多孔介质燃烧_换热器内燃烧和传热的数值模拟.pdf

第25卷第6期2010年11月热能动力工程JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWERVo.l25,No.6Nov.,2010收稿日期:2009-09-23;修订日期:2010-02-25基金项目:辽宁省教育厅科学研究计划基金资助项目(2008491;辽宁省博士启动基金资助项目(20081073;国家自然科学基金资助项目(50476073(,,.文章编号:1001-2060(201006-0648-05多孔介质燃烧-换热器内燃烧和传热的数值模拟徐有宁1,史俊瑞1,解茂昭2,薛治家1(1.沈阳工程学院沈阳市循环流化床燃烧技术重点试验室,辽宁沈阳110136;2.大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连116024摘要:通过建立二维数值模型研究了多孔介质燃烧-换热器内的燃烧和传热。研究系统配置对燃烧-换热器热效率和压力降的影响。结果表明,换热管的纵向距离对燃烧器内温度分布、传热速率和压力损失有显著的影响。减小换热管纵向距离,热效率和压力损失增大,而换热管的水平距离对热效率和压力损失的影响很小。另外,增大小球直径导致热效率增大和压力损失的急剧减小。数值模型的有效性通过实验进行验证。关键词:多孔介质;燃烧换热器;二维单温模型;传热;压力损失;温度中图分类号:TK411.1文献标识码:A引言将多孔介质燃烧器和换热器集成于一体的多孔介质燃烧-换热器,具有功率调节范围大、结构紧凑、热效率高和污染物排放低等优点[1~3]。Trimis和Durst设计的多孔介质燃烧-换热器[1],比同功率常规换热器体积缩小了20倍,负荷调节为120,在过量空气系数为1.1~1.8时,烟气排放中CO体积分数小于10-5,NOx体积分数为(2~2010-6。Xiong等人实验研究了多孔介质燃烧-换热器的燃烧稳定性、传热速率和污染物排放[2~3]。Malico等人以文献[1]为原型,将螺旋形盘管简化为换热器区域[4],应用二维模型和简化机理研究了燃烧和污染物的形成。在Mohamad等人的分析中[5],将圆形换热管简化为方形,因此预测的管壁附近的流场和压力分布与实际有较大的差异。为了最大限度回收燃烧器出口蓄积的热量,研究者又开发了往复流多孔介质燃烧-换热器[6~9]。Contarin等人将换热器嵌入到燃烧器两端[6],组织了当量比为0.1~1的甲烷/空气稳定燃烧,热效率达70%~80%。随后,Contarin等人研究了往复流多孔介质燃烧-换热器[7],但模型中没有考虑换热器的具体形状。与文献[6]换热器布置方式不同,Jugjai等人将换热器布置于中间区域[8~9],预混气体可单向或往复流动。另外,程乐鸣研究组实验研究了多孔介质燃烧-换热器[10]。本研究以Xiong等人的多孔介质燃烧-换热器结构为原型[2],考虑换热器的具体形式,通过二维单温模型,分析燃烧-换热器内的温度、流场和压力损失等。通过数值计算,研究换热管中心距和填充床小球直径对热效率和压力损失的影响,为多孔介质燃烧-换热器的优化设计和开发提供指导。模型的有效性通过实验进行验证。1数值模拟1.1问题描述考虑到换热管的对称布置[2~3],为控制计算成本,只取其中一部分代表整个二维平面作为计算域,如图1所示,其余部分关于y=0和y=12.7mm两侧对称。燃烧器内填充了直径为6mm的氧化铝小球,在燃烧器下游嵌入两根直径为12.7mm的换热管。为防止回火,将燃烧控制在隔火管的下游,在入口嵌入直径较小的隔火管。需要指出的是,文献[2]对隔火管未作说明,本研究经试算并与实验结果比较,最终确定了该管的尺寸和位置。为叙述方便,由燃烧器的入口起的3排换热管,分别称为隔火管、第一排和第二排换热管。1.2控制方程假定混合气体为理想气体,气体在多孔介质中的流动为层流;多孔介质为光学厚介质;忽略气体的辐射;化学反应简化为单步总包反应;假定混合气体第6期徐有宁,等:多孔介质燃烧-换热器内燃烧和传热的数值模拟和多孔介质固体(氧化铝小球处于当地热平衡,即假设气体和多孔介质固体温度相同;填充床简化为均匀连续介质。根据以上假设,建立如下控制方程:图1多孔介质燃烧-换热器示意图连续性方程:!(gv=0(1x方向动量方程:!(guv=-+!(!u-(2y方向动量方程:!(g#v=-p+!(!#-∀p(3能量守恒方程:!(gvcpT=!(∃effT+h0%CH4(4组分守恒方程:!(gvYi=!(gDYi+%1(5式中:v∀速度矢量;g、cp、u、#、!∀气体的密度、比热容、横向速度(x方向速度、纵向速度(y方向速度和粘度;Yi∀混合物中第i种组分的质量分数;∀孔隙率;T∀温度;有效导热系数∃eff=∃f+(1-∃s+∃rad+∃dis,∃f,∃s∀气体和多孔介质的导热系数,∃rad∀固体辐射折合导热系数,∃d