氧化床内置换热器传热特性研究

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我国是一个产煤用煤大国,每年有大量的乏风瓦斯排入大气,不仅造成了环境的污染,更是一种巨大的能源浪费,目前已实现利用蓄热逆流氧化技术规模化处理煤矿乏风,而工业用蜂窝陶瓷可以用作蓄热式燃烧器的核心部件,用于热逆流氧化装置处理煤矿乏风瓦斯,可将稀薄甲烷氧化成水和二氧化碳。  将换热器内置在蓄热式燃烧器的内部,就构成了燃烧换热器,其结构紧凑,功率调节范围大,国外的学者对其开展了大量的研究,但是主要从燃烧的角度出发,围绕其运行特性展开,对传热机理研究不足。对蜂窝陶瓷内置换热器而言,来流在垂直流动方向上的动量传递受到限制,烟气外掠换热器壁面时边界层的发展也受到限制,由此导致传统外掠圆柱对流传热公式不适于燃烧换热器的传热计算。  本文将煤矿乏风瓦斯氧化装置取热试验台上的蛇形管换热器通过抽象简化,得到圆柱绕流模型,考虑到蜂窝陶瓷结构的限制,对模型进行改进得到蜂窝陶瓷计算模型,在试验验证数学模型有效的基础上,研究来流雷诺数为692、1646、2594、3540时蜂窝陶瓷对换热器绕流和对流换热特性的影响。得到如下结论:  (1)在蜂窝陶瓷内置换热器背流面会形成一对小漩涡,由于蜂窝陶瓷的限制,边界层分离点位置比大空间圆柱绕流分离点靠前;蜂窝陶瓷内置换热器在所研究的范围内未出现卡门涡街现象,换热器受力稳定,表明蜂窝陶瓷的存在能有效抑制换热器流致振动现象;同样的来流速度条件下,蜂窝陶瓷内置换热器的绕流速度更高,且来流速度越大,二者的差异越大。  (2)研究表明蜂窝陶瓷摆放形成的狭小空间尺寸为80mm×80mm时,由于蜂窝陶瓷的存在阻碍边界层的生长变厚过程,而且使换热器表面的流体微团流动变得杂乱无章,扰动强烈,在研究的范围内得到强化了换热器对流换热过程的结论。另,对数据整理拟合得到蜂窝陶瓷内置换热器对流传热关联式的简单数学表达式。  (3)蜂窝陶瓷形成的空间尺寸不同时,发现在垂直来流方向上尺寸越大,边界层越厚,总体尺寸越大,换热器背流面形成的漩涡越完整;空间尺寸为60mm×60mm、70mm×70mm、80mm×80mm时,空间尺寸的增加,努赛尔数逐渐减小;在空间尺寸为50mm×60mm、50mm×80mm时,空间尺寸大,换热能力强。另,来流速度不变,分离点位置就不会改变。
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