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填充床换热器内置圆形通道对取热的影响点击：1734 日期：[ 2014-04-26 21:35:24 ] |
| 填充床换热器内置圆形通道对取热的影响 高增丽1，2刘永启2苏庆泉1高振强2 (1.北京科技大学，2.山东理工大学) 摘要：利用fluent三维数学模型研究了蜂窝陶瓷填充床内圆形通道特征尺寸对内置换热器取热的影响。结果表明，换热管周围热气体平均流速随着内置圆形通道直径的增加而减小，取热效率则随着圆形通道直径增加呈现先增加后减小的趋势，并存在最大值;在管内工质水工况确定的条件下，换热器取热受换热管周围热风流速、风温的影响以及来自蜂窝陶瓷端面与内部通道辐射的影响。 关健词：蜂窝陶瓷 内置换热器 取热 每年因为采煤而产生的大量的乏风瓦斯成为世界的一大难题，对空排放不仅污染环境而且浪费能源。甲烷的温室效应是CO2的23倍，同时又是一种清洁能源。由于煤矿乏风中甲烷含量非常低(＜0.8%)，传统燃烧方法不能将其氧化成二氧化碳而排放，目前广泛采用的是热逆流氧化。试验研究表明，在热逆流氧化中甲烷的浓度如果高于0.2%［1］，甲烷氧化产生的热量除维持自身反应外还有部分热量剩余，剩余热量可以取出加以利用。从上世纪初MEGTAC公司就致力于超稀薄气体的燃烧研究，将煤矿乏风氧化成CO2后排放在技术上已经相对成熟［2－8］，但是对于剩余热量的提取研究仍然很少［9－10］。氧化床热量的提取一般在氧化床中心两侧的恰当位置布置换热器，通过加热管内的工质水而向外输出热量。这种布置在蜂窝陶瓷内的换热器同传统换热器有很大的不同，换热器的设计与布置缺乏理论依据。换热器通常布置在填充床内的矩形通道或者圆形通道内，该文主要研究圆形通道特征尺寸变化对换热器取热的影响。 1·数值模拟方法 1.1计算模型 计算物理模型如图1，蛇形管换热器内置于蜂窝陶瓷填充床内的圆形通道内，圆行通道在垂直蜂窝陶瓷小通道的方向设置，随着通道特征尺寸(直径)的变化，换热管周围的气体流速会发生相应的变化，同时来自通道蜂窝陶瓷端面以及内部小通道对换热管的辐射面积也会发生变化。由于热风流路与水流路相互垂直，采用三维模型，考察圆形通道D的变化对换热器取热的影响。 计算中包括气相(空气)、液相(水)的流动、传热过程以及固体的传热过程分别设定两个流体区，将固体与空气共存区域设置为多孔介质，流动与传热控制方程如下: 流体质量守恒方程(连续性方程) 式中:T为流体温度，K;cp为流体比定压热容;sT为源相;λ为流体导热系数。固体能量方程： 1.2计算方法与边界条件 由于计算模型尺寸比较大且不规则，均匀划分网格会使网格数量增加，计算量增大，对计算机的内存要求较高。为了减少网格数量又不影响计算精度，计算采用分块划分、结构化与非结构化网格相结合的方式对计算区域进行网格划分，结构复杂的换热区采用混合网格进行划分，网格划分较密以增加对不规则空间的适应性。划分网格品质大于0.8的网格数为0。近壁点采用壁面函数法处理，稳态隐式格式求解;采用标准的k－ε湍流模型计算湍流参量的影响;控制体积截面物理量采用二阶迎风差分格式获取;采用SIMPLE算法处理压力与速度的耦合问题;换热器管外流动介质为热空气，物性参数为定性温度下的常量，给定热空气的进口质量流量(kg/s)及相应温度;换热器管内流动介质为水，物性参数为入口水温下的常量，给定水的进口流速及相应的温度。蜂窝陶瓷采用多孔介质均质模型，多孔介质辐射模型为DO辐射模型，辐射参数根据陶瓷材料的光学性能确定，壁面辐射通过添加壁面发射率实现。 2·计算结果与分析 2.1热气体平均流速随D/d的变化 图2为相同工况下，换热器内置圆形通道内热气体平均流速随D/d的变化，可以看出随着D/d的增大，圆形通道内气体平均流速减小。这是因为在热风工况确定条件下，当通道直径D扩大时，流入换热器周围的热气体量的增加是与πD2l(D为通道直径，l为通道长度)成正比变化的，而流入的热气体量要在πD2l的空间内分配(气体流向x、y、z三个方向)，所以随着D的增大，通道内气体平均流速减小。 2.2 D/d变化对取热效率的影响 图3为换热器取热效率(换热器管内工质水获得热量/热气体进入时的物理热)随D/d的变化，可以看出换热器取热效率并没有随着换热管周围气体流速的降低而单调递减，而是呈现先增大后减小的趋势，这说明在换热器与热气体、蜂窝陶瓷换热的过程中，对流换热并没有起到决定性的作用。 随着D/d的增大，换热管周围气体流速下降，削弱了换热管外壁与热气体的对流换热。但是随着D/d的增大，来自蜂窝陶瓷端面以及蜂窝陶瓷内部小通道的辐射面积增大，辐射换热得到强化，换热器取热效率取决于二者的综合作用。 2.3 D/d=1.94与床层没有蜂窝陶瓷速度等值线图对比 选取取热效率最大时(D/d=1.94)圆形通道内气体速度等值线图，与床层没有陶瓷时的气体速度等值线图进行对比。图4与图5对比可以看出，取热区蜂窝陶瓷使的换热器内置空间的气体速度增大(平均速度1.7447m/s，最大速度达到2.9m/s)，速度梯度也增大，有利于强化对流换热。而中间不夹陶瓷时的速度较小(平均速度1.2023m/s，最大速度为2.4m/s)，但是换热器取热效率并不仅仅依赖速度的变化，还取决于其他方面的影响，如与填充蜂窝陶瓷与换热管外壁面发生辐射的面积。 3·结论 (1)蜂窝陶瓷填充床换热器内置圆形通道内，气体平均流速随着通道直径的增大而减小。 (2)蜂窝陶瓷填充床圆形通道内换热器的取热效率随着通道直径的增加呈现先增大后减小的趋势，并且存在最大值。 参考文献:略 |
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