蓄热式燃烧蜂窝体动态传热特性及其结构优化研究

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高温空气燃烧技术(High Temperature Air Combustion简称HTAC)是20世纪90年代初国际上兴起的一项新型燃烧技术,它把回收烟气余热与高效燃烧以及降低NOx排放等技术有机地结合起来,具有节约燃料、提高热利用率、降低NOx排放和减小设备尺寸的特点。该技术以其优越的环保和节能的优势而得以在近十几年中迅速发展。 陶瓷蜂窝蓄热体是高温空气燃烧技术的关键部件。正六边形蜂窝蓄热体结构与传统的三角形和四边形相比,应力分布均匀,力学稳定。本文以正六边形通道的蜂窝体蓄热室为研究对象,对其进行了三维非稳态数值模拟计算。首先,介绍了蜂窝体蓄热室的热启动过程,分析了蓄热体结构参数及操作参数对热饱和时间的影响,为进一步研究蓄热式换热机理提供了初步的理论依据。其次,讨论了在某一工况下蓄热体的流动及换热特性。得到了速度场、温度场、气体密度分布、阻力特性、换热特性。从模拟结果可以看出,在蓄热期通道内的局部传热系数沿蓄热体长度增大逐渐减小。气体与固体表面之间的换热在边长中点附近最强,在六个角点附近换热最弱。然后,给出了蓄热室热工指标的定义及计算方法,对不同蜂窝体结构参数和不同操作参数下的蜂窝体蓄热室工作状况进行对比和分析,研究了温度特性、热回收率和压力损失的变化规律,并对结构参数和操作参数进行优化,找到了确定最佳换向时间的方法。结果表明:压力损失随蓄热体长度及气体入口速度的增大而增大,且蓄热期的压力损失大于放热期的压力损失;蓄热体比热对压力损失的影响不是很大。在正六边形蓄热体孔边长及长度不变的情况下,分别取蓄热体壁厚D为0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm时进行模拟计算,蓄热体壁厚为0.8mm时温度效率最大。温度效率和热回收率随蓄热体长度及蓄热体比热的增加而增加,随换向时间及烟气入口速度的增大而降低。最后,为修正由于蓄热体与换向阀之间管路带来的误差,引入了供风效率的概念。 本文的工作对高温空气燃烧系统的开发和实际应用具有指导作用,研究成果可以作为工程设计的依据。
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