蜂窝陶瓷蓄热体中的辐射传热

和蒙蒙 刘瑞祥 刘永启 高振强 郑 斌

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255049）

蜂窝陶瓷蓄热体中的辐射传热

和蒙蒙 刘瑞祥 刘永启 高振强 郑 斌

（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255049）

蜂窝陶瓷是由贯穿本体非常密集的小孔构成，当载热气体沿孔隙通过蜂窝体时，则其中每一单孔可看作非等温空腔。在前期模型的基础上，以圆形孔道的辐射蜂窝体为研究对象，建立了考虑辐射、对流与热传导复合传热时的能量控制方程。使用FlexPDE软件数值计算出蓄热陶瓷氧化床的温度分布以及辐射对氧化床温度的影响。结果表明，氧化床轴向温度呈梯形分布；辐射具有平滑氧化床温度梯度的作用。所得模拟结果与实验结果较为吻合。

矿井乏风；热逆流氧化装置；蜂窝陶瓷；复合换热；辐射；数学模型；FlexPDE

0 引言

煤矿开采中，我国每年通过乏风向大气中排入大量CH4，而且基本没有利用。甲烷既是一种优质的清洁能源，又是一种温室气体，以一百年计甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍，直接排空既造成了不可再生资源的浪费，又加剧了大气污染和温室效应[1]。矿井乏风中甲烷含量极低（体积浓度一般为0.1%～1%），用常规方法进行利用较困难，采用煤矿乏风热逆流氧化技术可将其用作清洁能源，具有重要的研究价值。

蓄热氧化床是煤矿乏风热逆流氧化装置的关键部件，由外壳，保温层，蓄热室等组成。蓄热氧化床是乏风直接氧化，能量回收的场所，它直接与预热空气或高温烟气接触，进行周期性的吸热与放热，运行的工作条件要求蓄热材料具有耐高温，良好的导热性和蓄放热速率，较大的密度和比热容，抗热震性能好、经济实用等特点。目前蜂窝陶瓷蓄热体由于比表面积大，蓄放热速度快，开孔率高，阻力损失小等优点，能显著提高环保节能效果，在工业炉窑上得到了广泛的应用与推广[2]。因此，采用蜂窝陶瓷作为煤矿乏风热逆流氧化装置的蓄热体。煤矿乏风在氧化床中燃烧，即使燃烧组分很低，但燃烧温度也可高达1000℃，因此研究蓄热氧化床的传热传质过程必须考虑蜂窝陶瓷蓄热体的辐射传热。目前对于多孔介质辐射热传递的研究要么不考虑固体热辐射[3]，要么将其折算到有效导热中去[4]。杜礼明等人采用辐射传递的有限体积法求解了固相能量方程中的辐射源项[5]。赵平辉等人采用双通量模型考察了多孔介质构架中的辐射换热[6]。

蜂窝陶瓷是由贯穿本体非常密集的小孔构成的，当载热气体沿着孔隙流过蜂窝体时，蜂窝体中发生辐射、对流和热传导复合传热过程，则其中每一单孔可看作非等温空腔。空腔内壁的不同区域之间以及内壁与两端环境之间具有辐射热交换[7]。蜂窝体的多孔性，使之具有很大的几何表面积，因而能够把燃烧气体显热高效地转换成固体辐射热[8]。在前期工作中，已经为氧化床建立了考虑蜂窝陶瓷中对流和热传导复合存在时的数学模型，并对该模型进行了实验验证，实验结果和模拟结果基本吻合[9]。本文的目的是在前期模型的基础上，根据辐射传热的基本原理，以圆形孔道的辐射多孔体为研究对象，建立考虑辐射，对流和热传导复合传热的数学模型。利用该数

1 实验装置

图1所示装置由1个氧化床、4个阀门和1个能量获取系统组成。氧化床的主体尺寸为2.1m×1m×1m，氧化床内部采用蜂窝陶瓷作为蓄热体，内表面采用陶瓷纤维棉等保温材料，使床体表面几乎没有热量散失，氧化床中间为电加热器。在床体轴线上布置12个热电偶测点。

工作原理：首先利用电加热器对氧化床进行预热，通过加热的热量被氧化床中的蓄热蜂窝陶瓷吸收，陶瓷温度逐渐升高，并形成一个抛物线形的温度梯度场，当氧化床中心部分的温度达到甲烷的氧化温度（约950℃）时，停止电源加热。然后低温煤矿乏风进入氧化床后，蓄热陶瓷逐渐预热乏风，当达到其氧化温度后，CH4与氧气发生氧化反应释放热量，一部分热量被蓄热陶瓷吸收，维持氧化床内部温度，使下一循环进入的CH4继续氧化反应，氧化装置即可自动稳定运行。多余的热量由内置换热器取出。

2 数学模型

氧化床采用一维非均质连续模型。如果气体沿蜂窝体孔隙流动在规定的截面上流速和温度均匀，则蜂窝体孔间壁在截面方向上就没有热量传递，即空腔壁是绝热的。这样蜂窝体产生的效应将是所有孔的总和。只要以单孔进行研究，即可通现整体的情况。对于每一个小孔来说，是两端与环境相通的空腔。采用圆孔进行研究，如图2所示。

设进口和出口处气体温度分别为Tg1和Tg2，蜂窝陶瓷空腔内壁为漫射灰表面，黑度为ε。进口和出口两端的环境温度分别为Ta1和Ta2，且看成黑体。

2.1 能量方程的建立

在距空腔进口端x处取一微圆环面积dAx(=πDdx)，考虑对流，辐射，热传导和陶瓷蓄热的作用，则微圆环面dAx的能量方程为

壁面上其它各微元面(dAY(=πDdy))投射到dAx微元面的总能量为

取空腔直径D为特征尺寸，进口气体温度Tg1为特性温度，化方程(3)为无因次式。

将5(a)带人(4)式，对(4)式进行两次求导，并减去4 倍的(4)式消去积分，将(5b)，(5c)代入得到

(7)式即蜂窝陶瓷蓄热体带有辐射源项的固体能量平衡方程。需要给出气体能量平衡方程和气体的质量平衡方程才能求解蜂窝体内的传质传热过程。

气体的能量平衡应考虑到轴向热传导，对流和反应热的影响。气体的蓄热能力相对于固体的蓄热能力非常小，因此忽略气体的蓄热作用。那么，气体的能量平衡方程为

气体的质量平衡应考虑到轴向扩散，对流和反应项的作用。因此，气体质量平衡方程为

2.2 边界条件的建立

基本方程建立以后，在一定条件下可以求解，为此需确定边界条件。

方程(7)、(8)、(9)和边界条件(10)、(11)就是蜂窝体空腔辐射、对流、热传导复合换热完整的数学描述。

2.3 数值计算符号说明

a为比表面积 (m2/m3)；Cf为气体的摩尔密度(mol/m3)；CP,f为气体的定压比热容 (J/(kg·K))；CP,s为固体的定压比热容(J/(kg·K))；Da,eff为轴向有效扩散系数(m2/s)；D为空腔直径(m)；F为角系数；G为投射辐射 (W/m2)；h为气体与固体的对流换热系数(W/(m2·K))；△HCH4为甲烷反应的焓 (J/mol)；J为有效辐射 (W/m2)；kf,eff为气体的有效导热系数 (W/(m·K))；ks,eff为固体的有效导热系数 (W/(m·K))；l为空腔长度(m)；RCH4为甲烷的反应速率 (mol/(m3·s))；t为时间；Ta1为进口环境温度(K)；Ta2为出口环境温度(K)；Tg1为进口气体温度 (K)；Tg2为出口气体温度 (K)；Tf为反应器中气体温度(K)；Ts为反应器中固体温度(K)；us为表观速度(m/s)；x为到空腔进口端的距离(m)；x¯=x/D；y¯=y/D；YCH4为甲烷的体积分数；Θ 为无因次温度；ε为固体发射率；εs为蜂窝陶瓷孔隙率；σ为黑体辐射常数 (W/(m2·K4))；ρf为气体密度 (kg/m3)；ρs为固体密度(kg/m3)。

3 模拟与实验结果分析

3.1 氧化床的轴向温度分布

使用FlexPDE软件，对上述控制方程进行数值求解，得出氧化床的轴向温度分布。模拟过程中，甲烷体积浓度为0.8%，氧化床入口表观速度为0.5m/s，换向时间为100s。图3～图5分别显示了一个周期的氧化床轴向温度分布。由图可看出蓄热氧化床的轴向温度呈梯形分布，且实验值与模拟结果吻合较好。

3.2 蜂窝体中辐射对氧化床温度的影响

蜂窝陶瓷中的传热传质过程非常复杂，为了清晰地考察蜂窝体中辐射作用的影响，假设氧化床处在某一初始温度场下，且只受辐射的影响。图6显示了氧化床轴向温度分布在辐射作用下随时间的变化。模拟结果显示，由于辐射的影响，氧化床的温度分布越来越均匀，温度梯度逐渐减小。

4 结论

采用蜂窝陶瓷作为煤矿乏风热氧化装置的蓄热体。本文在前期模型的基础上建立了在蜂窝体中考虑辐射，对流和导热复合传热时的数学模型。数值模拟结果显示，氧化床轴向温度呈梯形分布。辐射使氧化床温度分布越来越均匀，具有平滑氧化床温度梯度的作用。氧化床的数学模型考虑辐射作用后，模拟结果与实验结果吻合较好。

1 GOSIEWSKIK,MATROSYS,WARMUZINSKIK.Homogeneous vs.catalytic combustion of lean methane-air mixtures in reverse-flow reactors.Chemical Engineering Science,2008,63(10):5010～5019

2 高阳.蜂窝陶瓷蓄热体传热与阻力特性研究.重庆:重庆大学,2008

3 MARIN P,ORDONEZ S,DIEZ F V.Simplified design methods of reverse flow catalytic combustors for the treatment of lean hydrocarbon-air mixtures.Chemical Engineering and Processing,2009,48:229～238

4 姜海,赵平辉,徐侃等.多孔介质燃烧的二维数值模拟.中国科学技术大学学报,2009,39(4):385～390

5 杜礼明,解茂昭.往复式多孔介质超绝热燃烧中辐射传热有限体积法.大连理工大学学报,2006,46(5):673～678

6 赵平辉,叶桃红,丁敏等.多孔介质燃烧器的辐射输出效率和污染物.燃烧科学与技术,2007,13(6):549～553

7 唐铁驯,孙龙.蜂窝体中对流、辐射复合换热效应.东北工学院学报,1992,13(2):146～151

8 邢桂菊,李文忠,唐铁驯.方形孔道辐射多孔体的辐射角系数数值分析.冶金能源,2001,20(2):23～25

9 LIU Ruixiang,LIU Yongqi,GAO Zhenqiang.Modeling a reverse flow reactor for thermal oxidation of lean methane.Proceeding of 3rd International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering,2009:1～5

Thermal Radiation Heat Transfer in Honeycomb Ceramics

HE Mengmeng LIU Ruixiang LIU YongqiGAO Zhenqiang ZHENG Bin
(School of Transportation and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China)

Honeycomb ceramics consists of many penetrating holes.When hot gas directly flows through the honeycomb ceramics,each single cavity becomes non-isothermal one.On the basis of the preliminary model,radiant porous body with circular apertures is taken as a study object.Heat-transfer mathematical model regarding radiation,convection and conduction is set up.The temperature distribution in thermal reverse flow reactor and the effect of radiation on temperature of reactor are analyzed by numerical calculation using FlexPDE.The results show that:the temperature distribution in reverse flow reactor has a typical trapezoidal shape,and thermal radiation can be beneficial in smoothing temperature gradients.The calculation results show a good agreement with experimental results.

VAM;thermal reverse flow reactor;honeycomb ceramics;composite heat transfer;radiation;mathematical model;FlexPDE

on Feb. 19, 2012

T Q 1 7 4.7 5

A

刘瑞祥，E-mail:lrxdlut@sina.com学模型，使用Flexpde软件数值计算氧化床中的温度分布以及辐射对氧化床温度分布的影响。并利用实验数据对数值计算结果进行验证。

1000-2278（2012）03-0284-05

2012-02-19

国家高技术研究发展计划(863)资助项目(编号：2009AA063202)；山东省自然科学基金资助项目(编号：ZR2009FQ023)

LIU Ruixiang, E-mail: lrxdlut@sina.com