填充球蓄熱室內傳熱與流動過程數值模擬及結構優化

劉穎，劉義平，陶曙明，溫治, 4，劉訓良, 4

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填充球蓄熱室內傳熱與流動過程數值模擬及結構優化

劉穎1，劉義平2，陶曙明3，溫治1, 4，劉訓良1, 4

(1. 北京科技大學機械工程學院，北京，100083；2. 寶鋼工業爐工程技術有限公司，上海，201900；3. 寶鋼鋼管條鋼事業部設備能環部，上海，201900；4. 北京科技大學冶金工業節能減排北京市重點實驗室，北京，100083)

為了解決填充球蓄熱室在使用過程中局部溫度過高的問題，以某鋼廠蓄熱燒嘴為研究對象，在多孔介質假設的基礎上，基于局部非熱力學平衡的氣、固能量方程和修正后的動量方程建立蓄熱室內傳熱與流動過程三維非穩態數學模型。利用流體力學計算軟件Fluent并結合其二次開發平臺對模型進行求解，通過測試數據驗證模型的正確性。模型計算結果表明：在穩態工作過程中蓄熱室水平截面上存在一定的速度差和溫差，將蓄熱室煙氣入口對面側墻的傾斜度改為60°，并且增加長度為300 mm的緩沖段，同時將空氣入口形狀改為漏斗型有利于提高蓄熱室內水平截面上溫度分布的均勻性。

蓄熱室；傳熱；氣體流動；數值模擬；結構優化

在我國，工業爐窯能耗占工業總能耗的較大一部分，而爐窯的大部分能耗歸結為排煙損失，每年由于排煙都有大量的能量損失[1?2]。采用常規換熱技術的熱回收率只有50%~60%，無法充分回收煙氣中的顯 熱[3]，而采用蓄熱燃燒技術可使空氣預熱溫度達900 ℃以上，排煙溫度降低至200 ℃以下，最大限度的回收煙氣中的顯熱，有效的降低能耗[4?6]。蓄熱室是蓄熱燃燒技術的關鍵部件之一，煙氣和空氣通過蓄熱室中的填充材料即蓄熱體來實現熱量的交換，常用的蓄熱體有小球體、筒體、蜂窩體等類型[7?12]。由于蓄熱小球在使用上易管理，并且方便更換，且能重復使用，因此在工業生產中得到廣泛應用[13?16]。近年來，國內外不少學者對蓄熱室內的傳熱以及流動特性進行了數值模擬研究。賈力等[17]利用流體力學計算軟件CFX5對陶瓷蜂窩蓄熱體的換熱過程進行了數值模擬，得到了蓄熱體和氣體的軸向溫度分布及溫度隨時間的變化規律，并研究了各參數對熱飽和時間的影響。蔡九菊等[18]忽略填充球之間的導熱，微元體內熱焓隨時間的變化以及蓄熱室內的輻射傳熱和散熱損失，并假設氣體為活塞流建立了蓄熱室內傳熱與流動數學模型。溫良英等[3]建立了高效蓄熱室傳熱數學模型，通過模型計算結果分析了蓄熱體材質、換向時間、溫度效率和熱效率等的相互關系。Yu等[19]建立了蓄熱體一維非穩態傳熱模型，研究發現對于中、低熱值煤氣必須采用雙蓄熱，對于高熱值煤氣，單蓄熱和雙蓄熱都可以。Park等[20]針對填充床蓄熱室建立了一維非穩態兩相流模型并分析了蓄熱室內氣體流動與傳熱特性。通過以上這些學者的研究，對蓄熱室的熱工特性有了更深入的了解，但目前學者所建立的數學模型大多數是沿蓄熱室軸向的一維模型，無法描述在蓄熱室水平截面上的溫度分布。而在填充球蓄熱室的使用方面存在因蓄熱室內溫度在水平截面分布不均勻，導致局部地方蓄熱小球溫度過高而相互黏結，造成蓄熱體內氣體流動阻力增大，惡化蓄熱體工作環境，降低蓄熱體蓄熱能力，嚴重時需要更換蓄熱小球，從而導致爐子停產，企業生產成本增加產量下降的問題。針對此問題，本文作者以某公司蓄熱燒嘴為研究對象，建立了蓄熱室內傳熱與流動的三維非穩態數學模型，通過模型計算結果分析了蓄熱室內溫度和速度分布特點，在此基礎上，通過改變蓄熱室結構來提高蓄熱室內溫度在水平截面上分布的均勻性。

1 物理數學模型的建立

1.1 物理模型

針對某公司蓄熱燒嘴建立物理模型，其尺寸為實測值。網格邊界正交性和光滑性對計算精度和收斂速度有影響，為了提高網格質量，采用分區結構化網格對計算區域進行網格劃分，蓄熱燒嘴網格系統如圖1所示。由于蓄熱小球數量巨大，如果針對每個蓄熱小球建立數學模型，將使計算網格和模型設置變得極其困難。由于蓄熱室內蓄熱小球的尺寸遠小于蓄熱室尺度，可對其進行平均化和統計處理，將蓄熱小球區域假設為多孔介質區域，將氣體在蓄熱體內的流動看成在多孔介質里的流動。

在建立數學模型之前作以下假設：

1) 認為蓄熱室內氣體為不可壓縮氣體。

2) 空氣與煙氣的物性參數僅是溫度的函數。

3) 在蓄熱室換向過程中蓄熱體溫度分布不發生變化。

圖1 蓄熱燒嘴網格系統

1.2 數學模型

1.2.1 控制方程

根據質量守恒動量守恒和能量守恒原理，蓄熱室內氣體流動與傳熱過程三維非穩態數學模型控制方程如下：

1) 連續性方程

2) 動量方程

(2)

3)方程

(3)

4)方程

(4)

式中：g為氣體密度，kg/m3；u為，和3個方向上的速度分量，m/s；為壓力，Pa；和μ為氣體黏性系數和湍流黏性系數，Pa·s；G和b分別為由于平均速度梯度和浮力產生的湍動能，Pa/s；1，2，，和σ為經驗常數，分別為1.44，1.92，0.09，1.0，1.3；S為源項，kg/(m2·s2)。

對于多孔介質模型中的動量方程，需要考慮多孔介質對流體黏性和慣性的影響，可以通過增加源項的形式來對動量方程進行修正，源項由黏性損失項和慣性損失項2部分組成，表達式為：

本文采用修正后的Ergun方程[19]計算黏性阻力系數1/和慣性阻力系數2，表達式如下：

6) 固相能量方程

(9)

式中：為孔隙率；s為固體的密度，kg/m3；為時間，s；g和s分別為氣體和固體的比熱容，J/(kg·K)；g和s分別為氣體和固體的溫度，K；g和s分別為氣體和固體熱導率，W/(m·K)；sg為氣固綜合換熱系數，W/(m2·K)；sg為單位體積內的氣固換熱面積，m2/m3。

在加熱期，由于煙氣中含有CO2和H2O等輻射參與性介質，氣固換熱方式包括對流和輻射2種，即sg=c+r；而在冷卻期，空氣與蓄熱體的換熱方式僅包括對流換熱，即sg=c。氣固對流換熱系數和輻射換熱系數采用文獻[20]中提出的公式計算，表達式如式(10)和(11)所示。影響氣固換熱的因素包括氣體流速，孔隙率，蓄熱小球表面黑度、尺寸及氣體熱導率等，其中關鍵參數的具體數值如表1所示。

表1 影響氣固換熱的關鍵參數