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往复流多孔介质燃烧换热器热量提取的数值研究点击：1814 日期：[ 2014-04-26 21:39:48 ] |
| 往复流多孔介质燃烧换热器热量提取的数值研究 史俊瑞1, 刘 红2, 李 军3, 李 刚3, 王启民1 ( 1.沈阳工程学院沈阳市生物质发电重点实验室,辽宁沈阳 110136;2.大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连 116024;3.大连大学建筑工程学院,辽宁大连 116622 ) 摘要:通过一维双温模型,研究多孔介质中的燃烧特性和换热器的热量提取。预测的气体和固体温度曲线基本上为M型分布。数值结果表明,在往复流多孔介质燃烧器系统中,甲烷的贫可燃极限可以扩展到当量比0.15。当换热器的长度从6mm增大到14mm时,热效率由0.39增加到0.61。随着换热器长度和当量比的增大,热量提取效率增大。 关键词:热量提取;多孔介质;换热器;数值研究 中图分类号: TK411.1文献标识码: A 文章编号:1671-8097(2009)03-0272-05 DOI:10.3969/j.issn.1671-8097.2009.03.015 0 引 言 多孔介质燃烧换热器是指在多孔介质燃烧器内同时布置换热器,使得燃烧器与换热器集成于一体。这种集成的燃烧-换热器具有非常紧凑的结构,比常规的燃烧器的尺寸小10 ~ 15倍,功率调节可达到1∶20[1]。换热器布置在燃烧器的下游,称为单向的多孔介质燃烧换热器,适用于热值较高的燃气。国外研究者对此开展了大量的实验[2-3]和数值研究[4-5],并开发了适用于家庭使用的产品[1]。 为了充分回收下游的热量,人们又提出了往复式多孔介质燃烧换热器,即将预混气体的流向实行周期性的换向,以实现最大可能的热量回收。泰国学者Jugjai等[6-7]实验研究了往复流动下的燃烧换热器,并与单向的做了对比。Bingue等[8]在后来的实验研究中,对往复式燃烧换热器做了进一步的研究,考虑了冷却水的流动速度、半周期、输入的热值和填充小球的直径对换热器的效率和污染物排放的影响。研究表明,往复式比单向的燃烧换热器具有更高的热效率(高达80%)和更低的污染物排放(NOx体积分数小于4×10-5)。 美国伊利诺斯州大学不仅在单向过滤燃烧方面做了大量的研究工作[9-11],在预混气体往复流动下多孔介质燃烧器和燃烧换热器的开发方面,做了大量的实验和数值研究[12-13]。该团队成员实验研究了逆流燃烧器。在实验的基础上,又开发了实验室规模的多孔介质热水器和锅炉。结果表明,该多孔介质热水器和锅炉可以在当量比为0.15~ 1.00运行,热效率达到80% ~ 90%,而且得到了超低的污染物排放水平,尾气中NOx和CO的体积分数分别低于10-6和5×10-7。该团队成员Contarin等[13]以自己实验室的燃烧器为原型,数值研究了往复流动下的燃烧换热器。Contarin等在燃烧器的两端放置换热器,通过周期性的换向,使得火焰稳定在燃烧器的中间部位。文献[13]没有考虑填充床中混合气体的压力降,同时将气体混合物假设为由反应物和生成物组成,因此无法预测每个气体组分的分布。 国内对多孔介质燃烧换热器的研究开展的较晚,只有浙江大学开展了初步的研究[14]。大连理工大学研究了多孔介质中超绝热燃烧[15-16]。对往复式多孔介质燃烧器开展深入的研究,不仅有利于提高我国的用能水平,而且可以减少污染物的排放。本文以实验[12]为原形,对往复式多孔介质燃烧器进行一维双温数值研究,考虑多孔介质的导热,辐射和混合气体的热弥散效应。同时考虑气体流过多孔填充床时的压力降,并通过求解组分方程预测组分的分布,深入探讨多孔介质燃烧器内的燃烧特性,传热和热效率的影响因素,为开发我国特色的多孔介质燃烧换热器提供指导。 1 数学模型 1.1 控制方程 与实验保持一致,模拟区域选为总长为500mm的区域。如图1所示,中间区域为5.6 mm的氧化铝小球填充床,孔隙率为0.4,两侧分别对称布置换热器。图1中标出的燃烧器的长度为0.12 m,这只是其中的一种工况,本文研究的其他工况还包括燃烧器长度为0.06、0.08、0.1和0.14 m。在燃烧器的中间区域,引入热损失系数β考虑系统通过管壁的热损失。在换热器区域,通过换热器的热流由β(Ts-T0)计算[13],β的取值见图2。计算中多孔介质固体的比热容、密度选为定值,气体的热物性参数都是随温度变化的。 为了简化起见,研究中假设: 1)与气体相比,多孔介质有着良好的导热性能和辐射能力,而且整个燃烧室绝热良好,故火焰结构和热量传递简化为一维问题; 2)多孔介质为各向同性的、惰性的光学厚介质; 3)混合气体为理想气体,忽略气体辐射的影响;忽略气体在填充床中流动时的压力损失。 4)实验中螺旋式换热器的外部填充了5.6mm的小球,该处同样假设为多孔介质区域,孔隙率为0.4。基于假设,则控制方程分别为:状态方程、连续方程、动量方程、气体能量方程、多孔介质固体能量方程和气体组分方程。 气体能量方程考虑了气体混合物热弥散效应[13]。式(1) ~ (5)中:x为轴向距离;p为压力,在本文中假设不变,设为大气压力;ρg、ρs为混合气体和固体的密度;cg,cs为混合气体和固体的比热容;Dd为热弥散系数;ε为孔隙率;λs、λr为多孔介质的导热系数和辐射折合导热系数[13];λg为气体的导热系数;hv为气固两相间的对流换热系数[13];h0为甲烷低热值;wi为气体混和物中第i种组分的质量分数;化学反应简化为单步总包反应,ω为甲烷消耗速率[13]。本文中定义热提取效率为： 式中:A为燃烧器截面积,qm为燃料的质量流量,Pex为热量提取的功率,其表达式为 火焰面在多孔介质中传播,固体温度随时间变化,因此热效率也随着时间变化,即在没有达到稳态平衡时,在每个周期内热效率都是变化的。本文通过自定义函数,可以预报每个周期内的热效率。 1.2 边界条件 1.3 初始条件和求解 应用容积平均法进行求解。为了模拟点火过程,在燃烧器中间20 mm处预先设定一个1 400K的高温区,然后通以当量比接近于1的混合气预热;待燃烧稳定后,逐渐减小当量比到目标值。从第一周期开始计算到准稳态平衡,每种工况需要往复二十多个周期。本文判定达到准稳态平衡的标准是在半周期结束后,最后一个半周期的气体、固体温度曲线等,分别与前一个周期对应的半周期的曲线重合。故本文中所介绍的气体、固体等曲线,除了特别申明外,均为正向半周期结束时,半周期为100 s和流速为0.2 m/s,β值分布如图1所示的工况下计算得到的。整个计算域划分为1mm的正方形网格。 2 计算结果与分析 2.1 气体、固体温度和反应速率分布 图3为多孔介质燃烧器内的气体和固体温度分布。在入口端温度曲线的正向梯度部分,气体温度低于固体温度,气体通过对流换热得到预热,着火后温度超过固体温度。在燃烧器中间段,对流换热量很小,气体温度稍高于固体温度。在出口端温度曲线的负梯度部分,气体温度高于固体温度,燃烧释放出来的部分热量又蓄积到多孔介质床内。因此,燃烧器的两端布置两个换热器,用于吸收气体的热量;而中间部分为燃烧器,为气体的燃烧提供了场所。 在两侧的换热器区域,气体和固体温度曲线相对平缓,这是预混气体放出的反应热,通过热量交换传递给了换热器。特别需要指出的是,甲烷/空气的预混气体在自由空间燃烧所需的最小当量比约为0.53。而组织其在多孔介质燃烧换热器中燃烧,贫可燃极限可以扩展到0.15。因此,极大地拓展了贫可燃极限。这就是预混气体多孔介质中燃烧的独特优势。利用该技术,可以拓宽燃料的使用范围。不仅如此,由于在燃烧器的两侧嵌入了换热器,甚至还可以回收一部分热量。图3中同时标出了甲烷的反应速率。可以看出,反应域很窄,只有几个毫米的尺度,反应的最高速率对应于气体最高温度。 2.2 燃烧器长度对温度分布的影响 图4为换热器长度对固体温度分布的影响。换热器的长度对固体最高温度的影响很小。固体温度分布呈现类似于M型的分布。随着换热器长度的增加,固体最高温度的区域在减小。这是因为随着换热器长度的增加,意味着换热面积的增加,有相对更多的热量被换热器所吸收,故高温区域的长度在减小。 2.3 换热器长度对热量提取效率的影响 图5为换热器长度(L)对热量提取效率的影响。随着换热器长度的增加,换热面积相应的增加,热提取效率线性增大。当量比0.2,换热器的长度为6 mm时,热提取效率为0.39。当量比增大为0.3,热效率相应的增大。为了验证本文的模型,图5中同时标出了文献[13]和实验的结果。本文的结果与文献[13]取得了相同的趋势,其值小于文献值,相对误差为7%~17%,充分证明本文的模型和预测结果是有效的。为了进一步证实模型,图5中同时标出了当量比为0.3,换热器长度为12 cm时实验测得的热效率。可以看出,数值预报的结果与实验值吻合的很好。 3 结 论 1)当量比仅为0.15的甲烷/空气的混合物在多孔介质燃烧换热器中可以稳定燃烧,热提取效率达到39%。 2)随着换热器长度和当量比的增大,热提取效率线性增加。 参考文献:略 |
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