新型陶瓷空气预热器数值计算与结构优化

摘要

能源是当今社会发展及人类生存必不可少的重要支柱。随着经济的快速发展，人们对化石燃料等不可再生能源的需求量急速增长，使得能源供应短缺。节能减排已成为刻不容缓之事。工业加热炉是炼化生产装置的耗能大户，提高其热效率、降低其能耗对节能工作有着重要意义。工业上通常采用在加热炉上安装空气预热器的方法来降低排烟温度，以达到提高热效率的目的。但传统空气预热器存在低温露点腐蚀及积灰等问题，使得排烟温度依然偏高，烟气中的余热资源不能被充分回收利用。 为解决空气预热器低温露点腐蚀问题，降低排烟温度，本论文通过数值模拟及热态试验研发了一种新型陶瓷空气预热器。该空气预热器使用经过改性处理的碳化硅陶瓷材料作为换热芯体，采用与传统空气预热器结构不同的新型陶瓷块孔结构，有效地解决了空气预热器低温露点腐蚀问题。本文利用CFX数值模拟软件对不同圆孔孔道直径的新型陶瓷空气预热器进行模拟计算，分析不同圆孔孔道直径对空气预热器各参数的影响，最后优化新型陶瓷空气预热器的结构。 根据CFX模拟计算优化结果，制造出一台新型碳化硅陶瓷块孔结构空气预热器用于热态试验，测量其在不同工况下的气体进口流速、进出口压力及进出口温度。试验结果表明CFX数值模拟结果与热态试验数据基本相符。新型陶瓷空气预热器最佳运行工况为：烟气侧孔内流速12~16m/s，压降260~480Pa；空气侧孔内流速15~18m/s，压降400~800Pa；换热系数在27~32W/(m2·℃)之间。热态试验排烟温度可降至烟气酸露点温度以下，克服了低温露点腐蚀的限制，而且新型陶瓷空气预热器的性能良好，运行稳定。因此，本论文所研制的新型碳化硅陶瓷块孔结构空气预热器能够有效地解决工业加热炉低温露点腐蚀问题，达到提高效率、节能减排的目的。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 论文研究背景

1.1.1 能源现状

1.1.2 烟气余热回收技术

1.2 空气预热器现状

1.2.1 普通空气预热器

1.2.2 低温露点腐蚀问题

1.2.3 耐腐蚀空气预热器

1.3 研究的目的及内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

第二章 新型空气预热器的材料及结构选择

2.1 新型空气预热器的材料选择

2.1.1 石墨材料

2.1.2 氟塑料材料

2.1.3 硼硅玻璃材料

2.1.4 陶瓷材料

2.1.5 材料选择

2.2 新型空气预热器的结构选择

2.2.1 陶瓷列管式空气预热器

2.2.2 新型陶瓷块孔式空气预热器

2.3 新型空气预热器的材料改性

2.3.1 陶瓷芯体材料热传导率测试试验

2.3.2 陶瓷芯体漏风性能测试试验

2.4 本章小结

第三章 新型陶瓷空气预热器数值模拟优化

3.1数值模拟软件介绍

3.1.1 CFD模拟软件简介

3.1.2 CFX模拟软件简介

3.2数值模拟计算方法

3.2.1 数值模拟计算模型

3.2.2 模型简化

3.2.3 网格划分

3.2.4 计算方法及边界条件

3.3模拟计算结果分析

3.3.1 新型陶瓷空气预热器模拟云图分析

3.3.2 不同圆孔孔道直径尺寸对空气侧的影响

3.3.3 不同圆孔孔道直径尺寸对烟气侧的影响

3.3.4 新型陶瓷空气预热器圆孔孔道直径尺寸优化分析

3.4 本章小结

第四章 新型陶瓷空气预热器热态试验

4.1试验装置简介

4.1.1烟气发生器

4.1.2 燃料流量调节装置

4.1.3 新型陶瓷空气预热器

4.2新型陶瓷空气预热器热态试验

4.2.1 新型陶瓷空气预热器热态试验的工艺流程

4.2.2 试验方法及数据处理

4.3试验结果分析

4.3.1 空气侧孔内流速对新型陶瓷空气预热器的影响

4.3.2烟气侧孔内流速对新型陶瓷空气预热器的影响

4.3.3新型陶瓷空气预热器的耐温性和密封性

4.3.4 新型陶瓷空气预热器最佳运行工况

4.4数值模拟与热态试验的对比

4.4.1 孔内流速的对比

4.4.2温差的对比

4.4.3换热系数的对比

4.5本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢