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作者:陈维汉 罗海兵摘要:以炼铁厂的蓄热式热风炉为例,根据热风炉的实际运行状况对热风炉内的流动与换热过程进行合理简化,应用二维模型,采用有限容积法对热风炉内的流动与换热情况进行数值求解,得到了热风炉在不同工况下的气体温度与蓄热体温度的分布情况.模拟计算结果表明:在内燃式热风炉蓄热体中气体的温度分布大致为对数曲线,并且在热风炉中同一高度上气体与蓄热体温差较小,与实际情况相符,这对优化热风炉的运行与设计有参考价值.关 键 词:蓄热式换热器;数值模拟;流动与换热 本研究以某炼铁厂的高炉热风炉为例,根据蓄热体和气体(烟气或者冷空气)之间的流动传热原理,对物理模型进行合理的简化[1],采用有限容积法,应用计算机进行耦合求解,从而得到相应的运行参数以及蓄热体和气体的温度分布规律.这对优化热风炉的运行与设计很有参考价值.1 物理模型及假设热风炉蓄热室的蓄热体由许多径向通孔平行排列组成,其结构如图1所示.由于气体流速较高并且在格孔中的分布较均匀,采用一维参数分布法来处理[2];而单位蓄热体其外形为圆柱形,根据其对称性,简化为二维轴对称问题.基本假设条件如下:ａ.蓄热室内任意截面上烟气流分布均匀,气体流速相等,燃烧期内拱顶温度不变;ｂ.格子砖的热物性仅是温度的函数;ｃ.气流在孔格内与气流垂直方向的孔格换热,主要是边界层传热,而气流平行方向孔格内的导热略去不计,外部热损失不计;ｄ.蓄热体由于轴对称可取其外径处为绝热的边界.2 模型处理及离散化在热风炉的加热过程中,由于烟气中含有大量的ＣＯ2和Ｈ2Ｏ,具有较强的辐射能力[3],同时考虑辐射换热和对流传热.换炉时,作为一种简化处理,只考虑烟气与蓄热体之间的辐射换热而忽略对流换热.在送风过程中则忽略辐射换热.根据文献[4],对流换热系数对计算区域采用第一类网格划分方法,计算的网格划分如图2所示,图中蓄热体内三个控制体所对应的离散方程由于边界条件不同而各不相同,可对微元控制体作热平衡求得.采用有限容积法[5,6],分别对单位控制体作热平衡,得到如下方程式,气体热平衡方程分别为当前节点ｔＰ的四个方位的节点温度;ｔＰ为当前节点温度;ｔＳＰ为当前节点下一时刻的温度.αＷ,αＥ,αＳ,αＮ,αＰ,αＳＰ为方程中控制体各方位相应的系数.本例计算采用均分网格,为保证界面两侧扩散通量守恒,可采用倒数平均关系式来计算控制体界面处的热扩散系数Γｅ=2ΓＰΓＥ/(ΓＰ+ΓＥ).固体区域左边界半个控制体的通用离散方程为ｔＥαＥ+ｔＮαＮ+ｔＳαＳ+ｔｆαｆ=ｔＰαＰ+ｔＳＰαＳＰ.右边半个控制体的离散方程可由内部节点的通用离散方程得到.上述方程中的参数均采用圆柱坐标进行计算.3 设定工况与计算过程3.1 边界条件与初始条件以一个格孔及其所控制的蓄热体作为研究对象,计算的当量直径为ｄｈ=2ｒｉ,ｒｉ为格孔内径.由于蓄热体结构的对称性,取固体计算区域的右边界为绝热边界,左边界为换热边界,同时也是计算时的耦合边界,上边界取为绝热边界条件.初始条件:在实际操作时,上一周期冷风结束时的温度分布是下一周期中热风过程的初始温度.对于本例,在开炉计算时蓄热体采用初始均匀温度(比如80℃),正常加热时赋予蓄热体从进口到出口以一个初始的线性温度分布,并且在蓄热体的同一高度取固体的温度值相等,然后给以气体进口的初始温度,进行加热、换炉以及送风等过程的模拟计算.3.2 计算所需数据给定煤气的成分、流量及发热值,蓄热体尺寸以及热物性随温度变化的函数关系式.其他所需的原始数据有煤气、冷风以及助燃空气温度和流量.本例模拟计算中给予一定的换炉时间,加热时间由烟气出口温度来控制,送风时间也给定.3.3 计算过程在设定的计算条件下,利用气体热平衡方程和固体导热方程以及相应的边界条件,进行逐行扫描计算,采用全场迭代的计算方法,计算采用Ｇａｕｓｓ Ｓａｉｄｅｌ迭代.模拟计算表明在采取较小的时间步长的条件下计算是收敛和稳定的.4 计算结果及其讨论应用自己编制的热风炉传热过程的模拟程序,计算了在给定条件下的一个格孔及其所控制的控制体的流动与传热情况,可以得到在不同工况下的蓄热体和气体的温度分布规律.从图3不同时刻烟气温度随高度ｈ的变化曲线可以看出,在加热时,随着时间的推进,蓄热体的温度逐步升高,其温度变化曲线大致呈现为对数曲线,这是符合传热学理论也是符合实际情况的.图4表示了冷风过程不同时刻气体温度随高度ｈ的变化曲线,可以看到随着送风时间的推进,热风温度逐步降低,并且降温速率加快,其温度变化曲线大致仍然为对数曲线.从模拟结果来看,热风炉蓄热室格子砖在加热过程中温差主要集中在高度方向上以及随时间的变化上,而在水平方向上虽然存在温差,但是差值相对较小.在燃烧加热初期由于燃烧产生的热量先被蓄热室上部的蓄热体所吸收,下部的温度变化很小,对于从常温开始加热的格子砖,出口处的固体温度直到加热很长一段时间后才开始有明显的升高,在此之前一直基本上保持在初始温度.但是一旦温度开始升高,升温的速率很快,这是由于此时上部的蓄热体的温度已经升高到一定的温度,它所能吸收的热量也已很少,烟气的热量开始向下部移动,主要被下部的蓄热体所吸收,因此蓄热体的升温速率加快,大约在5.5ｈ内烟气的出口温度即可以达到设定的250℃,同时可以看出,在出口处烟气和格子砖之间存在一定的温差,不过差值不是很大.在给定一定的条件下,通过模拟计算得到下面运行参数:烟气的体积分数φ(ＣＯ2)=25.53%,φ(Ｈ2Ｏ)=1.82%,φ(Ｏ2)=0.45%,φ(Ｎ2)=72.18%;理论燃烧温度为1309.18℃;实际燃烧温度为1243.72℃;烟气流量和流速,助燃空气流量,冷风流量和流速等运行参数.开炉计算时烟气出炉温度达到给定控制温度250℃的时间为337ｍｉｎ.经过和热风炉运行参数对比,以上数据是基本符合实际情况的.数值计算的结果表明计算采用的物理模型和数学模型是合理的,对模型所做的简化也是符合工程实际的,这样的处理方法在进行相应的实际验证之后就可以在设计和运行中加以应用.同时为了增加蓄热室格子砖的蓄热量,在蓄热室高度一定的情况下,可以通过在一定范围内减小格子砖的格孔通道面积来实现,另外还应该采取适当的方法来减小通道入口处的流动阻力以增强换热.参考文献[1]罗海兵,陈维汉.蓄热式换热器传热过程的数值模拟[Ｊ].化工装备技术,2004,25(4):14—18[2]陈维汉.管内流动换热过程的性能综合分析[Ｊ].华中科技大学学报,2001,29(1):18—21[3]卡里尔ＥＥ.燃烧室与工业炉的模拟[Ｍ].陈 熙,周晓青译.北京:科学出版社,1987.[4]项钟庸,郭庆弟.蓄热式热风炉[Ｍ].北京:冶金工业出版社,1988.[5]陶文铨.数值传热学[Ｍ].第2版.西安:西安交通大学出版社,2001.[6]陶文铨.计算传热学的近代进展[Ｍ].北京:科学出版社,2000.
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