基于Fluent的蓄熱體傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬

陳新進(jìn)， 王慶順， 孫偉

（沈陽(yáng)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，沈陽(yáng)110015）

0 引言

從能源發(fā)展的歷史來(lái)看，水電、核電得到了人們的有效利用。但是隨著能源不斷耗盡、價(jià)格波動(dòng)，電熱鍋爐受到人們的青睞。在目前電力能源的特點(diǎn)看來(lái)，由于電是無(wú)法存儲(chǔ)的，而用電又存在峰谷差，使得低谷電時(shí)期浪費(fèi)了大量的電能。電鍋爐蓄熱式采暖技術(shù)的提高，可以將不能存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)化為可以存儲(chǔ)的熱能，這樣就可以解決能源的失調(diào)問(wèn)題，提高人們對(duì)自然資源的有效利用。廢熱和余熱的回收，與民用的有效互補(bǔ)在節(jié)能領(lǐng)域有廣闊前景，已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)［1-2］。

蓄熱包括顯熱蓄熱和潛熱蓄熱，顯熱蓄熱是通過(guò)加熱蓄熱介質(zhì)提高溫度，將熱能存儲(chǔ)其中。據(jù)資料顯示，顯熱蓄熱的應(yīng)用比較廣泛。通常有液體和固體兩種方式蓄熱，歐美一些國(guó)家在顯熱蓄熱方面已經(jīng)研究出很大成果，其中以瑞典最為突出［3］。潛熱蓄熱主要在冰蓄冷方面，比如空調(diào)領(lǐng)域［4-5］。由于我國(guó)的實(shí)際現(xiàn)狀和技術(shù)問(wèn)題，在潛熱蓄熱領(lǐng)域還有待提高，但是在顯熱蓄熱方面已經(jīng)成熟了，熱水蓄熱技術(shù)在生活中得到驗(yàn)證［6-7］。考慮到液體水的物性參數(shù)，比如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容這些使設(shè)備的體積大、溫度低等不足。針對(duì)這種情況,本文以某電器廠的某

一高爐的熱風(fēng)爐為例，根據(jù)蓄熱體和氣體之間的傳熱原理，建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)求解，從中得到蓄熱體放熱的參數(shù)。這對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化蓄熱式換熱器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行有重要的指導(dǎo)意義。蓄熱體在加熱過(guò)程中，主要以電阻絲的輻射以及高溫空氣與蓄熱體的熱傳導(dǎo)為傳熱方式，在蓄熱體冷卻過(guò)程中，以低溫空氣與蓄熱體的對(duì)流為傳熱方式。根據(jù)蓄熱體與空氣的導(dǎo)熱建立能量平衡方程，然后采用有限元方法離散化，進(jìn)行迭代求解。本文對(duì)蓄熱體傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬目的在于了解蓄熱體的傳熱特性，以此確定經(jīng)濟(jì)合理的加熱和冷卻時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)。

圖1 電熱鍋爐工作流程圖

1 蓄熱體物理模型的建立

固體蓄熱式電熱鍋爐裝置的工作原理如圖1所示。

其中耐火材料就是蓄熱體，是由耐火砌塊砌筑而成，蓄熱體在縱向分布排列許多大小一致的方孔，電阻絲穿過(guò)蓄熱體通過(guò)電阻生產(chǎn)的高溫加熱蓄熱體。當(dāng)蓄熱體達(dá)到一定的溫度停止加熱開(kāi)始保溫，工作的時(shí)候，通入溫度低的空氣進(jìn)入蓄熱體通道，從入口到出口，空氣得到加熱，得到的熱空氣就可以利用了。圖2為蓄熱體的外觀和局部放大圖，外觀尺寸為7590mm×2430mm×13110mm，每個(gè)蓄熱通道的尺寸為110 mm×65 mm，每個(gè)蓄熱通道壁的尺寸為225 mm×195 mm，縱向和橫向的耐火磚尺寸在相鄰?fù)ǖ篱g的尺寸相同。而且在一個(gè)蓄熱體中存在大量這樣的通道，流體流經(jīng)時(shí)與蓄熱體進(jìn)行熱交換，彼此間的熱交換狀態(tài)幾乎是一樣的，因此本文取一個(gè)蓄熱通道作為研究對(duì)象，對(duì)其建立數(shù)學(xué)模型。

圖2 蓄熱體結(jié)構(gòu)及局部放大圖

2 蓄熱體數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 條件假設(shè)

通道任一截面處，氣流速度恒定即為入口速速，溫度分布均勻；對(duì)流換熱系數(shù)恒定，不隨時(shí)間、溫度及位置的變化而變化；流體與蓄熱體的各物性參數(shù)恒定；各個(gè)蓄熱通道的氣流情況一致。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 空氣吸熱過(guò)程

蓄熱體加熱后，溫度場(chǎng)均勻化，冷空氣進(jìn)入蓄熱體通道的過(guò)程就是冷空氣被加熱的過(guò)程［8］。冷空氣通過(guò)蓄熱體通道時(shí)，空氣自身能量的增加量等于空氣焓值的增加量加上空氣與蓄熱體之間的對(duì)流換熱：

2.2.2 蓄熱體放熱過(guò)程

冷空氣通入蓄熱體的過(guò)程，蓄熱體被視為熱源，放出熱量。蓄熱體放熱過(guò)程時(shí)，能量發(fā)生變化，蓄熱體的放熱量等于對(duì)流傳出蓄熱體的熱量加上蓄熱體自身因?qū)醾鞒龅臒崃浚?/p>

式中：ρa(bǔ)為空氣的密度；Cpa為空氣的定壓比熱容；Ta為空氣溫度；ua為空氣流速；αa為空氣與蓄熱體表面之間的對(duì)流換熱系數(shù)；Tcs為蓄熱體的溫度；CS為蓄熱體的比熱容；Ms為蓄熱體的質(zhì)量；λs為蓄熱體導(dǎo)熱系數(shù)；As為蓄熱體截面的面積。

3 利用Fluent對(duì)蓄熱體數(shù)值模擬

3.1 模型建立

由于蓄熱體通道數(shù)量較多，模型尺寸過(guò)大造成計(jì)算量太大，分析模型可知，通道的幾何尺寸一致，且每個(gè)通道橫截面是軸對(duì)稱的，里面氣體的速度，壓力和溫度的分布都具有對(duì)稱性，為減少計(jì)算量，取單個(gè)通道截面的1/4和長(zhǎng)度方向的三維空間體積作為計(jì)算區(qū)域（如圖3），是較為合理且符合“簡(jiǎn)化物理模型，便于數(shù)值計(jì)算”的原則。蓄熱體中的材料為黏土磚，其主要物理性質(zhì)如表1所示。

圖3 蓄熱體通道簡(jiǎn)化模型

表1 黏土磚的主要物理性質(zhì)

圖4 Fluent計(jì)算流程圖

3.2 Fluent求解

本文基于Workbench 14.0工作平臺(tái)下的Fluent模塊作為求解環(huán)境，它集建模、離散化、求解、后處理于一體，操作方便。Fluent求解問(wèn)題的基 本 思 想 為［9］前 處理、中間計(jì)算和后處理3個(gè)部分。前處理是對(duì)將要模擬的實(shí)體對(duì)象進(jìn)行幾何模型的構(gòu)建，網(wǎng)格劃分過(guò)程；中間計(jì)算是指通過(guò)各種條件、參數(shù)和運(yùn)算方法的設(shè)定來(lái)求解數(shù)值模擬中數(shù)學(xué)方程的計(jì)算過(guò)程；后處理是利用圖表等一些形式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示的過(guò)程。流程圖如圖4所示。

蓄熱體與氣體的換熱過(guò)程溫度場(chǎng)求解是耦合求解過(guò)程。氣體單元通道的入口給定速度ua=2 m/s和溫度條件T=190℃，通道內(nèi)流體采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型K-ξ，出口給定壓力條件P=0 Pa，蓄熱體外表面和對(duì)稱面定為絕熱，蓄熱體給定初始溫度Tcs=650℃，蓄熱體和空氣接觸面定為耦合面，傳熱按瞬態(tài)過(guò)程處理，用SIMPLE算法求解耦合關(guān)系，設(shè)置迭代次數(shù)和收斂殘差，對(duì)離散化的氣體能量方程進(jìn)行求解，得到氣體在流通通道內(nèi)的溫度分布，由氣體與固體之間的對(duì)流換熱以及固體內(nèi)部的導(dǎo)熱方程得到區(qū)域的溫度分布，以此次結(jié)果作為初始場(chǎng)開(kāi)始下一次的計(jì)算，進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)氣體與蓄熱體的溫度分布。

3.3 求解結(jié)果

蓄熱體和空氣的換熱是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，根據(jù)工廠的實(shí)際需要，換熱有預(yù)熱階段，給定預(yù)熱時(shí)間為15 min，15 min之后正常工作，正常工作的時(shí)間為1 h，在正常工作期間空氣經(jīng)過(guò)加熱后的出口溫度不低于550℃。熱交換的工作過(guò)程如圖5所示。

圖5 蓄熱體出口平均溫度

在初始時(shí)刻溫度下降很快，原因是所給的空氣流體初始溫度溫度和蓄熱體溫度一樣，如圖6所示。工作到900 s時(shí)，出口溫度又有一個(gè)快速下降的過(guò)程，這和實(shí)際的工況有關(guān)，這時(shí)的空氣流體入口速度為2.5 m/s。速度增加后相應(yīng)的出口溫度減小，符合理論值，如圖7所示。

圖6 空氣加熱初始階段

圖7 預(yù)熱結(jié)束向正常工作轉(zhuǎn)換階段

4 結(jié)論

本文是基于Workbench平臺(tái)下的流體（Fluent）模塊對(duì)蓄熱體加熱空氣的數(shù)值模擬，蓄熱體的物理模型尺寸大，根據(jù)模型特征做了簡(jiǎn)化處理的同時(shí)在劃分網(wǎng)格時(shí)做了細(xì)化處理，這樣提高了運(yùn)算的精度。蓄熱體實(shí)際工作的過(guò)程有加熱、保溫、放熱、保溫、再開(kāi)始加熱的循環(huán)過(guò)程，放熱過(guò)程是蓄熱體工作的核心過(guò)程。為此筆者通過(guò)生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)的指導(dǎo)，賦予模型的模擬的理論條件和蓄熱體工作的實(shí)際條件相差很小，得到的理論結(jié)果和實(shí)際工況有微小的差別，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。模擬的過(guò)程也有不足之處，蓄熱體入口的流體沒(méi)有做動(dòng)態(tài)變化的度的反饋來(lái)調(diào)節(jié)入口流體的速度得到一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，這樣模擬結(jié)果更加符合實(shí)際的生產(chǎn)情況。

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