣體 的密度、 比熱容、 橫向速度 (x 方向速度 、 縱向速度 (y 方向速度 和粘度 ; Y i 混合物中 第 i 種組分的質(zhì)量分數(shù) ; 孔隙率 ; T 溫度 ; 有效導(dǎo)熱系 數(shù) eff = f +(1- s + rad + d is , f , s 氣

9、體和多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù) , rad 固體輻射折合導(dǎo)熱系數(shù) , dis 氣體的熱彌散系數(shù) 7。燃料是甲烷與空氣的混合物 ; h 0 甲烷低熱值 , 化學(xué)反應(yīng)簡化為單步總包反應(yīng) 7; P 壓力 , 壓力損失為 4:=18023!#id 2+1. 8 3g #i |v | d(6式中 :#i 橫向或縱向速度 ; d 小球直 徑。對于層 流 , 式 (6 中最后一項可以忽略。需要指出的是 , 實驗中小球直徑為 6mm 23。 為研究小球直徑的影響 , 計算中分別取小球的直徑 為 8、 6、 4和 2mm 。換熱管的直徑為 12. 7mm, 堆積 小球和換熱管、 隔火管處有明顯的邊壁效應(yīng) , 近壁處 的

10、孔隙率大于中心區(qū)域的的孔隙率。近壁處的孔隙 分布對流動和傳熱有直接的影響。近壁處孔隙率增 大 , 該處壓力降減小 , 同時熱彌散和多孔介質(zhì)表觀導(dǎo) 熱系數(shù) (1- s 減小 , 并導(dǎo)致有效導(dǎo)熱系數(shù)減小。 , 介質(zhì) , 將導(dǎo)致數(shù)值計算預(yù)測的熱效率偏大。1. 3 邊界條件及求解進口 :T =300K, Y CH4=Y CH4, in, Y O2=Y O2, i n, u =u in , #=0出口 :Y CH4=Y O2=u=#=0考慮燃燒器出口的輻射熱損失 : eff T =- r &(T 4ou t -T 40, 式中 r 是多孔介質(zhì) 的發(fā)射率。在對稱線上 ,T=Y=u=#=0出口 :Y

11、 CH4=Y O2=0運用 CFD 軟件包 fluent 6. 1進行求解。為了模 擬點火過程 , 給定位于隔火管下游 1800K 的高溫 區(qū)域。在換熱器管壁附近的物理量變化劇烈 , 對該 處網(wǎng)格進行了加密 , 并對整個網(wǎng)格進行了無關(guān)化檢 驗。通過管壁的熱流密度 q 、 熱流 Q 1、 熱效率 以及 總熱阻 R t 分別為 :q =- eff n =T -T 0R tQ 1=#S 0T -T 0R td S , = Q 1 QR t =h+r i l n (r 0/ri k tube+R con式中 :h 換熱管內(nèi)工質(zhì)與內(nèi)壁的對流換熱系數(shù) 5, r i , r 0, k tube 換熱管的內(nèi)外

12、壁半徑和導(dǎo)熱系數(shù) ; 在給 定換熱管內(nèi)工質(zhì)水的溫度和對流換熱系數(shù)后 , 燃燒 器內(nèi)氣體與換熱器之間的換熱由 Fluent 內(nèi)部模型計 算。多孔介質(zhì)與換熱器之間的接觸熱阻 R con 與小球 填充方式、 小球與管壁的之間作用力等有關(guān) , 由于實 驗中未作描述 , 其值的選取很困難 , 本研究取自文獻 5。 Q 理想情況下的燃燒反應(yīng)熱 , 燃燒器功率為 Au g , in Y CH4, inh 0, A 氣流流通面積。傳熱速率給定為 Q 1/S, 其中 S 為換熱面積。除特殊申明外 , 計算中 小球的直徑均為 6mm 。2 結(jié)果與分析2. 1 溫度 、 壓力損失和速度分布圖 2是燃燒器功率為 35

13、. 3k W 和過量空氣系 數(shù)為 1. 292時預(yù)測的溫度、 壓力損失和流速分 布。 圖 2表明 , 燃燒 -換熱器內(nèi)溫度、 壓力損失和流速分 ! 649 ! 熱 能 動 力 工 程 2010年接近于環(huán)境溫度 , 起到防回火的作用。而在隔火管 的下游 , 溫度急劇上升 , 密實的等溫線預(yù)示著發(fā)生了 燃燒 , 同時也說明 , 火焰區(qū)與隔火管有強烈的熱量交 換。隨后溫度達到 1821K 且高溫區(qū)域非常寬。由 于該處沒有換熱管 , 溫度變化不大。在第一排換熱管上游附近 , 氣體與換熱器進行熱量交換 , 溫度開始 急劇下降 , 在第二排換熱管的上游和下游 , 溫度變化 情況與第一排類似。在燃燒器出口溫

14、度仍然很高 , 約 950K。 圖 2 多孔介質(zhì)燃燒 (燃燒器功率 35. 3k W, 過量空氣系數(shù) 1. 292圖 2(b 顯示 , 總的壓力損失約為 556Pa 。由于 填充床為 6mm 的小球 , 孔隙率較大 , 氣體的滲透性 好 , 故壓力損失并不大。其中在第一排和第二排管 附近 , 由于氣體流通通道變窄 , 氣體流速較大 , 故壓 力損失增大較快。從圖 2(c 可以看出 , 燃燒器內(nèi)的 流速變化較為劇烈。燃燒器入口處速度為 2m /s, 緊鄰隔火管下游 , 速度變 化非常劇烈 , 最大值達到 8. 6m /s, 這是由于氣體燃燒后體積膨脹 , 密度減小 引起的。其中在第一排和第二排換

15、熱管附近 , 由于 流通面積較小 , 該處流速明顯增大 , 因此壓力損失也 大。在兩排管的后面存在明顯的尾跡區(qū) , 該處流速 較小 , 如 在第 二 排 管 的 背 面 , 流 速 只 有 1. 1m /s左右。 2. 2 換熱管縱向相對距離的影響本文分別研究橫向和縱向相對距離對熱效率和 壓力損失的影響。與實驗保持一致23, 縱向相對距離 S t /D 定義為換熱管縱向中心距 (S t 與換熱管 直徑 (D 的比值 ; 橫向相對距離 H t /D 定義為換熱管 橫向中心距 (H t 與 D 的比值。研究橫向距離的影 響時 , 固定隔火管和第一排換熱管位置 , 橫向移動第 二排管到預(yù)定位置。研究

16、縱向距離的影響時 , 固定隔水管和第三排管 ,等距離縱向移動第二排管。圖 3 縱向距離對熱效率的影響 (過量空氣系數(shù) 1. 292圖 3給出了縱向距離 S t /D =1, 1. 2和 1. 8, 燃燒 -換熱器功率為 12. 5, 16. 3和 35. 3k W 時數(shù)值預(yù)測 的熱效率。為了驗證模型 , 圖中同時標出了實驗值。 由圖 3看出 , 換熱管縱向相對距離對熱效率有顯著 的影響。隨縱向相對距離的增大 , 換熱器的熱效率 降低。這是容易理解的 , 因為隨縱向距離減小 , 氣體 的流速增大 , 故換熱效果增強 , 熱效率增大。數(shù)值計 算與實驗取得了相同的 趨勢 , 二 者吻合的很好 , 在

17、!650!第 6期 徐有寧 , 等 :多孔介質(zhì)燃燒 -換熱器內(nèi)燃燒和傳熱的數(shù)值模擬S t /D =1時 , 數(shù)值預(yù)測的熱效率大于實驗值 , 但誤差 小于 11%。計算的 3種工況表明 , 減小換熱管縱向 距離導(dǎo)致壓力損失增大但不超過 10%, 說明縱向相 對距離對壓力損失的影響很小。圖 3同時表明 , 隨功率的增大 , 熱效率降低。這 是由于過量空氣系數(shù)一定 , 隨功率的增大 , 燃燒器入 口氣流速度線性增大 , 雖然燃燒器內(nèi)流速增大有利 于氣流與換熱管熱量交換 , 但數(shù)值計算的結(jié)果表明 , 流速的增大同時導(dǎo)致火焰向下游移動 , 因此高溫?zé)?氣流經(jīng)換熱管的有效面積減小 , 出口煙氣溫度降低。

18、為了驗證數(shù)值模型的有效性 , 圖 4給出了實驗 測量和數(shù)值計算得出的燃燒區(qū)最高溫度和煙氣出口 溫度。由圖 4可以看出 , 過量空氣系數(shù)對燃燒區(qū)最 高溫度和燃燒器出口溫度有顯著的影響。數(shù)值預(yù)測 值與實驗值取得 了相同的趨勢。在功率 為 45k W 時 , 隨過量空氣系數(shù)增大 , 燃燒器出口溫度增大。這 是因為隨過量空氣系數(shù)增大 , 火焰向下游移動 , 同時 熱效率下降 , 導(dǎo)致燃燒器出口溫度升高。數(shù)值預(yù)測 的燃燒器 出口溫 度低于 實驗 值 , 但最 大誤差 小于 10%, 說明數(shù)值模型較好地預(yù)測了燃燒器出口溫度。 造成誤差的原因 , 可能與多孔介質(zhì)輻射系數(shù)的選取 不準確有關(guān)。數(shù)值預(yù)測的燃燒區(qū)最

19、高溫度大于實驗 值 , 當(dāng)過量空氣系數(shù)為 1. 42時 , 誤差增大。究其原 因 , 可能是層流模型所致 , 因為功率一定 , 隨過量空 氣系數(shù)的增加 , 流速增大 , 湍流的作用不可忽略。圖 4 過量空氣系數(shù)對燃燒區(qū)最高溫度和燃燒器 出口溫度的影響 (燃燒器功率 45k W, 橫 向和縱向相對距離均為 1表 1 橫向相對距離對壓力損失的影響 (燃燒器功 率 30k W, 過量空氣系數(shù) 1. 1橫向相對位置 壓力損失 /Pa13651. 333672. 0375 2. 3 換熱管橫向相對距離的影響為研究橫向相對距離 H t /D 的影響 , 計算了 H t / D =1, 1. 33和 2時的

20、 3種換熱管布置的熱效率和壓 力損失 , 如圖 5和表 1所示。為清晰起見 , 圖 5中未 標出 H t /D =1. 33的計算結(jié)果。由圖 5可以看出 , 在 橫向相對距離增大為 2時 , 熱效 率增大 , 但 并不顯 著。數(shù)值預(yù)報的熱效率與實驗取得了相同的趨勢 , 最大誤差不超過 10%。表 1顯示 , 橫向相對距離對 壓力損失的影響很小 , H t /D =1時 , 總的壓力損失約 為 365Pa , 隨橫向相對距離的增大 , 壓力損失增大 , 但增大的幅度很小。圖 5 橫向相對距離對熱效率的影響 (功率 30k W 2. 4 填充床小球直徑的影響由動量方程和壓力降公式可以看出 , 小球

21、直徑 影響動量方程的源項 , 并由此影響氣體速度和溫度 分布。隨小球直徑的減小 , 孔隙率減小 , 氣體的滲透 性變差 , 壓力損失增大。圖 6表明 , 填充床中小球直 徑對燃燒 -換熱器的熱效率和壓力損失有顯著的影 響。隨著小球直徑的增大 , 熱效率增大 , 同時壓力損 失急劇減小。當(dāng)小球直徑由 2mm 增大到 8mm 時 , 熱效率由 0. 50增大到 0. 55, 而壓力損失由 6091Pa 減小到 292Pa 。圖 6 小球直徑對熱效率和壓力損失的影響 (燃燒器功率 35. 3k W, 過量空氣系數(shù) 1. 292 ! 651 ! 熱 能 動 力 工 程 2010年3 結(jié)論和建議(1 換

22、熱管縱向相對距離對熱效率有顯著的影 響。當(dāng)縱向相對距離由 1. 8減小為 1時 , 熱效率由52%減小為 38%。而換熱管的橫向相對位置對熱 效率和壓力損失的影響很小。(2 填充床小球直徑對熱效率和壓力損失的影 響很大。當(dāng)小球直徑由 2mm 增大到 8mm 時 , 熱效 率由 0. 50增大到 0. 55, 而壓力損失由 6091Pa 減 小到 292Pa 。 參考文獻 :1 TRI M IS D , DURST F . Combusti on i n a porous m ed i a advances andapp li cati on sJ .C o m busti on Science

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29、rb i n es and Po w er %2009年 5月號報道 , 加拿大 C oncordia 大學(xué) 的學(xué)者利用計算流體力學(xué)方法 , 在跨音速 葉片上進行氣膜冷卻的性能計算研究 (或氣膜 冷卻方案的可行 性 。氣膜冷卻孔位于葉柵通路喉部附近 。 對于圓孔 , 氣膜冷卻效果可通過數(shù)值估算和試驗數(shù)之間的比較來 表達 , 比較結(jié)果表明 , 數(shù)值計算程序是滿足要求的 。在噴吹比低于 1的情況下 , 與其它冷卻形式相比 , 計算得到的葉型采用氣膜冷卻方式的冷卻效果明顯更 高 ; 在噴吹比大于 2的情況下 , 氣膜冷卻的優(yōu)點變得并不明顯 。研究還發(fā)現(xiàn) , 在稍低于 1的噴吹比情況下 , 采用同樣的

30、冷卻方式 , 在跨音速葉型上的冷卻效果稍高于在 平板上的冷卻效果 。在大于 2的高噴吹比情況下 , 當(dāng)斜激波與孔出口前緣分離時 , 由于產(chǎn)生強激波引起附面層分離的現(xiàn)象 , 發(fā)生了冷卻效果的減少 , 其減少程度引起了人們的高度重視 。除了激波的影響和冷卻氣體的可壓縮性以外 , 通過將葉型表面與平板表面的冷卻效果加以比較 , 分析了 葉面曲率對氣膜冷卻效果的影響 。(吉桂明 摘譯 !652! 688! 熱 能 動 力 工 程 2010年 m en tio ned re lationsh ip w as decom posed in to fau lt data in vario us com po

31、nents and expressed by using an in terlinking of graphic sym bo ls. M oreover log ic fo r ulae w ere ob tained on the basis o f the fault tree and thereby the ir reliabil , m , it ie s w ere quantitatively ana ly zed T he fo regoing can prov id e a m ethod fo r evaluat ing a syste based on its overa

32、ll . m re liability. K ey words fault tree furnace safety m onitoring and con tro l system, sa fety in stru entat ion system, re lia : , m b ility 多孔介質(zhì)燃燒 換熱器內(nèi)燃燒和傳熱的數(shù)值模擬 = N um erical Sim ulation of Porous M ed ium Com bustion Com bu stion and Heat Tran sfer Inside a H eat Exchanger 刊, 漢 / XU You nin

33、g S I Jun ru,i XUE Zh i jia , H ( Shenyang C ity Key L aboratory on C irculating F lu id ized Bed Combustio n T echnology, Shengyang Eng in eering Co l lege Shenyang, Ch in a P ost Code 110136 , X I M ao zhao ( College o f Energy Source and Pow er Da lian U ni , , : E , versity of Sc ience and T ech

34、no logy Da lian China, Post Code 116024 / / Journal o f Eng in eerin g for T her al En , , : m ergy & Pow er - 2010 25( 6 . - 648 652 . , By estab lishing a tw o di ensio na l num erica l m ode, stud ied w ere the porous m ed ium com bustion com bustio n and m l heat transfer in side a heat exch

35、anger and the in flu ence of the system conf igura tio n on th e th er a l effic iency and the m pressure drop of a com bustion heat ex changer T he research resu lts show that th e long itudina l d istance of the heat . exchange tubes has a rem arkab le influ ence on the tem pera tu re distribution

36、 heat transfer speed and pressure lo ss in , sid e th e heat exchanger To decrease the long itudin al distance of the heat exchange tubes can in crease the th er a l . m effic iency and pressure loss T he ho rizon tal d is tance of the heat exchange tubes how ever has a very little influ . , , ence

37、on the therm al efficiency and pressure loss In add it ion, to in crease the d ia eters of sm a ll ba lls m ay resu lt in . m an increase o f the ther al efficiency and a sharp decrease of the pressure lo ss. T he effectiv eness o f the num erica l m m ode l can be verified through tests K ey words

38、num erical study po rous m edium, combustio n heat exchanger . : , 壓力容器泄漏孔大小的壓力變化率預(yù)估方法 = A M ethod for Pre estim ating the S ize of Leakage H oles of a P ressure V essel Based on Its Pressure Variation R ate 刊, 漢 / S EN Yuan sheng, L I Zong m in g ZHAO H U , W e i lin, et al ( Co llege o f M aterial Sc ience and Eng in eerin g , Jinan Un iv ersity, Jin an Ch in a , , Post Code : 250022 / / Journa l of Engineerin g for T herm al Energy & Pow er