蜂窝陶瓷蓄热体传热数学模型及传热系数求解
蜂窝体蓄热室结构优化及软件开发
蜂窝体蓄热室结构优化及软件开发
高 波，冯俊小，张法波，李
机械工程学院，北京
欣
（北京科技大学
100083）
摘要：以蜂窝体蓄热室的结构优化为研究目标，模型采用的多目标优化以蜂窝蓄热体的温度效率和热回收率作为目标函数， 以空 . 气流速，换向时间和蜂窝蓄热体的高度为优化变量，模型的计算采用线性加权法，对蜂窝体蓄热室的主要结构参数进行了优化设 计，以保证气体在满足换热强度条件下，尽量减小阻力损失。并开发了蜂窝体蓄热室结构优化的软件。 关键词：高温空气燃烧；蜂窝蓄热室；优化设计 中图分类号：TF066.25 文献标识码：A 文章编号：1002-1639(2006)01-0012-03
1＋
流分布均匀，且流速不随时间、温度及位置而变化；烟 气与空气的入口速度及温度在截面上分布均匀；蓄热介 质的表面积及质量分布均匀；忽略蓄热体垂直流体流动 方向的热传导，认为垂直于流体流动方向的各横截面的 温度分布是均匀的；假定烟气和空气在换向期间不发生 流体的混合，且忽略烟气和空气在蓄热室内的滞留；各 格孔内传热相同；蜂窝蓄热体具有各项同性的导热性能； 气体的比热容是温度的函数 3 。 （2）加热期烟气微元体 烟气放出的热量＝烟气在格孔内出口处的焓降＋烟
sc＝ 1＋ 2= 2 2
2
＋
2
13
热能工程
式中： 为当量直径， ＝ 4 ； 为湿周； 为过水截面； ，
《工业加热》 35 卷 2006 年第 1 期 第
6 软件实例优化结果
现在为一蜂窝体蓄热室的结构作优化设计， 其原始条 件为：燃料为焦炉煤气，蜂窝体的小孔边长 0.002 m，小孔壁 厚 0.001 m，烟气的初温 1200℃，空气的入口温度 34℃；然 后给出优化设计变量的范围：换向时间：30 ～ 40 s，空气 流速：0.8 ～ 1.6 m/s， 蓄热体的高度： ～ 0.5 m，运行本程 0.4 序可得最优化的结果为当换向时间为 30 s， 空气流速为 1.52 m/s， 蓄热体的高度为 0.5 m 时， 目标函数为 0.922 7。表 1 还
耦合边界条件下蜂窝陶瓷传热及气体流动特性的数值模拟
耦合边界条件下蜂窝陶瓷传热及气体流动特性的数值模拟龚晖1,2，曾令可2，税安泽2(1.珠海市旭日陶瓷有限公司，珠海，519110， 2.华南理工大学材料科学与工程学院，广州，510640）摘要：本文通过建立蜂窝陶瓷传热及气体流动的三维非稳态模型，运用计算流体力学(CFD)软件，在耦合边界条件下对蜂窝陶瓷的工作过程进行数值模拟，得到了启动过程中蜂窝陶瓷热端和冷端的气体温度及压力变化规律，以及稳定工作期内，蜂窝陶瓷内气体温度、速度、和压力的分布规律。
为采用蜂窝陶瓷作为蓄热体的高温空气燃烧技术的开发提供了一定的理论依据和指导。
关键词：高温空气燃烧技术，蜂窝陶瓷，模拟，耦合边界Numerical Simulation of Honeycomb Ceramic Heat Transfer and Gas Flow Characteristics in Coupled Boundary ConditionsGong Hui1,2 , Shui Anzei2, Zeng Lingke2(1.Zhuhai Risingsun Ceramics Co. Ltd, Zhuhai, 519110, 2. College of MaterialsScience and Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510640)Abstract In this paper, 3d unsteady model of honeycomb ceramic heat transfer and gas flow characteristics was established. By the use of computational fluid dynamics (CFD) software, the work process of the honeycomb ceramic was simulated in coupled boundary conditions. Through that, the gas temperature and pressure variation at hot end and cold end of honeycomb ceramic in start-up process was gained, as well as the gas temperature, speed and pressure distribution inside the honeycomb ceramics at stable working period. These results can provide a theoretical basis and guidance for the development of high-temperature air technology which uses honeycomb ceramic as regenerator.Key Words HTAC，Honeycomb Ceramic，Computer Simulation，Coupled Boundary1.引言高温空气燃烧技术(HTAC)为提高燃料利用率和降低环境污染带来新的机遇，已引起了世界各国的广泛关注[1-4]。
陶瓷球蓄热室传热特性的研究
钢 铁
IRON AN S ST EEL
V o l. 34, N o. 2 Feb ruary 1999
陶瓷球蓄热室传热特性的研究
蔡九菊 于 娟 于庆波 饶荣水
(东北大学)
(武汉冶金建筑研究所)
摘 要 用数值计算法研究了陶瓷球蓄热室结构参数和操作参数对热工指标的影响, 澄清了在操作和设计 中存在的某些问题, 提出了烟气出口平均温度降到 200 ℃左右的必要条件, 指出了选取结构参数和操作参数 时应遵循的原则。 关键词 陶瓷球蓄热室 传热特性 数值计算法α
·56·
表 1 有关计算的原始数据 T ab le 1 O rig ina l da ta rela ted to ca lcu la tion
煤气
热值 kJ ·m - 3
高炉煤气 高焦混合煤气 天然气
3 360 7 524 40 713
水当量比W 1 W 2
双预热 (代码 1)
单预热 (代码 2)
1 前言 总结国内外在蓄热室方面的研究工作[1～ 3], 其
主要研究内容可概括为以下三类变量以及它们之间 的相互关系:
结构参数 (1) 操作参数 —→ (2) 热工过程参数—→ (3) 热工指标 其中, 结构参数包括蓄热体的高度和比表面积 (即单 位体积蓄热室所具有的换热面积) 等; 操作参数包括 换向周期、烟气和被预热气体 (只预热空气或同时预 热空气和煤气) 的水当量 (即流量与比热容的乘积) 及其比值等。热工指标包括温度效率、热效率和气体 出口平均温度等。在这些关系中, 重要的是 (1) (3) 两 类变量之间的关系, 即蓄热室的热工指标随其操作 参数和结构参数的变化规律。 这些变化规律统称为 蓄热室的热工特性, 包括传热特性和流动特性。本文
蜂窝型蓄热室传热过程的数值模拟及热工特性
蜂窝型蓄热室传热过程的数值模拟及热工特性欧俭平2吴道洪2肖泽强11 中南大学能源与动力工程学院，长沙4100832 北京神雾热能技术有限公司，北京100083摘要介绍了高温空气燃烧过程中蜂窝型蓄热体的工作原理，并建立蓄热体三维非稳态传热数学模型，运用计算流体力学通用软件CFX4.3，对模型进行了计算。
计算结果与现场测试情况吻合较好。
关键词高温空气燃烧；蜂窝蓄热体；CFX软件；热工特性NUMERICAL SIMULA TION OF HEA T TRANSFER PROCESS AND THERMAL PERFORMANCE OF HONEYCOMB REGENERA TOROu Jianping2Wu Daohong2Xiao Zeqiang11 School of Energy and Power Engineering, Central South University, Changsha 410083,China2 Beijing Shenwu Thermal Energy Technology Co., Ltd., Beijing 100083, ChinaAbstract: The operating principle of honeycomb regenerator in high temperature air combustion is introduced. The mathematical model of transient transfer of regenerator is established and the thermal performance of honeycomb regenerator is studied by means of CFX code. The calculatedresults agree with on-site measurement very well.Key words: High Temperature Air Combustion; CFX code; Honeycomb Regenerator; ThermalPerformance1 前言高温空气燃烧技术是新兴的先进燃烧技术，具有显著的节能环保效果。
RTO蓄热体蓄热计算及工程设计运用
-60-科学技术创新2019.10RTO蓄热体蓄热计算及工程设计运用倪江捷(上海兰宝环保科技有限公司，上海201400)摘要：本文根据传热学基本计算原理，对蓄热式焚烧炉(以下称为RTO)中的蜂窝陶瓷蓄热体中储能、释量的动态过程，进行理论计算，根据RTO的阀门切换时间，来描绘出蓄热体在释放能量的过程、以及蓄热体在回收能力的过程中，预热气体的温度与排放气体的温度与时间之间的曲线，并根据给出平均热效率。
在工程运用中提出近似经验参数进行初步选型设计。
关键词：蓄热式焚烧炉；RTO;陶瓷蓄热体;热效率；瞬时状态中图分类号:TKll+2,TKll+4文献标识码：A1概述当前，随着经济的发展，环境问题日益凸出，目前环境问题中，主要包括三大类，污水处理，固废治理，大气污染治理。
其中大气污染治理是最近几年提出来的范畴，大气污染治理中,最初是燃煤及煤化工等行业产生的硫化物氮氧化物,造就了一大批脱硫脱硝的治理项目o近些年，国家开始对挥发性有机废气(VOCs废气)出重拳,在面对即有效降低VOC排放，又能节能的目的,近些年市场上出现大量处理工艺，包括等离子工艺，光催化工艺，焚烧工艺等等。
目前经过多年的实践，有些处理工艺渐渐淡出，有些处理工艺得到肯定及重视，其中蓄热式焚烧处理设备就是被市场认可的一种治理工艺。
RTO(Regenerative Thermal Oxidizer)是蓄热式热力氧化处理装置的简称。
工作原理是把有机废气通过储能的陶瓷蓄热体预热后再加热，保证废气达到760t及以上的高温，在氧化室中分解成3漏氢整改措施与效果3.1处理方法针对密封油浮球阀卡涩对发电机漏氢的现象，对机组进行申请调停,对发电机进行排氢至40kpa左右,再利用CO?进行置换,机组停机后对密封油箱浮球阀进行了更换处理。
3.2效果更换浮球阀后，机组氢气纯度下降速度大大改善。
平均3天内需要进行3次排补氢操作，较处理阀球阀前有明显的改善。
图4浮球阀卡涩处理后发电机压力及氢气纯度图3.3整改措施因此提出以下整改措施：3.3.1定期对密封油氢侧油箱浮球阀进行检修维护。
蜂窝板内流动与传热的数值模拟及结构优化_陈武滨
的雷诺数下由层流向湍流过渡，使得流体流动容易 形成紊流，提高换热性能。
图 2 蜂窝板内局部流线分布 Fig． 2 Local streamline distribution in the honeycomb plate 点 迹 线 不 断 改 变，周 期 性 变 化 的 波 浪 式 流动促进了扰流作 用 的 产 生。 另 外，产 生 的 流 动 漩 涡不断破坏或减薄板内的层流层，促使流动在较低
结果表明，蜂窝板内呈特定形状分布的蜂窝迫使流体和蜂窝点不断相碰撞形成射流，产生局部小漩涡，加剧了流体的湍流强度及
边界层的扰动； 在蜂窝高度、蜂窝间距和焊点直径 3 个影响因素中，蜂窝高度是影响蜂窝板传热系数、压降及综合性能的最主要因
素； 蜂窝高度越小的蜂窝板能获得较高的传热系数，但会产生较大的压降，使综合性能降低，在实际应用中应根据具体情况选择合
理的结构参数搭配。
［关键词］ Fluent 软件； 蜂窝板； 数值模拟； 正交设计； 板壳式换热器
［文章编号］ 1000 － 8144（ 2011） 11 － 1200 － 05
［中图分类号］ TQ 051． 5
［文献标识码］ A
Numerical Simulation of Flow and Heat Transfer in Honeycomb Plate and Its Structural Optimization
板壳式换热器是一种新型高效的换热设备，它 是以结构复杂的换热板代替传统的换热管作为换 热元件，具 有 传 热 面 积 大、传 热 效 率 高、结 构 紧 凑、 质量轻的 优 点，同 时 又 继 承 了 管 壳 式 换 热 器 承 高 压、耐高温、密封性能好和安全可靠等优点［1］。
板壳式换热器制造的关键在于换热板的制造， 为了寻找制造工艺简单且传热性能优越的换热板， 各方面专家展开了很多相关的研究工作［2 － 4］，其中 激光焊接蜂窝板是一种新型的高效换热元件。激 光焊接蜂窝板由两张不锈钢薄板经过特殊工艺加 工组合而 成，薄 板 的 周 边 利 用 激 光 焊 接 进 行 缝 焊， 中间则按一定规律的排布进行点焊，最后进行膨压
蜂窝陶瓷蓄热体传热数学模型及传热系数求解
3 假设和传热系数的计算
3. 1 假设 蜂窝陶瓷蓄热体截面如图 2 示 ,蓄热体的方孔 边长[8 ]2. 5 mm ,壁厚 0. 5 mm 。冷/ 热气体从方孔 1 周期性流过 ,流体与四周陶瓷蓄热壁连续换热 。假 设流体流过蓄热体时在各小孔的流速分布均匀 。由
某蜂窝陶瓷蓄热体热交换特性数值模拟及优化
某蜂窝陶瓷蓄热体热交换特性数值模拟及优化陈志超【摘要】采用正交试验方法,对某蜂窝陶瓷蓄热体的吸热、放热过程进行数值模拟,研究蓄热体孔边长、蓄热体孔壁厚、蓄热体长度、烟气入口温度、气体流速和换向时间等参数对蓄热体压力损失和综合换热系数等热交换特性参数的影响规律,通过回归分析得出各参数的影响显著性排序,最终得到最优的蓄热体结构和工况参数.【期刊名称】《韶关学院学报》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】5页(P52-56)【关键词】蓄热体;热交换特性;数值模拟;优化设计;正交试验【作者】陈志超【作者单位】韶关学院物理与机电工程学院,广东韶关512005【正文语种】中文【中图分类】TK122为回收锻造加热炉中的热量以用于预热助燃空气，锻造加热炉中常配有蓄热体.蓄热体通过周而复始地吸收烟气的热量并向助燃空气释放热量，实现锻造余热回收，如图1所示.研究蓄热体热交换特性对提高余热回收效率具有重要意义.目前，国际火焰协会（IFRF）、荷兰、德国、瑞典、美国等国家均对余热回收技术进行了大量研发［1-3］，应用方面则是日本处于领先地位.我国清华大学、北京科技大学、华南理工大学、宝钢技术中心等对该技术进行了研发和推广，主要集中在炉型、蓄热体和换向阀等关键部件的材质和形状的选用，换向时间、燃气空气的流速和质量分数对燃烧火焰特性的影响等方面［4-6］.对蓄热体的热交换特性，已发表的研究主要是基于类比方法进行理论推导以求出近似的解析解［1］，或者是利用单因素法进行数值模拟或试验验证［2-3］.由于影响蓄热体热交换特性的因素数量多，单因素法显然不够全面，而限于试验条件和时间，做全因素试验也不可取.本文基于正交试验法，采用Ansys软件中的Fluent模块对某蜂窝陶瓷蓄热体不同结构和工况参数下的余热回收过程进行数值模拟，得出其热交换特性参数，主要是综合换热系数和压力损失及其变化规律，并通过回归分析进行各因素的显著性排序，进而获得相对较优的蓄热体结构和工况参数，实现蓄热过程中较高的换热系数以及较低的压力损失.图1 蓄热体余热回收原理1 正交数值模拟试验设计蓄热体壁厚为定值且孔边长小于5 mm时，正方形孔的比表面积和开孔率均为最大［5］，故选取正方形孔蜂窝式蓄热体作正交数值模拟，因气体流速平行于孔的轴线，忽略蓄热体整体与外界的热交换，可认为蓄热体各单元与气体的热交换是独立的，各单元间不发生热交换.故蓄热体中任一单元的换热特性即能反映整个蓄热体的换热特性［6］.蓄热体单元为空心正四棱柱结构，其正方形横截面边长等于内孔边长（A）与壁厚（B）之和，如图2所示.图2 蓄热体单元蓄热体的综合换热系数、压力损失主要与蓄热体单元当量直径（孔边长A）、壁厚（B）、长度（C）、气体流速（D）、气体温度（E）和换向时间（F）有关［7］.各因素水平取值如表 1 所示.流体流动情况主要用雷诺数Re表征，其大小决定了粘性流体的流动特性.对于正方形截面流道，Re=.其中u为流体流动速度，m/s；L为流道正方形截面边长，m；v为流体粘滞系数，m2/s［9］.选取的试验参数中，流道横截面最大边长和流体最大流速分别为lmax=5 mm，umax=10 m/s.则最大雷诺数为Remax=271.93＜2 000，说明气体在蓄热体中的流动形式为层流，应选取层流模型进行模拟.选取氧化铝作为蓄热体的材料,其主要物理性质参数参照文献［10］氧化铝主要物理性质的参数.表1 各因素水平取值因素水平序号 A/mm B/mm C/mm D/ms-1 S1 1 0.5 200 2 S2 2 1.0 400 4 F/s 10 20 S3 3 1.5 600 6 1 300 30 S4 4 2.0 800 8 1 350 40 S5 5 2.5 1 000 10 1 400 50 E/K 1 200 1 250通过蓄热体的烟气和空气入口速度已知，且由设备本身决定；而烟气和空气出口速度未知，但压力已知.因此，蓄热体有限元模型中气体流入的边界选取速度入口边界条件、气体流出的边界选取压力出口边界条件.由于蓄热体单元及流场几何结构具有轴对称性，为节省运算时间，取1/4个蓄热体单元进行模拟.其中，各平面的性质设置如下（如图3所示）：（1）平面ABCD——烟气速度入口（空气压力出口）；（2）平面HIJK——烟气压力出口（空气速度入口）；（3）平面DCBEFG、平面KJILMN——传热表面；（4）平面HIBA、平面KHAD——旋转对称表面组1；（5）平面ILEB、平面NKDG——旋转对称表面组2；（6）平面JIBC、平面KJCD——气相、固相耦合表面；（7）平面MLEF、平面NMFG——绝热表面.由于蓄热体的蓄热和放热阶段进展速率不同步，存在一个不稳定的启动过程，其工作状态必须经过若干个传热周期才能逐渐趋于稳定.届时，相邻两个传热周期中，蓄热阶段和放热阶段的温度和压力分布将不再变化，故必须模拟出蓄热体的稳定工作状态.首先将整个蓄热体内的温度场均匀地设定为300 K（室温）；然后令1200~1 400 K的高温烟气进入蓄热体，蓄热阶段开始；经过一个换向时间后，改变边界条件，令300 K的空气从烟气的出口进入蓄热体，使之在放热阶段被逐渐加热至一个传热周期结束；再把该周期的终末状态作为下一个传热周期的初始状态，继续依次循环计算下去，直至达到稳定状态为止.若前后两次放热阶段结束时的空气出口温度相差不超过3 K，即认为已达到稳定状态，停止计算.并认为此次蓄、放热过程的综合换热系数和压力损失为蓄热体稳态下的特性参数.图3 1/4蓄热体单元各平面2 试验结果及分析将影响蓄热体的各因素按6因素5水平正交表进行组合试验，结果如表3所示.表3 正交模拟试验结果试验序号 A B C 1 1 1 1压力损失/Pa 439 2 1 2 2 1 203 D 1 2 E 1 2 F 1 2综合换热系数/W·(m2·K)-1 5.83 8.61 3 1 3 3 3 3 3 10.682 215 4 13.46 4 122 5 1 5 5 5 5 5 14.40 6 978 1 4 4 4 4 4 6 2.58 739 7 2 2 3 4 5 19.45 1 288 2 1 2 3 4 5 8 7.19 916 9 2 4 5 1 2 3 6.41 377 2 3 4 5 1 2 10 2 5 12 3 4 6.01 197 11 3 1 3 5 2 4 3.90 794 12 3 2 4 1 3 5 3.10 228 13 3 3 5 2 4 1 7.98 438 14 3 4 1 3 5 2 8.46 165 15 3 5 2 4 1 3 7.05 435 16 4 1 4 2 5 3 2.40 261 17 4 2 5 3 1 4 2.92 575 18 4 3 1 4 2 5 3.69 131 19 4 4 2 5 3 1 8.63 314 20 4 5 3 1 4 2 5.40 72 21 5 1 5 4 3 2 2.99 413 22 5 2 1 5 4 3 3.82 146 23 5 3 2 1 5 4 3.05 33 24 5 4 3 2 1 5 3.94 144 25 5 5 4 3 2 1 8.26 216对综合换热系数和压力损失两个特性指标对各因素关系分别作回归分析，得出各因素影响显著性概率P值，如表4所示.当某个因素的P＞0.05时，该因素的影响不显著；0.05≥P＞0.01时，影响显著；P≤0.01时，影响极其显著；P值越小则影响越显著［8］.可见，对综合换热系数，蓄热体边长、蓄热体孔壁厚和烟气入口速度的影响极其显著，烟气入口温度和换向时间的影响显著，蓄热体长度的影响不显著；对压力损失，蓄热体孔边长、蓄热体长度和烟气入口速度的影响极其显著，蓄热体孔壁厚、烟气入口温度和换向时间的影响显著.按各因素对综合换热系数影响的显著程度排序为蓄热体孔边长(A)＞蓄热体孔壁厚(B)＞烟气入口速度(D)＞换向时间(F)＞烟气入口温度(E)＞蓄热体长度(C)；按各因素对压力损失影响的显著程度排序为蓄热体孔边长(A)＞烟气入口速度(D)＞蓄热体长度(C)＞烟气入口温度(E)＞换向时间(F)＞蓄热体孔壁厚(B).表4 各因素对综合换热系数和压力损失影响显著性概率蓄热体特性参数 A B C综合换热系数1.40×10-6 1.14×10-5 0.083 9 D E F 0.011 3压力损失5.23×10-5 0.047 5 0.004 8 0.025 1 0.002 0 0.002 5 0.027 1 0.016 0随着蓄热体孔边长、换向时间增大，综合换热系数单调递减.这是因为当蓄热体孔边长增大时，流道截面积增大，蓄热体孔壁面积与流道中的气体体积之比减小，单位体积的气体与蓄热体孔壁接触的面积减小，高温烟气与蓄热体、蓄热体与低温空气之间交换的热量也减小；由于换向时间的延长，单位时间内高温烟气和低温空气与蓄热体之间交换的热量减少，即热交换速率降低，因此综合换热系数都将减小.当蓄热体孔壁厚、蓄热体长度、烟气入口速度、烟气入口温度增大时，综合换热系数单调递增.这是由于蓄热体孔壁厚的增大，使得参与热交换的蓄热体材料增多，单位时间内气体与蓄热体交换的热量也增大；蓄热体长度增大时，高温烟气和低温空气在蓄热体中流过的长度更大，高温烟气向蓄热体释放的热量更多、低温空气从蓄热体吸收的热量也更多，在换向时间不变的前提下，热交换的速率增大，烟气入口流速增大时（空气入口流速也相应增大），气体与蓄热体之间的对流换热加剧，对流换热速率增大、对流换热系数增大；当烟气入口温度升高时，高温烟气向蓄热体释放的热量增加，低温空气从蓄热体中吸收的热量也增加，在换向时间不变的前提下，热交换的速率增大，因此综合换热系数都将增大.随着蓄热体孔边长增大，压力损失单调递减.这是因为，无论在吸热期还是放热期内，当蓄热体孔边长增大时，流道截面积增大，蓄热体孔壁面积与流道中的气体体积之比减小，单位体积的气体受到蓄热体孔壁的摩擦减小，故压力损失减小.当蓄热体孔壁厚、蓄热体长度、烟气入口速度、烟气入口温度、换向时间增大时，压力损失单调递增.这是由于蓄热体孔壁厚越大，则参与热交换的蓄热体材料越多，在蓄热体吸热期内，高温烟气通过蓄热体时向蓄热体释放的热量更多，其温度降低更多，压降也更大；在蓄热体放热期内，低温空气流经蓄热体时吸收的热量更多，温度和粘度增大；蓄热体长度增大时，气体在蓄热体内流动的距离均增大，受到蓄热体孔壁摩擦力的作用距离增大；吸热（或放热）期内，烟气（或空气）入口流速增大时，气体受到蓄热体孔壁的摩擦均增大；在蓄热体吸热期内，由于烟气入口温度更高，烟气向蓄热体释放的热量更多，另外由于烟气的粘度更大，增大了孔壁对烟气的摩擦力和烟气压力损失；在蓄热体放热期内，由于蓄热体内储存的热量更多，其向低温空气释放的热量也更多，使空气在预热后期具有更高的温度和粘度，增大了孔壁对空气的摩擦力和空气压力损失；由于换向时间的延长，在蓄热体吸热期内，高温烟气向蓄热体释放的热量更多，烟气的温度降低更多、压降也越大；在蓄热体放热期内，低温空气从蓄热体中吸收了更多的热量、在预热后期具有更高的温度和粘度，因此空气受到蓄热体孔壁的摩擦力增大，其压力损失也随之增大.综合换热系数和压力损失随各因素水平的变化趋势见图4、图5.图4 综合换热系数随各因素水平变化趋势图5 压力损失随各因素水平变化趋势3 确定较优的蓄热体结构工况参数组合由压力损失与各因素的关系可知，使综合换热系数最大的各因素组合为A1B5C5D5E5F1，使压力损失最小的各因素组合为A5B1C1D1E1F1.为达到综合换热系数尽可能大、压力损失尽可能小的目标，以下对各因素的较优水平值进行选取.蓄热体孔边长（A）增大会导致综合换热系数和压力损失均增大.由于综合换热系数增大是有利的，而压力损失增大却是不利的，即两者不可能同时达到最优.由于蓄热体孔边长对两者的影响均为最显著的，而使压力损失最小和综合换热系数最大的蓄热体孔边长分别是最大和最小的水平值，故应选取中间水平值A3，即3 mm.蓄热体孔壁厚（B）增大导致综合换热系数和压力损失均增大.由于蓄热体孔壁厚对综合换热系数的影响极其显著，对压力损失的影响也显著，故选取中间水平B3，即1.5 mm.蓄热体长度（C）增大时，综合换热系数和压力损失都呈增大趋势.由于蓄热体长度对压力损失的影响极其显著，而对综合换热系数的影响不显著，故按照使压力损失最小的原则，选取C1，即200 mm.烟气入口速度（D）增大时，综合换热系数和压力损失均增大.由于蓄热体孔边长对综合换热系数和压力损失的影响都极其显著，而使压力损失最小和综合换热系数最大的蓄热体孔边长分别是最小和最大的水平值，故应选取中间水平值D3，即6 m/s.烟气入口温度（E）增大时，综合换热系数和压力损失单调增大.由于烟气入口温度对两者均影响显著，可选取中间水平值E3，即1 300 K.换向时间（F）增大时，压力损失单调增大、综合换热系数单调减小.若取F1，即10 s，可同时使压力损失最小、综合换热系数最大.综上所述，较优的蓄热体结构和工况组合为A3B3C1D3E3F1，即孔边长为3 mm，孔壁厚为1.5 mm，长度为200 mm，烟气入口速度为6 m/s，烟气入口温度为1 300 K，换向时间为10 s.由于该组合不在6因素5水平正交表内，故进行补充模拟试验，得出其压力损失为608 Pa，综合换热系数为6.57 W/(m2·K).4 结论影响压力损失的因素按显著性从大到小为蓄热体孔边长＞烟气入口速度＞蓄热体长度＞烟气入口温度＞换向时间＞蓄热体孔壁厚.影响综合换热系数的因素按显著性从大到小为蓄热体孔边长＞蓄热体壁厚＞蓄热体长度＞烟气入口温度＞换向时间＞蓄热体长度.较优的蓄热体结构和工况参数组合为孔边长3 mm，孔壁厚1.5 mm，长度200mm，烟气入口速度6 m/s，烟气入口温度1 300 K，换向时间10 s.其对应的综合换热系数为6.57 W/(m2·K)，压力损失为608 Pa.参考文献：【相关文献】［1］Saastamoinen J J.Heat transfer in cross flow regenerators［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，1999（42）：3205-3216.［2］Roy A,Das S.An analytical solution for a cyclic regenerator in the warm-up period in presence of an axially dispersive wave［J］.International Journal of Thermal Sciences，2001，40（1）：21-29.［3］Klein H,Eigenberger G.Approximate solutions for metallic regenerative heat exchangers［J］.Int J Heat and Mass Transfer，2001,（44）：3553-3563.［4］李伟，祁海鹰，由长福，等.蜂巢蓄热体传热性能的数值研究［J］.工程热物理学报，2001，22（5）：657-660.［5］陈红荣，孙英文，张灿，等.蜂窝蓄热体温度特性数学解析研究［J］.煤气与热力，2007，27（3）：39-42.［6］税安泽，龚晖，曾令可，等.高温空气燃烧技术蜂窝陶瓷传热模拟研究［J］.工业炉，2009，31（2）：9-14.［7］李茂德，程惠尔.高温空气燃烧系统中陶瓷蓄热体传热特性分析研究［J］.热科学与技术，2004，3（3）：255-260.［8］本书编写组.正交试验法［M］.北京：国防工业出版社，1976.［9］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.2 版.北京：高等教育出版社，2006.［10］施林德尔.换热器设计手册：第二卷流体力学与传热学［M］.马庆芳，马重芳，译.北京：机械工业出版社，1989.。
蜂窝陶瓷热态阻力特性的数值研究
ｄ ｃ ｅ ｗｈ ｌ ｙ ｔ ｍ￣ｐ ｗｅ ｓ ， ｔ ｓ ｎ ｃ ｓａ ｙ ｔ ｔ ｄ ｅｒ ｓｓａ ｃ ｏ ｓａ ｄ ｈ ａ ａ ｓｅ ｈ ｒ ｃ ｕ ｅ ｔ ｏｅ ｓ ｓｅ ｈ ｏ ｒ ｏ ｓ ｉ ｉ ｅ ｅ ｓ ｒ ｓｕ ｙ ｔ ｉ ｎ ｅｌｓ ｎ ｅ ｔ ｒｎ ｆｒｃ ａ ａ — ｌ ｏ ｈ ｅ ｔ ｔ ｔ ｒ ｆ ｏ ｅ ｃ ｍ ｅ ａ ｃ ．Ｎｕ ｒｃ ｌｓ ｌｔ ｎ ｍｅ ｏ Ｓ ｕ ｅ ｏｓ ｄ ｅｅ ｅ ｔ ｆ ａｌｔｉ ｋ ｅ ｓ ｅ ｓｏ ｎ ｙ ｏ ｈ ｂ ｃ ｒ ｍｉ ｓ ｍｅｉ ａ ｉ ａｉ ｔ ｄ Ｗａ ｓ ｄ ｔ ｔ ｙｔ ｆ ｃ ｌ ｈ ｃ ｎ ｓ ｍｕ ｏ ｈ ｏ ｈ ｏｗ
１． 一 』 ｄ ｉ ｍ
蜂窝 陶瓷 之 问的换 热为 耦合换 热 过程 。 对换 热过 程做 如下 假设 ：
共研究 ３ 种典型的堇青石蜂窝陶瓷 ，长度 均 为 １０ ｍ，其 他 结 构 参 数 列 于 表 １中。在 孔 ０ｍ
径 、材质 一 定 的情 况 下 ，其 壁 厚 （ 孔 率 ） 的 开 变化 会 引起 蓄 热能 力 的变化 ，因此 ，研 究 壁厚对 蜂窝 陶瓷 的阻 力特性 和换 热 特性 的影 响 。 表 １ 蜂 窝陶瓷的 结构参 数
２ 计 算结 果 与分析
２１ 放热阶段壁厚对阻力损失和温度效率的影响 ． 图 ２所 示为 不 同壁厚 的蜂 窝 陶瓷放 热阶段 气 体 阻力 损失 随 时 间的变化 情况 。可 以看 出 ，随着 放热时间的延长 ，阻力损失是逐渐下降的。这是 因为 随着放 热 时 间的延 长 ，蜂 窝 陶瓷与 气体 的温 差逐渐减小 ，两者之间的换热强度逐渐减弱 ，空 气从蜂窝陶瓷中吸收的热量越来越少 ，空气流经
， ｜ 基金项 目： ８３高技术基金重点项 目（０９ 国家 ６ ２０Ｍ ） ， 山东省 自然科学基金项 目（Ｒ ０９Ｗ ２ ） Ｚ ２０ ｒ ３ 收稿 １期 ：０ １— １—１ ３ ２１ ０ ７ 陈香 春（ ９７一 ） 硕士生 ；５ ０９ 山东省 淄博市 。 １８ ， ２５ ４
蜂窝型蓄热体传热过程热工特性的数值研究
蜂窝型蓄热体传热过程热工特性的数值研究□ 欧俭平 蒋绍坚 萧泽强中南大学能源与动力工程学院 长沙410083摘 要 介绍了高温空气燃烧过程中蜂窝型蓄热体的工作原理和损毁原因,并建立蓄热体三维非稳态传热数学模型。
采用代数雷诺应力模型和修正的速度-压力耦合算法SIMPL EC,耦合蓄热体内流体的流动和换热过程,用数值计算的方法研究了蜂窝型蓄热体的传热特性和格孔壁面上的应力变化规律。
结果表明:适当降低流过蓄热体的气体流速,缩短四通换向阀的切换时间,可降低烟气的出口温度,提高系统的余热回收率。
频繁的蓄热和释热过程变换,使蓄热体格孔壁面交替受到拉应力和挤压应力的作用,换向时间越短,应力交替作用的影响越大;流体的流速越大,应力变化越大。
关键词 高温空气燃烧,蜂窝蓄热体,热工特性,数值模拟Ξ高温空气燃烧技术是新兴的先进燃烧技术,具有显著的节能环保效果。
燃烧系统中的蓄热体是这种燃烧技术的关键部件之一。
与球形蓄热体相比,蜂窝型蓄热体具有比表面积大、质量轻、压力损失小、换向时间短等优越性[1]。
蓄热体热工性能的好坏受燃料种类和性能、加热与冷却的切换频率、燃烧产物对蓄热体的污染以及蓄热体自身的材料和结构等许多因素的影响。
对于确定的工作环境,蓄热体自身的高温结构强度、热稳定性、高温体积稳定性以及抗高温氧化、抗水化、抗冲刷等性能是影响蓄热体热工特性的重要因素。
这些因素限制了蜂窝型陶瓷蓄热体的适用范围。
目前,用于工业炉的蓄热材料仍以陶瓷球居多,蜂窝型陶瓷蓄热体的使用仅见于有限场合[2]。
在我国,蜂窝型蓄热体在蓄热式燃烧系统中的工业应用得到越来越多的重视[1～4],但对于蜂窝型蓄热体的热工特性,尤其是蓄热体所受应力的研究尚处于起步阶段。
为了掌握蜂窝型蓄热体的热工特性和影响因素,为实际应用提供依据,本工作运用数值模拟方法研究了蜂窝型蓄热体的传热特性和格孔壁面上的应力变化规律。
考虑到蜂窝陶瓷蓄热体狭长的格孔孔壁对通道内气体流动的影响,在计算流体力学软件CFX 基础上,采用壁面函数法,引入代数雷诺应力模型和修正的速度-压力耦合算法SIMPL EC,耦合蓄热体内的流体的流动和换热过程进行计算。
蜂窝陶瓷蓄热体介绍
1300 15～30
≥15 ≥2.5 28～38 45～55 9～14 ≤3.0
1.5～2.3
250
1450 ≤30 ≥18 ≥3 45～75 20～50 ～ ≤3.5
1.4～2.3
250
1650 ≤30 ≥18 ≥3 ≥75 15～25 ～ ≤3.0
HTAC技术用蓄热体规格说明
六角孔型蜂窝陶瓷蓄热体产规格：
大于 1.1MPa
大于600℃
大于1360℃
博鑫柴油车颗粒捕集器（DPF）
• 我们可以根据客户的要求提供不同目数的堇青石、
SiC材质的DPF产品
DPF性能指标
发动机排出 含PM 的黑 烟进入捕集器
气体分子通过多 孔陶瓷壁,PM颗 粒被阻截在捕集 器中待再生
性能 名称 单位
碳化硅
开口气 孔率 %
≥55
壁厚 mm
1.35 1.00 0.73 0.60 0.43
开孔率 %
64 67 64 61 68
• 本行业虽然以四方孔产品为主，但是我们公司也可以按
照客户的要求提供六角、圆形等其它孔型的产品。
工业用催化剂载体
• 博鑫公司生产的堇青石、氧化钛、氧化铝等各种
材质的蜂窝陶瓷催化剂载体，具有吸水率高，比 表面积大、机械强度高、耐腐蚀性强，广泛的应 用在脱臭、脱硝、光催化等废气净化领域，以及 有机合成、石油化学反应等领域。
1.5～2.2
≤2.8
刚玉/莫来石 Cordierite/Mullite
1.8～3.0
≤6
刚玉 Alumina 1.8～3.3
≤8
800～1200
750～800
1100～1300
1300～1400
蜂窝陶瓷蓄热体传热与阻力特性的热态实验研究
实现显热回收
[ 1- 3]
。
蓄热体性能对蓄热室换热效率、蓄热室的大 小、布置都有重要影响, 直接关系到整个燃烧系 统的设计, 而目前国内对蓄热体性能参数的研究 还不够深入细致 , 很难直接指导工业设计。实验 采用四种不同规格蓄热体 , 对蓄热室内的温度分 布、蓄热体传热系数、阻力损失、温度效率、热 效率等重要参数进行研究 , 为工业生产提供直接 设计依据。 1 实验装置和方法 整个实验装置由蓄热式回收系统、 换向系统、
室上, 通过数据采集卡与计算机相连接, 实现温 度的自动采集。皮托管测速计按如图 1所示的位 置布置 4 支 , 通过压力采集器与计算机相连接, 通过计算机测量两侧进风、抽风的皮托管测速计 压差来显示流量。蜂窝体蓄热室的阻力损失通过 布置在进风口和燃烧室前的两 个 U 形管压力计 进行测量。 实 验 采 用 比 表 面 积 为 686 65 、 906 52 、 2 3 742 65 、 800 06m /m 四种蓄热体进行。
参 [ 1] 钟水库 , 马宪国 态特性实验研究 [ 2] 王 考 文 献
蜂窝型陶瓷 蓄热体换热 器的热动 工业加热 , 2006, 28( 4): 35- 38 高性 能复合相变 蓄热材 北京 : 冶金 工 业 出版 蜂 巢蓄热体换 热性能 897
华 , 王胜林 , 尧文涛
料的制备 与 蓄热 燃 烧技 术 社 , 2005 [ 3] 王皆腾 , 祁海鹰 , 李宇红等 的实验研究 - 899 [ 4] 编写组
图 4 炉膛温度对传热系数的影响
图 3 流量对传热系数的影响
图 5 流量对阻力损失的影响 ( 下转第 62 页 )
蜂窝陶瓷蓄热体的温度场研究
０５ ． ％的煤矿瓦斯。甲烷是一种温室气体 ， １０ ７ 以 ０ａ 计甲烷的温室效应是 Ｃ ２ 倍 ， Ｏ 的 １ 对大气臭氧层 的破坏能力为 Ｃ ： ７ ］ Ｏ 的 倍［ 。煤矿乏风瓦斯风排
量巨大、 浓度 低 、 以利 用 ， 对这 种 情况 ， 难 针 山东 理 工 大学 研究 开 发 了煤矿 乏 风 瓦斯 氧化 装 置 ，用 以 治 理 和利用 矿 井乏 风 瓦斯 。将 瓦 斯进 行 氧化 产 生
蜂窝陶瓷蓄热体 的温度场研究
董敏 ， 王延遐
（５ ０ １ ２ ５９ 山东省 淄博市 ， 山东理工大学 交通 与车辆工程学院 ） ［ 摘要］基 于煤矿乏风热逆流氧化试验 ， 建立该试验 装置的关键部件一蜂 窝陶瓷蓄热体的传热模型， 对工作状 态 下陶瓷蓄热体的温度 场进行 了仿真 ， 分析 了蓄热体的孔隙率 、 孔型和操作参数 对蓄热体 温度的影响规律 。结果 表 明： 随着孔隙率的增大， 蓄热体蓄热时间变短 ， 蓄热速 率增大； 在材质和孔隙率一定的情况下， 六方孔型蓄热体 蓄热速率要 大于四方孔型蓄热体 ； 随着气体入 口流速的增加 ， 蓄热体 的蓄热速 率增大， 蓄热时间降低。 ［ 关键词】蜂 窝陶瓷 ； 蓄热体 ； 数值模 拟； 温度分布 ［ 中图分 类号］Ｔ ２ Ｋ１４ ［ 文献标志码］Ａ ［ 文章编号］１７ — １２２ １）５ ０ ０ — ４ ６ ３ ３４ （ ２０ — ０ １０ ０
基于上述物理模型及相关假设 ，蜂窝蓄热体
内流动 及换 热控 制方程 组 可表示 为 ：
・
（ ＝ ｐ ０ ）
＋ ｖ（ ）一 ＋ Ｖ Ｊ Ｕ． ｐ ： ＶＰ／ ｚ ｓ
（） １
（） ２
２ 结果与分析
＋ ｑｕ ） Ｖ・ Ｖ・ ， ｒ＝ （
中板加热炉蜂窝蓄热体热工特性研究
（ｅ Ｌ ｏｔｙｏＥ ｃｏａ ｅ ｏ ｓｎ ｏＭｔｉｓ Ｍｎｔ ｕ ｔｎ ，ｏｈ ｓｒＵ ｖ ｓ ） Ｋｙ ａ ｒｏ ｒ ｌｔｍｇ ｔ Ｐ ｃｓｇ ｆ ａｒ （ ｉｓ ｏＥ ｃｉ ）Ｎｒｅｔ ｎｅｉ ｂ ａｒｆ ｅｒ ｎｉ ｒｅｉ ｅａ ｃ ｌ ｉ ｙｆ ｄ ａ ｒ ｏ ｔａｅ ｉ ｒｔ ｎ ｙ
ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｔ ｅ ａ ｅ ａ ｅｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｆ ｘ ａ ｓ ｇ ｓｉ ｃ ｅ ｓ ａ ｄｔｅ ａ ｅ ａ ｅｗ Ｈ ｌｕ ｅ ｅ ｔ ｒ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔ ｈ ｖ ｒ ｇ ｅ ｅ ａｕ ｅｏ ｅ ｈ ｕ ｔ ａ ｎ ｒａ ｅ ｎ ｈ ｖ ｒ ｇ ａ ｌ ｐｔｍｐ ｒ ｕ ｅ ｓ ｓ — ａ
（ ｏｌ ｅｏ ｔ ａ ａ ｄＭｅ ｌ ｒｙ ｏｔｅｓｅ ｎｖｒ ｔ） Ｃ ｌ ｇ ｆ ｅ ｌ ｔ ｌ ｇ ，Ｎ ｒ ａｔ Ｕ ｉｅ ｉ ｅ Ｍａ ｒ ｉ ｎ ａｕ ｈ ｎ ｒ ｓｙ
Ｆ ｎ ｎ ｊ ＬｕＴｅ Ｋ ｇＺ ｉｉ ｇ ｅｇＭｉｇ ｅ ｉ ｉ ｉ ａ ｈｑａ ｎ ｎ
Ｙａ ａ ｇ ｕ ｎｇ Ｇｕ ｎ ｈ
（ ｈｎ ｍ ｇＡ ｕ ｎ ｍ ａ ｄＭａｎ ｓ ｍ Ｅ ｇ ｅｒ ｇａｄＲ ｓａｃ ｓｔｔ） Ｓ ｅｙ ｌ ｌｍｉｕ ｎ ｇ ｅｉ ｎ ｉ ｅ ｎ ｅｅｒｈＩ ｔｕｅ ｕ ｎ ｉ ｎ ｎｉ
Ｃｈｅ ｅ ｚ ｎｇ Ｗ ａ ｇ Ｃｈ ｎ ｕ ｎ Ｗ ｎ ｈｏ ｎ ｕｈａ
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新型蜂窝蓄热体热工特性的数值模拟
新型蜂窝蓄热体热工特性的数值模拟封红燕;冯毅【摘要】A kind of new honeycomb regenerator called converging-diverging channel regenerator was introduced.Heat transfer process of the new honeycomb regenerator and the traditional honeycomb re~ generator were numerically simulated based on the computational fluid dynamics software According to the simulation results,the characteristics between regenerator with converging-diverging channel and straight honeycomb with uniform section were compared in aspects such as the fumes pressure loss,the temperature changes between fumes and regenerator as well as the heat transfer rate And it was found that the regenera-tor with converging-diverging channel was less in low pressure loss,lower in outlet temperature and higher in heat transfer rate increased by 5% more.The proposal of this new honeycomb regenerator provides a new idea for the enhancing of heat transfer In the regenerator and theoretical basis for further study.%提出了一类新型蜂窝状蓄热体一缩放通道蓄热体,应用计算流体力学数值分析软件,定量分析缩放通道蓄热体和等截面直通道蓄热体的传热过程.根据模拟结果,从烟气压力损失、烟气与蓄热体温度变化和传热速率等方面,比较缩放通道蓄热体与等截面直通道蜂窝体的特性,发现缩放通道蓄热体压力损失较小,烟气出口温度低,传热速率大,且传热速率增大5％以上.这种新型蜂窝蓄热体的提出,为蓄热式换热器的强化传热提供新的思路,为进一步研究提供理论依据.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】3页(P108-110)【关键词】蜂窝蓄热体;传热;数值模拟【作者】封红燕;冯毅【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640【正文语种】中文【中图分类】TH16;TK1.1+51 前言目前，能源短缺成为制约我国经济高速可持续发展的瓶颈。
蜂窝陶瓷蓄热式热交换器热工特性分析_李朝祥
Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．１安徽工业大学学报第２４卷第１期Ｊａｎｕａｒｙ２００７Ｊ．ｏｆＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００７年１月文章编号：１６７１－７８７２（２００７）０１－００３３－０３蜂窝陶瓷蓄热式热交换器热工特性分析李朝祥，周灵敏，郭威，吴承勇（安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山２４３００２）摘要：利用陶瓷球蓄热式热交换器内固体温度分布特征值的数学表达式，类推导出蜂窝陶瓷蓄热式热交换器的特性关系式，为蜂窝陶瓷蓄热式热交换器热工行为的进一步研究、优化设计方法的建立，及蜂窝蓄热式热交换器热工行为的评价提供了理论依据。
关键词：蓄热式热交换器；蜂窝陶瓷；热工特性中图分类号：ＴＫ１２２文献标识码：ＡＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＴｈｅｒｍａｌＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＨｏｎｅｙｃｏｍｂＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｏｒＬＩＣｈａｏ－ｘｉａｎｇ，ＺＨＯＵＬｉｎｇ－ｍｉｎ，ＧＵＯＷｅｉ，ＷＵＣｈｅｎｇ－ｙｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ＇ａｎｓｈａｎ２４３００２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｏｆｓｐｈｅｒｉｃｉｔｙｐａｃｋｅｄｂｅｄ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｈｏｎｅｙｃｏｍｂｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｉｓｅｄｕｃｅｄｂｙａｎａｌｏｇｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｕｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｉｓｇｉｖｅｎｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｒｅｇａｒｄｉｎｇｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｏｎｅｙｃｏｍｂｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ａｓｗｅｌｌａｓｆｏｒｔｈｅｏｐｔｈｍｕｍｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ；ｔｈｅｒｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ引言高效蓄热式热交换器的高温预热和高效余热回收技术，是目前工业热设备节能技术的重要研究方向。
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(λP
r0. 4
γ0.
W
83
0.
83
)
(14)
式中 : Pr —普朗特准数 ;
de —蓄热体的当量直径 ,m ;
γ—气体的运动粘度 ,m2/ s。
3. 4 辐射换热系数
ατ = qr/ ( T - T s)
(15)
式中 : qr —气体与固体间辐射换热量 ,W/ m2 ;
T —烟气温度 , ℃。
qr
3 假设和传热系数的计算
3. 1 假设 蜂窝陶瓷蓄热体截面如图 2 示 ,蓄热体的方孔 边长[8 ]2. 5 mm ,壁厚 0. 5 mm 。冷/ 热气体从方孔 1 周期性流过 ,流体与四周陶瓷蓄热壁连续换热 。假 设流体流过蓄热体时在各小孔的流速分布均匀 。由
于蜂窝陶瓷蓄热体孔径和壁厚较小 ,孔分布较均匀 , 且切换周期较短 ,考虑整个蜂窝陶瓷蓄热体的综合 传热时 ,可以一个小孔单元来衡量 ,方孔周围虚线可 以看作绝热壁 ;蜂窝陶瓷蓄热体的 B i < 0. 1[6 ] ,故忽 略内部径向热阻 ,壁内部径向温差视为均匀 。 3. 2 传热系数的计算 总的传热系数[2 ]
1 前言
高温空气燃烧技术具有显著的节能环保效果 , 被认为是 21 世纪的新燃烧技术[1 ] ,蜂窝陶瓷蓄换热 器是这种燃烧技术的关键部件之一 ,因此 ,研究蜂窝 陶瓷蓄热体蓄热及释热的特性 ,探讨其综合换热系 数计算方法 ,对合理设计蜂窝陶瓷蓄换热器具有重 要意义 。
收稿日期 :2001205220
Cw
Mw L
d
y
5
T hw
5t
d
t
=
[αhw
A L
dy
(
Th
-
T hw) d t -
A L
sqhsd
yd
t
]
+
[
- λw A w
5 5y
(
T hw -
5 T hw 5y
d
y)
d
t
-
(
-
λw
Aw
5 T hw 5y
d
t)
]
(2)
式中 : Cw —蓄热体的比热容 ,J / (kg·K) ;
M w —蓄热体总质量 ,kg ;
A s —蓄热室壳体总散热面积 ,m2 ;
Q hs —蓄热室壳体散热热流密度 ,W/ m2 ;
λw —蓄热体导热系数 ,W/ (m·K) ;
A w —蓄热室 h 为 任 意 时 刻 蓄 热 室 内 热 流 体 的 质 量 (kg) ,则 M h = A r·L ·ρh ;设 td ,h为热流体在蓄热室
5t
d
t
=αcw
A L
dy(
T cw
-
Tc) d t +
A L
s
qcsd
y
d
t
(6)
上两式中 ,下标 c 代表冷却期 。上两式可简化为 :
5 Tc 5y
=αcw A
Cc
(
T cw
-
Tc) -
A s qcs Cc
(7)
5
T cw
5t
=αcw A
Cw
(
Tc
-
Tcw)
(8)
冷 、热流体在蓄热室入口处温度恒定 ,即 :
摘 要 :基于传热原理及热量守衡建立了蜂窝陶瓷蓄热体传热数学模型 ;在合理假设的基础上进行了综合传 热系数的计算 ,通过对计算结果的比较 ,表明 :假设及计算在蜂窝陶瓷蓄热体的工程设计中是适用的 。 关键词 :蜂窝陶瓷蓄热体 ;综合传热系数 ;换热器 ;对流换热 ;辐射换热 中图分类号 : TF066. 2 + 5 文献标识码 :A
(25)
50
2 蜂窝体蓄热室中传热数学模型的建 立
在蓄热体内部 ,同时存在三种不同形式的传热 过程 ,即烟气放热或空气 、煤气吸热 ;蓄热体表面与 烟气 (或空气 、煤气) 的热交换 ;蓄热体内部的导热 、 蓄热和放热 。蜂窝体蓄热室中传热数学模型实际上 就是在蓄热室内气体和蓄热体微元体之间建立能量 的平衡方程 。 蓄热体及流体的温度周期性随时间 τ及蓄热
图 1 蓄热室传热模型示意图
2. 1 加热期
2. 1. 1 气体微元体
气体放出的热量 = 气体出口处焓降 + 气体本身
能量 (蓄热量) 的减少 :
αhw
Ad L
y
(
Th
-
T hw) d t = -
Cp hρhωh
A
rd t
5 Th 5y
d
y
-
Cp h
A
rρh d
y
5T 5t
h
d
t
(1)
式中所取负号是由于5 Th 为负值 。式中 :
式 ,将方程 (1) 和 (2) 简化为 :
55Tt h
+
L 5 Th tdh 5 y
=αhw A
Ch t dh
(
T hw
-
T h)
5 T hw 5t
-
Lλw A w 52 T hw Cw 5 y2
= αhw A
Cw
(
Th
-
(3) T hw ) -
A s qhs
(4)
Cw
2. 2 冷却期
2. 2. 1 冷流体
气体吸收的热量 = 气固接触面的换热量
Cpcωc
A
rd
t
5 Tc 5y
d
y
=αcw
A L
dy
(
T cw
-
Tc) d t (5)
2. 2. 2 蓄热体
蓄热体放热量 = 气固接触面的换热量 - 蓄热室
51
热工计算 :蜂窝陶瓷蓄热体传热数学模型及传热系数求解
壳体散热量
-
Cw
Mw L
d
y
5
T cw
体高度变量 y 变化 ,因此 , 可将蓄热体温度 tw 、热流 体温度 t h 、冷流体温度 tc 看作是时间 τ及变量 y 的 函数 。在建立数学模型时作如下假设[5 ,6 ,7 ] : (1) 在蓄热室任一截面处 ,气流分布均匀 ,且流 速不随时间变化 ; (2) 热流体与冷流体在各自入口处的速度及温 度在蓄热室横截面上分布均匀 ,且不随时间变化 ; (3) 对流换热系数恒定 ,不随时间 、温度及位置 而变化 ; (4) 流体与蓄热体的各热物性参数恒定不变 ; (5) 蓄热介质的表面积及质量分布是均匀的 ; (6) 忽略流体内部的热传导 ; (7) 忽略蓄热体垂直流体流动方向的热传导 ,认 为垂直于流体流动方向的各横截面的温度分布是均 匀的 ; (8) 假定冷 、热流体在换向期间不发生混合 ,且 忽略冷 、热流体换向期间在蓄热室内的滞留 。 沿蓄热室高度方向取厚度为 d y 的微元体 ,如 图 1 所示 ,可建立起如下能量平衡方程 。
(20)
εCO2
=
40. Cb
7 (
P0H.28O·l 0. 6
T
+ 273 100
)
(21)
A
H2O
=εH2O (
T ts
+ +
227733)
0. 45
(22)
A
CO2
=εCO2
(
T ts
+ +
227733)
0. 65
(23)
l
= 3. 6
V F
(24)
t s = t k + Q/ 3. 6αk F
(11)
加热期初始温度即为冷却期终了温度 :
T hw ( y , t = 0) = Tcw ( y , t = Pcol)
(0 ≤y ≤L , Pcol为冷却周期)
(12)
以上各式为蜂窝陶瓷蓄热室热交换数学模型 。
由数学模型可知 ,蓄热介质及冷 、热流体的温度为蓄 热室高度及热交换时间的函数 。近似计算 ,可用蓄 热体内平均值 ;精确计算可用数值分析方法考虑温 度的影响 ,按式 (3) ～ (12) 进行计算 。
内的 停 留 时 间 ( s) , 则 ωh = L / t dh 。令 Ch = M h ·
Cph ,表示蓄热室内热流体热容量 (J / ℃) ; Ch = Ch/
t dh ,表示蓄热室内热流体热容率 (J / s·℃) ; Cw = M w
·Cw , 表示蓄热体热容量 , (J / ℃) 。利用上述关系
T h ( L , t) = T h ,i = const
(9)
Tc (0 , t) = Tc ,i = const
(10)
对蓄热介质来说 ,周期性平衡条件为 :加热期终
了温度即冷却期初始温度 :
T hw ( y , t = Phot) = Tcw ( y , t = 0)
(0 ≤y ≤L , Phot为加热周期)
热工计算 :蜂窝陶瓷蓄热体传热数学模型及传热系数求解
文章编号 :100126988 (2001) 0320050204
蜂窝陶瓷蓄热体传热数学模型及传热系数求解
蒋绍坚1 ,曹小玲1 ,汪洋洋2 ,熊家政2 ,李 勇2 ,鲁志昂2
(1. 中南大学物热系 ,湖南株洲 410083 ;2. 株洲工业炉制造公司 ,湖南株洲 412000)
Heat Transferring Model of Mathematics For Honeycomb Ceramic Regenerative and Calculation About Synthesize Coeff icient of Heat Transferring
J IAN G Shao2jian1 , CAO Xiao2ling1 , WAN G Yang2yang2 , XION G Jia2zheng2 , L I Yong2 , L U Zhi2ang2