填充球蓄热室内传热与流动过程数值模拟及结构优化

刘颖，刘义平，陶曙明，温治, 4，刘训良, 4



填充球蓄热室内传热与流动过程数值模拟及结构优化

刘颖1，刘义平2，陶曙明3，温治1, 4，刘训良1, 4

(1. 北京科技大学机械工程学院，北京，100083；2. 宝钢工业炉工程技术有限公司，上海，201900；3. 宝钢钢管条钢事业部设备能环部，上海，201900；4. 北京科技大学冶金工业节能减排北京市重点实验室，北京，100083)

为了解决填充球蓄热室在使用过程中局部温度过高的问题，以某钢厂蓄热烧嘴为研究对象，在多孔介质假设的基础上，基于局部非热力学平衡的气、固能量方程和修正后的动量方程建立蓄热室内传热与流动过程三维非稳态数学模型。利用流体力学计算软件Fluent并结合其二次开发平台对模型进行求解，通过测试数据验证模型的正确性。模型计算结果表明：在稳态工作过程中蓄热室水平截面上存在一定的速度差和温差，将蓄热室烟气入口对面侧墙的倾斜度改为60°，并且增加长度为300 mm的缓冲段，同时将空气入口形状改为漏斗型有利于提高蓄热室内水平截面上温度分布的均匀性。

蓄热室；传热；气体流动；数值模拟；结构优化

在我国，工业炉窑能耗占工业总能耗的较大一部分，而炉窑的大部分能耗归结为排烟损失，每年由于排烟都有大量的能量损失[1−2]。采用常规换热技术的热回收率只有50%~60%，无法充分回收烟气中的显 热[3]，而采用蓄热燃烧技术可使空气预热温度达900 ℃以上，排烟温度降低至200 ℃以下，最大限度的回收烟气中的显热，有效的降低能耗[4−6]。蓄热室是蓄热燃烧技术的关键部件之一，烟气和空气通过蓄热室中的填充材料即蓄热体来实现热量的交换，常用的蓄热体有小球体、筒体、蜂窝体等类型[7−12]。由于蓄热小球在使用上易管理，并且方便更换，且能重复使用，因此在工业生产中得到广泛应用[13−16]。近年来，国内外不少学者对蓄热室内的传热以及流动特性进行了数值模拟研究。贾力等[17]利用流体力学计算软件CFX5对陶瓷蜂窝蓄热体的换热过程进行了数值模拟，得到了蓄热体和气体的轴向温度分布及温度随时间的变化规律，并研究了各参数对热饱和时间的影响。蔡九菊等[18]忽略填充球之间的导热，微元体内热焓随时间的变化以及蓄热室内的辐射传热和散热损失，并假设气体为活塞流建立了蓄热室内传热与流动数学模型。温良英等[3]建立了高效蓄热室传热数学模型，通过模型计算结果分析了蓄热体材质、换向时间、温度效率和热效率等的相互关系。Yu等[19]建立了蓄热体一维非稳态传热模型，研究发现对于中、低热值煤气必须采用双蓄热，对于高热值煤气，单蓄热和双蓄热都可以。Park等[20]针对填充床蓄热室建立了一维非稳态两相流模型并分析了蓄热室内气体流动与传热特性。通过以上这些学者的研究，对蓄热室的热工特性有了更深入的了解，但目前学者所建立的数学模型大多数是沿蓄热室轴向的一维模型，无法描述在蓄热室水平截面上的温度分布。而在填充球蓄热室的使用方面存在因蓄热室内温度在水平截面分布不均匀，导致局部地方蓄热小球温度过高而相互黏结，造成蓄热体内气体流动阻力增大，恶化蓄热体工作环境，降低蓄热体蓄热能力，严重时需要更换蓄热小球，从而导致炉子停产，企业生产成本增加产量下降的问题。针对此问题，本文作者以某公司蓄热烧嘴为研究对象，建立了蓄热室内传热与流动的三维非稳态数学模型，通过模型计算结果分析了蓄热室内温度和速度分布特点，在此基础上，通过改变蓄热室结构来提高蓄热室内温度在水平截面上分布的均匀性。

1 物理数学模型的建立

1.1 物理模型

针对某公司蓄热烧嘴建立物理模型，其尺寸为实测值。网格边界正交性和光滑性对计算精度和收敛速度有影响，为了提高网格质量，采用分区结构化网格对计算区域进行网格划分，蓄热烧嘴网格系统如图1所示。由于蓄热小球数量巨大，如果针对每个蓄热小球建立数学模型，将使计算网格和模型设置变得极其困难。由于蓄热室内蓄热小球的尺寸远小于蓄热室尺度，可对其进行平均化和统计处理，将蓄热小球区域假设为多孔介质区域，将气体在蓄热体内的流动看成在多孔介质里的流动。

在建立数学模型之前作以下假设：

1) 认为蓄热室内气体为不可压缩气体。

2) 空气与烟气的物性参数仅是温度的函数。

3) 在蓄热室换向过程中蓄热体温度分布不发生变化。

图1 蓄热烧嘴网格系统

1.2 数学模型

1.2.1 控制方程

根据质量守恒动量守恒和能量守恒原理，蓄热室内气体流动与传热过程三维非稳态数学模型控制方程如下：

1) 连续性方程

2) 动量方程

(2)

3)方程

(3)

4)方程

(4)

式中：g为气体密度，kg/m3；u为，和3个方向上的速度分量，m/s；为压力，Pa；和μ为气体黏性系数和湍流黏性系数，Pa·s；G和b分别为由于平均速度梯度和浮力产生的湍动能，Pa/s；1，2，，和σ为经验常数，分别为1.44，1.92，0.09，1.0，1.3；S为源项，kg/(m2·s2)。

对于多孔介质模型中的动量方程，需要考虑多孔介质对流体黏性和惯性的影响，可以通过增加源项的形式来对动量方程进行修正，源项由黏性损失项和惯性损失项2部分组成，表达式为：

本文采用修正后的Ergun方程[19]计算黏性阻力系数1/和惯性阻力系数2，表达式如下：

6) 固相能量方程

(9)

式中：为孔隙率；s为固体的密度，kg/m3；为时间，s；g和s分别为气体和固体的比热容，J/(kg·K)；g和s分别为气体和固体的温度，K；g和s分别为气体和固体热导率，W/(m·K)；sg为气固综合换热系数，W/(m2·K)；sg为单位体积内的气固换热面积，m2/m3。

在加热期，由于烟气中含有CO2和H2O等辐射参与性介质，气固换热方式包括对流和辐射2种，即sg=c+r；而在冷却期，空气与蓄热体的换热方式仅包括对流换热，即sg=c。气固对流换热系数和辐射换热系数采用文献[20]中提出的公式计算，表达式如式(10)和(11)所示。影响气固换热的因素包括气体流速，孔隙率，蓄热小球表面黑度、尺寸及气体热导率等，其中关键参数的具体数值如表1所示。

表1 影响气固换热的关键参数