填充球蓄热室热工特性分析及优化设计

摘要

高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion，简称HTAC）是上世纪90年代兴起的一种新型燃烧技术，它将烟气余热的极限回收、燃料的高效燃烧和NOx的低排放有机地结合起来，集节能、高效、环保与设备尺寸小等优势于一身，在近些年来迅速发展。蓄热室是高温空气燃烧技术的核心部分，本文主要针对填充球蓄热室的热工特性及优化设计做了专项研究。
　　在查阅了国内外大量相关文献的基础上，通过对填充球蓄热室传热过程的分析，建立了填充球传热过程数学模型，同时应用Visual Basic计算机语言开发了一套可人工操作的数值计算软件，针对不同的设计参数，对所建模型进行数值求解，得出蓄热体材质、燃气种类、蓄热室结构参数及操作参数是影响蓄热室热工特性的主要因素，主要结论如下:
　　(1)在相同情况下，蓄热体所选材质的蓄热能力越大，烟气出口温度越低，空气出口温度越高，换热效率越高，且蓄热能力越大，蓄热室的换热效率及气体出口温度随工况变化的波动幅度越较为平稳;
　　(2)当燃用高热值的燃气（如天然气）时，在单预热的情况下，可以将烟气出口温度降低到200℃以下，而当燃用低热值燃气（如高炉煤气）时，无论怎样增加蓄热室高度，缩短换向时间，都不可能将排烟温度降低到200℃以下，应当采用双预热方式，主要决定因素为气体的水当量比;
　　(3)随着填充球直径的增大，烟气出口温度升高，空气出口温度降低，蓄热室的换热效率降低;随着蓄热室高度的增加，烟气出口温度降低，空气出口温度升高，蓄热室的换热效率升高;随着气体流速的增大，烟气出口温度升高，空气出口温度降低，蓄热室的换热效率降低;随着换向时间的延长，烟气出口温度升高，空气出口温度和蓄热室的换热效率都是先升高后降低，即对于一个结构和流量已经确定的蓄热室，存在一个最佳换向时间;
　　(4)填充球直径的减小、蓄热室高度的增加和气体流速的增大都会导致球床阻力损失增大，风机等动力设备的能耗增大，所以在进行蓄热室设计时应该综合考虑各种因素的影响。
　　最后，采用约束设计法，在给定蓄热室允许阻力压降的条件下，以获得最佳换热效果为目标，对填充球蓄热室的优化设计进行了初步研究，开发了一套填充球蓄热室优化设计软件，以求得最佳结构参数和操作参数。经过工程实例的验证，使用该软件所设计的填充球蓄热室，在满足工程技术指标的要求下，具有更高的换热效率，为设计人员提供合理的结构设计依据，减少不必要的人为误差，节省大量的计算时间。
　　本文所做的工作可以对填充球蓄热室的实际应用提供理论指导，研究成果可作为工程设计的依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 高温空气燃烧技术概述

1．2．1 高温空气燃烧技术的基本工作原理

1．2．2 高温空气燃烧技术的特点

1．2．3 高温空气燃烧技术的应用

1．3 蓄热室热简介

1．3．1 蓄热室的产生、发展和现状

1．3．2 蓄热体—蓄热室的重要组成部件

1．4 蓄热室热工特性的研究现状

1．4．1 传热特性

1．4．2 阻力特性

1．5 课题研究内容

第2章 填充球蓄热室传热过程数学模型的建立与离散

2．1 蓄热室热交换理论

2．1．1 蓄热室热交换理论的发展

2．1．2 填充球蓄热室传热数学模型

2．2 填充球蓄热室传热过程中参数的确定

2．2．1 蓄热材料的结构特性参数

2．2．2 蓄热材料的物性参数

2．2．3 燃料燃烧计算

2．2．4 气体的对流换热系数

2．3 填充球蓄热室传热过程数学模型的建立

2．3．1 假设条件

2．3．2 控制方程

2．3．3 定解条件

2．4 填充球蓄热室阻力损失的数学描述

2．5 填充球蓄热室的热工指标

2．6 填充球蓄热室传热过程数学模型的离散

2．6．1 计算网格划分

2．6．2 模型的离散化

2．7 填充球蓄热室热工计算软件的开发

2．7．1 程序框图

2．7．2 软件使用说明

第3章 填充球蓄热室传热过程数学模型的计算结果分析

3．1 启动过程蓄热室内部温度分布分析

3．2 稳定工作过程中蓄热室内部温度分布分析

3．3 蓄热体材质对蓄热室热工指标的影响

3．4 不同燃气种类对蓄热室热工指标的影响

3．5 结构参数与操作参数对蓄热室热工指标的影响

3．5．1 气体出口温度的影响因素分析

3．5．2 蓄热室热交换效率的影响因素分析

3．6 结构参数与操作参数对蓄热室阻力损失的影响

3．7 本章小结

第4章 填充球蓄热室设计软件的开发

4．1 开发目的

4．2 设计步骤

4．2．1 设计说明

4．2．2 约束条件

4．2．3 N值及特征流速的确定

4．2．4 蓄热室高度的确定

4．2．5 蓄热室截面积的确定

4．2．6 换向时间的确定

4．2．7 蓄热室效率的确定

4．2．8 预热介质与被预热介质出口温度的确定

4．2．9 程序框图

4．2．10 设计软件使用说明

4．3 工程实例

4．3．1 基本物性参数及设计参数

4．3．2 计算结果

4．4 小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢