蓄热式换热器流动传热的数值模拟

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-01 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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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ｔＥαＥｔＮαＮｔＳαＳｔｆαｆ=ｔＰαＰｔＳＰαＳＰ.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ＧａｕｓｓＳａｉｄｅｌ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.

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