蓄热球体热饱和时间的分析计算

VoL 27 No. 1冶金能源Jan.2008ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY蓄热球体热饱和时间的分析计算武绍井陈文仲朱伟素刘利(东北大学材料与冶金学院工程热物理研究所)摘要在简化传热模型的条件下,用分析解的方法计算了蒸青石材料的球形蓄热体的热饱和时间,并确定了热饱和时间与换热系数以及蓄热体半径之间的关系。关键词蓄热球体热饱和时间分析解法Analytical method of solid sphere regenerator heat saturating timeEngineering Thermal Physics Institute of Northeasten University)Abstract The analytical method is used in calculating heat saturation time of solid sphere cordieriteregenerator with simplified heat transfer mode. The relationships between heat saturation time and heatchange coefficient and regenerator radius are also ascertained.Keywords solid sphere regenerator saturating time analytical method前言2蓄热体热饱和时间的求解换向时间是蓄热式燃烧系统中的一个重要参2.1计算条件数,它在很大程度上决定着蓄热体的温度效率和(1)忽略蓄热体内部热传导所需时间。在热回收率,同时对炉温波动幅度和火焰燃烧状况蓄热体与烟气换热过程中,存在两种热交换形也有很大影响,因此需要确定合适的换向时间。式:热传导和对流换热。热传导过程是热量从蓄方面,换向时间增加后,蓄热体的蓄热量会增热体表面向内部传热过程;对流换热则是烟气将加,蓄热体的温度相应升高,进而强化了放热阶热量传给蓄热体表面的传热过程。两个过程的传段冷空气与蓄热体的对流换热,可促进余热回收热热阻(对于目前常用的蓄热小球,一般换热率的升高。另一方面,换向时间的增加将使流过系数h=10~40W/(m2K),半径R=5-10mm,蓄热体的空气总质量不断升高,在蓄热量一定的导热系数A=1~3W/(mK))见表1。情况下,单位质量的空气所能带走的热量必然降表1中特征尺寸8取R乃3。可以看出1/h>低,就不能维持较高的温度效率,所以选取合适8/A,即在烟气与蓄热体热交换过程中,对流热阻的换向时间是非常重要的。蓄热体的热饱和占主导地位,也就是说热饱和时间主要取决于对时间也即蓄热体从换热开始达到饱和温度所需的流换热所用时间。本计算将不考虑热传导所用时总时间,计算某种蓄热体材料的热饱和时间,对间即将某一时刻球体内温度看作均匀分布。确定由此种蓄热材料组成的蓄热式燃烧系统的换向时间有指导意义2。中国煤化工比较CNMHGm'kW-I日期:2007-06-20传导热阻(8A)0.0006~0.0033武绍井(1979—),硕士生:004江宁省沈阳市。对流热阻(1/h冶金能源VoL 27 No. 1ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYJan 2008(2)蓄热体内部导热看作沿径向方向的一维2.2分析解法计算式导热。蓄热球体与烟气实际传热过程如图1所将小球蓄热体看作是径向上的一维传热,则示。为简化计算,将此传热过程仅看作是沿蓄热热饱和时间微分表达式为球体径向上的一维传热,如图2所示(3)傅立叶数的确定。对于一般常用的非=a:(2月(1)金属类蓄热球体材料,其傅立叶数(Fo=am/边界条件为:r=R,As≠a(y-);r8)取值如表2(其中特征尺寸8取R/3)。由表2可以看出,对于一般常用的非金属类蓄热球体=0,9=0材料,傅立叶数Fo>0.2(4)假设物性参数恒定并忽略辐射换热。式中:温度/℃;r时间/s;a—导温在传热过程中,假设蓄热材料的导热系数、密系数或热扩散系数/m2s;R—蓄热球体半径度、比热容等物性参数均不随温度变化并且不考虑辐射传热。当Fo>0.2时,在第三类边界条件下,式(1)的分析解可以表示为如下形式):表2傅立叶数取值e(r)/60=Aexp(-μ2F)B式中:6(T)/=(t-4)/(6-)(蓄热体平0.1-1.0x100.005~0.010均温度;一烟气温度/℃;—蓄热体初始温度^)为无量纲过余温度;Fo、B分别是傅热流方向立叶数和毕渥数。其它符号及取值见表3。付于半径为R的蓄热小球,其特征尺寸8取R/3。则热饱和时间r的表达式为:球体3计算结果及分析以山西某地生产的革青石材质蓄热小球为例计算其热饱和时间。蓄热体材料参数如下:密度图1球体实际传热示意图为1364kg/m3,导热系数为13W/(mK),比热容为900J/(kgK),蓄热体半径为5.0mm,初始温度为200℃,烟气温度为1000℃并保持恒定。对流换热系分别取15、20、25、30W/(m2K)。热流方向应用公式(2),并代人上述蓄热体参数,求得球体热饱和时间如表4所示。表4中,x表示蓄热球体温度从900℃升高到950℃所用时间占总加热时间的百分率。温度仅升高50℃,加热时间却占总加热时间的1/4左右图2球体径向传热示意图表3方程(2)中的参中国煤化工形状A=a1+b1(1-e-)CNMHG+b/B2)1.00030.9858031911.02950.64810.19530.2779VoL 27 No. 1冶金能源Jan 2008ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY表4球体蓄热体热饱和时间换热系数热饱和时间/sW/(m2K)850℃900℃505的y3025.2阳科425.025.050512.5半径/m图3表示在不同的换热系数下,半径为图4热饱和时间与半径变化关系50mm的蓄热体,温度从200℃升高到950℃所用时间。随着换热系数的增加,热饱和时间并不时间。随蓄热体半径的增加,热饱和时间近似成是严格的按线性关系变化线性关系增加。改变蓄热体半径,换热系数取15W/4结论(m2K),得到热饱和时间与蓄热体半径的变化关系见表5,其中x的表示意义同表4。(1)影响蓄热球体热饱和时间的因素包括图4表示当换热系数取15W/(m2K)时,对流换热系数、蓄热体物性参数、蓄热体尺寸不同半径蓄热体温度从200℃C上升到950℃所用等。其中,对流换热系数的增加会缩短蓄热体的热饱和时间;半径的增加会使热饱和时间接近线性增加。(2)确定热饱和时间对控制换向时间尤为重要。本计算中,蓄热体从900℃c升至950℃所用时间占整个加热时间的25%,这些数据为换向时间的确定以及提高蓄热体的使用效率提供了换热系数/(mK量化依据。图3热饱和时间与换热系数变化关系表5热饱和时间与半径关系〔1〕温治代朝红.蓄热式高温空气燃烧技术的研究现状及应用前景分析.河南冶金,2002,(6):6~7半径热饱和时间/s〔2〕吕情恒程素森杨天均.球体蓄热体的热饱和时850℃900℃950℃间.北京科技大学学报,200645.0〔3〕杨世铭,陶文铨.传热学,高等教育出版社,724.810.013016215张长保编辑节能是中国能原战暗和政策的棱心,解决能源和资源问题,最根孛的YH中国煤化工CNMH