某蜂窩陶瓷蓄熱體熱交換特性數值模擬及優化

陳志超

（韶關學院 物理與機電工程學院，廣東 韶關 512005）

為回收鍛造加熱爐中的熱量以用于預熱助燃空氣，鍛造加熱爐中常配有蓄熱體.蓄熱體通過周而復始地吸收煙氣的熱量并向助燃空氣釋放熱量，實現鍛造余熱回收，如圖1所示.研究蓄熱體熱交換特性對提高余熱回收效率具有重要意義.目前，國際火焰協會（IFRF）、荷蘭、德國、瑞典、美國等國家均對余熱回收技術進行了大量研發［1-3］，應用方面則是日本處于領先地位.我國清華大學、北京科技大學、華南理工大學、寶鋼技術中心等對該技術進行了研發和推廣，主要集中在爐型、蓄熱體和換向閥等關鍵部件的材質和形狀的選用，換向時間、燃氣空氣的流速和質量分數對燃燒火焰特性的影響等方面［4-6］.

對蓄熱體的熱交換特性，已發表的研究主要是基于類比方法進行理論推導以求出近似的解析解［1］，或者是利用單因素法進行數值模擬或試驗驗證［2-3］.由于影響蓄熱體熱交換特性的因素數量多，單因素法顯然不夠全面，而限于試驗條件和時間，做全因素試驗也不可取.本文基于正交試驗法，采用Ansys軟件中的Fluent模塊對某蜂窩陶瓷蓄熱體不同結構和工況參數下的余熱回收過程進行數值模擬，得出其熱交換特性參數，主要是綜合換熱系數和壓力損失及其變化規律，并通過回歸分析進行各因素的顯著性排序，進而獲得相對較優的蓄熱體結構和工況參數，實現蓄熱過程中較高的換熱系數以及較低的壓力損失.

圖1 蓄熱體余熱回收原理

1 正交數值模擬試驗設計

蓄熱體壁厚為定值且孔邊長小于5 mm時，正方形孔的比表面積和開孔率均為最大［5］，故選取正方形孔蜂窩式蓄熱體作正交數值模擬，因氣體流速平行于孔的軸線，忽略蓄熱體整體與外界的熱交換，可認為蓄熱體各單元與氣體的熱交換是獨立的，各單元間不發生熱交換.故蓄熱體中任一單元的換熱特性即能反映整個蓄熱體的換熱特性［6］.蓄熱體單元為空心正四棱柱結構，其正方形橫截面邊長等于內孔邊長（A）與壁厚（B）之和，如圖2所示.

圖2 蓄熱體單元

蓄熱體的綜合換熱系數、壓力損失主要與蓄熱體單元當量直徑（孔邊長A）、壁厚（B）、長度（C）、氣體流速（D）、氣體溫度（E）和換向時間（F）有關［7］.各因素水平取值如表 1 所示.流體流動情況主要用雷諾數Re表征，其大小決定了粘性流體的流動特性.對于正方形截面流道，Re=.其中u為流體流動速度，m/s；L為流道正方形截面邊長，m；v為流體粘滯系數，m2/s［9］.選取的試驗參數中，流道橫截面最大邊長和流體最大流速分別為lmax=5 mm，umax=10 m/s.則最大雷諾數為Remax=271.93＜2 000，說明氣體在蓄熱體中的流動形式為層流，應選取層流模型進行模擬.選取氧化鋁作為蓄熱體的材料,其主要物理性質參數參照文獻［10］氧化鋁主要物理性質的參數.

表1 各因素水平取值

通過蓄熱體的煙氣和空氣入口速度已知，且由設備本身決定；而煙氣和空氣出口速度未知，但壓力已知.因此，蓄熱體有限元模型中氣體流入的邊界選取速度入口邊界條件、氣體流出的邊界選取壓力出口邊界條件.由于蓄熱體單元及流場幾何結構具有軸對稱性，為節省運算時間，取1/4個蓄熱體單元進行模擬.其中，各平面的性質設置如下（如圖3所示）：

（1）平面ABCD——煙氣速度入口（空氣壓力出口）；

（2）平面HIJK——煙氣壓力出口（空氣速度入口）；

（3）平面DCBEFG、平面KJILMN——傳熱表面；

（4）平面HIBA、平面KHAD——旋轉對稱表面組1；

（5）平面ILEB、平面NKDG——旋轉對稱表面組2；

（6）平面JIBC、平面KJCD——氣相、固相耦合表面；

（7）平面MLEF、平面NMFG——絕熱表面.

由于蓄熱體的蓄熱和放熱階段進展速率不同步，存在一個不穩定的啟動過程，其工作狀態必須經過若干個傳熱周期才能逐漸趨于穩定.屆時，相鄰兩個傳熱周期中，蓄熱階段和放熱階段的溫度和壓力分布將不再變化，故必須模擬出蓄熱體的穩定工作狀態.首先將整個蓄熱體內的溫度場均勻地設定為300 K（室溫）；然后令1 200~1 400 K的高溫煙氣進入蓄熱體，蓄熱階段開始；經過一個換向時間后，改變邊界條件，令300 K的空氣從煙氣的出口進入蓄熱體，使之在放熱階段被逐漸加熱至一個傳熱周期結束；再把該周期的終末狀態作為下一個傳熱周期的初始狀態，繼續依次循環計算下去，直至達到穩定狀態為止.若前后兩次放熱階段結束時的空氣出口溫度相差不超過3 K，即認為已達到穩定狀態，停止計算.并認為此次蓄、放熱過程的綜合換熱系數和壓力損失為蓄熱體穩態下的特性參數.

圖3 1/4蓄熱體單元各平面

2 試驗結果及分析

將影響蓄熱體的各因素按6因素5水平正交表進行組合試驗，結果如表3所示.

表3 正交模擬試驗結果

對綜合換熱系數和壓力損失兩個特性指標對各因素關系分別作回歸分析，得出各因素影響顯著性概率P值，如表4所示.當某個因素的P＞0.05時，該因素的影響不顯著；0.05≥P＞0.01時，影響顯著；P≤0.01時，影響極其顯著；P值越小則影響越顯著［8］.可見，對綜合換熱系數，蓄熱體邊長、蓄熱體孔壁厚和煙氣入口速度的影響極其顯著，煙氣入口溫度和換向時間的影響顯著，蓄熱體長度的影響不顯著；對壓力損失，蓄熱體孔邊長、蓄熱體長度和煙氣入口速度的影響極其顯著，蓄熱體孔壁厚、煙氣入口溫度和換向時間的影響顯著.按各因素對綜合換熱系數影響的顯著程度排序為蓄熱體孔邊長(A)＞蓄熱體孔壁厚(B)＞煙氣入口速度(D)＞換向時間(F)＞煙氣入口溫度(E)＞蓄熱體長度(C)；按各因素對壓力損失影響的顯著程度排序為蓄熱體孔邊長(A)＞煙氣入口速度(D)＞蓄熱體長度(C)＞煙氣入口溫度(E)＞換向時間(F)＞蓄熱體孔壁厚(B).

表4 各因素對綜合換熱系數和壓力損失影響顯著性概率

隨著蓄熱體孔邊長、換向時間增大，綜合換熱系數單調遞減.這是因為當蓄熱體孔邊長增大時，流道截面積增大，蓄熱體孔壁面積與流道中的氣體體積之比減小，單位體積的氣體與蓄熱體孔壁接觸的面積減小，高溫煙氣與蓄熱體、蓄熱體與低溫空氣之間交換的熱量也減小；由于換向時間的延長，單位時間內高溫煙氣和低溫空氣與蓄熱體之間交換的熱量減少，即熱交換速率降低，因此綜合換熱系數都將減小.當蓄熱體孔壁厚、蓄熱體長度、煙氣入口速度、煙氣入口溫度增大時，綜合換熱系數單調遞增.這是由于蓄熱體孔壁厚的增大，使得參與熱交換的蓄熱體材料增多，單位時間內氣體與蓄熱體交換的熱量也增大；蓄熱體長度增大時，高溫煙氣和低溫空氣在蓄熱體中流過的長度更大，高溫煙氣向蓄熱體釋放的熱量更多、低溫空氣從蓄熱體吸收的熱量也更多，在換向時間不變的前提下，熱交換的速率增大，煙氣入口流速增大時（空氣入口流速也相應增大），氣體與蓄熱體之間的對流換熱加劇，對流換熱速率增大、對流換熱系數增大；當煙氣入口溫度升高時，高溫煙氣向蓄熱體釋放的熱量增加，低溫空氣從蓄熱體中吸收的熱量也增加，在換向時間不變的前提下，熱交換的速率增大，因此綜合換熱系數都將增大.

隨著蓄熱體孔邊長增大，壓力損失單調遞減.這是因為，無論在吸熱期還是放熱期內，當蓄熱體孔邊長增大時，流道截面積增大，蓄熱體孔壁面積與流道中的氣體體積之比減小，單位體積的氣體受到蓄熱體孔壁的摩擦減小，故壓力損失減小.當蓄熱體孔壁厚、蓄熱體長度、煙氣入口速度、煙氣入口溫度、換向時間增大時，壓力損失單調遞增.這是由于蓄熱體孔壁厚越大，則參與熱交換的蓄熱體材料越多，在蓄熱體吸熱期內，高溫煙氣通過蓄熱體時向蓄熱體釋放的熱量更多，其溫度降低更多，壓降也更大；在蓄熱體放熱期內，低溫空氣流經蓄熱體時吸收的熱量更多，溫度和粘度增大；蓄熱體長度增大時，氣體在蓄熱體內流動的距離均增大，受到蓄熱體孔壁摩擦力的作用距離增大；吸熱（或放熱）期內，煙氣（或空氣）入口流速增大時，氣體受到蓄熱體孔壁的摩擦均增大；在蓄熱體吸熱期內，由于煙氣入口溫度更高，煙氣向蓄熱體釋放的熱量更多，另外由于煙氣的粘度更大，增大了孔壁對煙氣的摩擦力和煙氣壓力損失；在蓄熱體放熱期內，由于蓄熱體內儲存的熱量更多，其向低溫空氣釋放的熱量也更多，使空氣在預熱后期具有更高的溫度和粘度，增大了孔壁對空氣的摩擦力和空氣壓力損失；由于換向時間的延長，在蓄熱體吸熱期內，高溫煙氣向蓄熱體釋放的熱量更多，煙氣的溫度降低更多、壓降也越大；在蓄熱體放熱期內，低溫空氣從蓄熱體中吸收了更多的熱量、在預熱后期具有更高的溫度和粘度，因此空氣受到蓄熱體孔壁的摩擦力增大，其壓力損失也隨之增大.綜合換熱系數和壓力損失隨各因素水平的變化趨勢見圖4、圖5.

圖4 綜合換熱系數隨各因素水平變化趨勢

3 確定較優的蓄熱體結構工況參數組合

由壓力損失與各因素的關系可知，使綜合換熱系數最大的各因素組合為A1B5C5D5E5F1，使壓力損失最小的各因素組合為A5B1C1D1E1F1.為達到綜合換熱系數盡可能大、壓力損失盡可能小的目標，以下對各因素的較優水平值進行選取.

蓄熱體孔邊長（A）增大會導致綜合換熱系數和壓力損失均增大.由于綜合換熱系數增大是有利的，而壓力損失增大卻是不利的，即兩者不可能同時達到最優.由于蓄熱體孔邊長對兩者的影響均為最顯著的，而使壓力損失最小和綜合換熱系數最大的蓄熱體孔邊長分別是最大和最小的水平值，故應選取中間水平值A3，即3 mm.蓄熱體孔壁厚（B）增大導致綜合換熱系數和壓力損失均增大.由于蓄熱體孔壁厚對綜合換熱系數的影響極其顯著，對壓力損失的影響也顯著，故選取中間水平B3，即1.5 mm.蓄熱體長度（C）增大時，綜合換熱系數和壓力損失都呈增大趨勢.由于蓄熱體長度對壓力損失的影響極其顯著，而對綜合換熱系數的影響不顯著，故按照使壓力損失最小的原則，選取C1，即200 mm.煙氣入口速度（D）增大時，綜合換熱系數和壓力損失均增大.由于蓄熱體孔邊長對綜合換熱系數和壓力損失的影響都極其顯著，而使壓力損失最小和綜合換熱系數最大的蓄熱體孔邊長分別是最小和最大的水平值，故應選取中間水平值D3，即6 m/s.煙氣入口溫度（E）增大時，綜合換熱系數和壓力損失單調增大.由于煙氣入口溫度對兩者均影響顯著，可選取中間水平值E3，即1 300 K.換向時間（F）增大時，壓力損失單調增大、綜合換熱系數單調減小.若取F1，即10 s，可同時使壓力損失最小、綜合換熱系數最大.

綜上所述，較優的蓄熱體結構和工況組合為A3B3C1D3E3F1，即孔邊長為3 mm，孔壁厚為1.5 mm，長度為200 mm，煙氣入口速度為6 m/s，煙氣入口溫度為1 300 K，換向時間為10 s.由于該組合不在6因素5水平正交表內，故進行補充模擬試驗，得出其壓力損失為608 Pa，綜合換熱系數為6.57 W/(m2·K).

4 結論

影響壓力損失的因素按顯著性從大到小為蓄熱體孔邊長＞煙氣入口速度＞蓄熱體長度＞煙氣入口溫度＞換向時間＞蓄熱體孔壁厚.

影響綜合換熱系數的因素按顯著性從大到小為蓄熱體孔邊長＞蓄熱體壁厚＞蓄熱體長度＞煙氣入口溫度＞換向時間＞蓄熱體長度.

較優的蓄熱體結構和工況參數組合為孔邊長3 mm，孔壁厚1.5 mm，長度200 mm，煙氣入口速度6 m/s，煙氣入口溫度1 300 K，換向時間10 s.其對應的綜合換熱系數為6.57 W/(m2·K)，壓力損失為608 Pa.