蜂窩陶瓷蓄熱室內氣體傳熱過程數值模擬研究

汪建新，王恩浩，吳啟明，江 華

(1.內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014000；2.北京鳳凰工業爐有限公司，北京 100083)

20世紀80年代被開發并廣泛推廣的蓄熱式燃燒技術[1]又被稱為高溫空氣燃燒技術，因其顯著的節能效果與特殊的燃燒過程，得到了國際工業爐領域的普遍應用[2-4]。相比于傳統的燃燒方式，蓄熱式燃燒技術實現了超低NOx排放，緩解了環境污染問題。由于預熱空氣溫度可以達到1 000 ℃以上，排煙溫度普遍在200 ℃左右，在大幅提高燃料利用率的同時減少了燃料的損耗。常溫空氣被預熱到接近高溫煙氣的溫度，空氣與燃料可以在爐膛內充分混合，實現貧氧燃燒。同時，加熱爐沒有預熱段，爐膛內燃燒平緩、均勻，使鋼坯在爐內被迅速加熱，縮短了工作時間，產品質量相比其它燃燒方式有大幅提高[5]。

蓄熱室是工業爐中余熱回收的重要裝置[6-7]。蓄熱室內規則地放滿蓄熱體， 為了減少熱量損失，并使蓄熱室擁有足夠的強度和氣密性，蓄熱室外側還采用耐火材料與鋼板覆蓋，蓄熱室結構與參數以及蓄熱體材料與結構是技術的關鍵。目前國內普遍采用的蓄熱體有蜂窩陶瓷蓄熱體和陶瓷球蓄熱體等，阻力特性和換熱特性是蓄熱室的兩個重要的指標，以蜂窩陶瓷蓄熱體為例：

(1)阻力特性[8]：是指通過蓄熱室的氣體與其相應的阻力損失之間的關系。它是體現蓄熱室和蓄熱體工作性能的重要參數之一，直接影響到蓄熱室的設計和工業爐供風系統、排煙系統的選擇。蓄熱室內的阻力損失與蓄熱體的高度和蓄熱室內氣體空塔的流速成正比，與蓄熱體的孔徑成反比。

(2)換熱特性[9]：是指通過蓄熱室的氣體與蓄熱體間熱量轉移的關系。蓄熱室的換熱過程較為復雜，主要包括對流、輻射及傳導等非穩態換熱過程。對于一定材質的蓄熱體，綜合換熱系數隨蓄熱體孔徑的增大和換熱時間的增加而減小。

與傳統燃燒方式相比，蓄熱式燃燒技術余熱利用更加成熟，具有較大潛力和發展前景。雖然被廣泛推廣應用，依然存在一些尚未有效解決的問題。對于蓄熱室，其作為儲熱裝置，在工作時被反復加熱和冷卻，既要承受疲勞熱應力，又要經受高速氣流沖刷，長期使用后易形成結構變形、開裂或漏熱等故障。針對蓄熱室內氣體傳熱過程的仿真研究，通過引入流體域和多孔介質建立蓄熱室三維模型，分析其在傳熱過程中的導熱特點，得出蓄熱室工作時溫度、壓力的分布，深入了解氣體在蓄熱室內的流通，從而進一步探索蓄熱室出現故障的原因及規律。

1 工作過程

工業爐工作分為加熱期和冷卻期，原理如圖1所示：開始工作時，常溫空氣通過右側通道進入蓄熱室1被高溫蓄熱體預熱，與燃料混合后經右側燒嘴B噴出后燃燒，左側的燒嘴A用于排出煙氣，高溫煙氣進入蓄熱室2內將大部分熱量傳遞給蓄熱體完成熱量交換后以200 ℃左右的溫度排入大氣，到達換向時間后，換向裝置改變空氣與燃料的流動方向，常溫空氣進入蓄熱室2被高溫蓄熱體預熱到較高溫度后，與燃料混合通過左側通道經燒嘴A噴出燃燒，此時燒嘴B用于排出煙氣，高溫煙氣進入蓄熱室1后將大部分熱量傳遞給蓄熱體后成為低溫煙氣排放到大氣內，到達設定時間后再次換向，如此實現工業爐的連續運作。

圖1 蓄熱式燃燒器工作原理圖

蓄熱式燒嘴在工業爐中成對存在交替工作，當一側的燒嘴用于加熱常溫空氣時另一側的燒嘴用于排出高溫煙氣，常溫空氣經過換向閥進入一側蓄熱室后，被預熱至接近蓄熱體的溫度，然后以較高溫度進入到爐膛當中，此時爐膛內氧含量少空氣稀薄，高溫空氣與燃料混合后在貧氧環境下燃燒，產生的高溫煙氣經過另一側蓄熱室，將大部分熱量傳遞給蓄熱體后成為低溫煙氣被排出。

蓄熱室的結構以某工業爐公司設計的半工業試驗蓄熱室為原型，使用的煤氣為熱值3 140 kJ/m3的高爐煤氣，蓄熱室內填充的單塊蜂窩陶瓷蓄熱體尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，孔型是正六方形，孔數為23×20，孔徑4 mm，開孔率為64%，比表面積為608 m2/m3，空格寬度為2.45 mm，進入蓄熱室的常溫空氣為288.15 K，進入蓄熱室的高溫煙氣溫度為1 423.15 K，空氣的預熱溫度可到1 273.15 K，陶瓷蓄熱體內空氣流速為1.3 m/s，煙氣流速為1.6 m/s，燒嘴前空氣與高爐煤氣壓力不低于3.5 kPa，加熱爐的換向時間為70 s[10]。

由于蓄熱體數量較多，蓄熱室的內部整體結構過于復雜[11-12]，溫度變化十分劇烈，給計算帶來了很大的困難和不確定因素，為了減輕計算負擔，提高計算精度，將三維模型簡化為多孔介質模型，簡化后的三維模型空隙率為64%，垂直于氣體流動方向的黏性阻力為無窮大。

2 假設條件

為了便于計算，做出以下假設[13]：

(1)進入蓄熱室的氣體為理想氣體；

(2)將蜂窩陶瓷蓄熱體存在的區域簡化為多孔介質；

(3)大氣壓強P0=101 325 Pa，常溫空氣T0=288.15 K；

(4)各個壁面封閉性良好且為非絕熱壁面，與外界存在能量交換但沒有物質交換；

(5)垂直于氣體流動方向上的黏性阻力為無窮大。

3 有限元模型與邊界條件的確定和施加

1)湍流模型

由于采用了結構化網格劃分，網格質量較好，能較好地滿足計算需求，湍流模型采用精度、可信度較高的SSTk-o模型。

2)輻射傳熱模型

輻射模型選擇精度較高DO模型，能夠求解大多數燃燒問題中的輻射問題，且對于計算機的要求比較適中。

3)邊界條件

進口邊界條件：高溫煙氣和常溫空氣的進口速度、溫度以及組分各占體積分數值的給定。湍流模型的變量， 指定進口的水力直徑，湍流強度值為5%。

出口邊界條件：采用壓力出口邊界條件， 給定出口值為-3.5 kPa。

在加熱期期間，高溫煙氣為傳熱介質，進口類型為velocityinlet，出口類型為outflow；在冷卻期期間，常溫空氣為傳熱介質，進口類型為velocityinlet，出口類型為pressureoutlet。各計算域之間用interface接口連接用于數據傳輸。

4)網格劃分及數值計算

網格劃分是數值模擬過程中最重要的環節之一，網格的質量是模擬計算能否成功的關鍵，它對于結果的準確性、收斂性和計算速度等至關重要[14]。網格數量的多少和質量的高低對計算精度和計算速度起著決定性作用。本文使用solidworks創建物理模型，使用ICEM劃分結構化網格，應用了“O”型網格生成技術添加邊界層網格，y+值在40～150，滿足湍流方程的需求。整個計算區域總網格數量接近250萬，網格質量較好且全部在0.57以上，求解器選用segregated solver，采用coupled算法和二階迎風格式，標準湍流模型的殘差小于10-4。

4 數值模擬結果及分析

4.1 壓力分布

由圖2可以看出，隨著燃燒器爐膛溫度的不斷升高，蓄熱室內部的壓力也隨之升高。蓄熱室內的壓力分布大致可分為四個梯度，沿著蓄熱室的長度方向逐漸降低，負壓升高，煤氣出口處鼓風機提供的負壓為3.5 kPa，由圖2知，隨著蓄熱室減小出口壓力，蓄熱室內部的壓力也隨之下降。相比于出口壓力，煤氣入口壓力約為600 Pa，到達第一層蓄熱體時的壓強約為100 Pa，到達最后一層蓄熱體時的壓強約為-300 Pa，平均每層蓄熱體的壓降約為40 Pa，因此，經過十層蓄熱體排煙，蓄熱室總的壓力損失約為400 Pa。

圖2 蓄熱室壓力分布圖

4.2 溫度分布

在傳熱初期，隨著爐膛溫度的升高和氣體流動速度的加快，蓄熱室內的溫度隨之不斷升高。當工業爐進入穩定工作狀態時，蓄熱室內溫度分布如圖3所示。蓄熱式燃燒器經過前、后兩個周期的不斷交替運行后，蓄熱室內的溫度也逐漸進入穩定狀態，由圖3知，高溫煙氣入口處的溫度在1 400 K左右，常溫空氣入口處的溫度在500 K左右，與實際情況較為符合；蓄熱室兩端的溫度略高于蓄熱體的溫度。溫度在蓄熱體內的溫度分布較為均衡，沿蓄熱室長度方向的蓄熱體受熱較為均勻，在接近蓄熱室四周內壁的區域溫度略高于其他地方。

圖3 蓄熱室溫度分布圖

4.3 形 變

蓄熱室形變分布圖如圖4所示。在流固耦合中，將蓄熱室的材料設置為硅[15]，整個蓄熱室的應變由下到上呈扇形逐漸增大，形變最大的地方出現在高溫煙氣入口上方的直角處，形變的最大值約為0.28 mm，收縮百分比為0.05%，應變最小值出現在蓄熱室的底部，應變幾乎為0，蓄熱室頂端四個直角處的應變大于中間區域。

圖4 蓄熱室形變分布圖

5 結 論

(1)蓄熱室的高溫煙氣入口處壓力最大，大致分為四個梯度，沿著蓄熱室長度方向逐漸降低，蓄熱室總的壓力損失約為400 Pa。

(2)溫度最高的地方出現在高溫煙氣入口附近，約為1 400 K，溫度最低的地方出現在常溫空氣入口附近，約為500 K，蓄熱室兩端及內壁區域溫度高于其他地方。

(3)形變最大的地方出現在高溫煙氣入口頂部的兩個直角處，約為0.28 mm，收縮百分比為0.05%，應變最小值出現在蓄熱室的底部，幾乎為0。