第43卷第3期鍋爐技術(shù)No S2012年5月BOILER TECHNOLOGYMay,2012生物質(zhì)爐傳熱性能及結(jié)構(gòu)的研究汪小將,卞致瑞,楊麗(北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院,北京100083)摘要:采用有限元方法,對SY40型生物質(zhì)爐的傳熱過程進行模擬。研究了生物質(zhì)爐的工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱效率的影響并根據(jù)研究結(jié)果,對生物質(zhì)爐結(jié)構(gòu)進行改進。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)爐;傳熱效率;結(jié)構(gòu)分析中圖分英號:TH14文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1672-4763(2012)03-0073040前言燃燒產(chǎn)生的高溫混合煙氣在爐子的煙道內(nèi)流動。同時,高溫的煙氣將熱量由接觸的鋼板傳生物質(zhì)( biomass是指有機物中除化石燃料導(dǎo)到另一側(cè)的流動的水,使水吸收熱量,水的溫外的所有來源于動、植物能再生的物質(zhì)。如木度升高。材,人、畜糞便,城市生活垃圾等。生物質(zhì)能則是出水口指直接和間接地通過綠色植物的光合作用,把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能后固定和儲藏在生物體內(nèi)的保溫材料排煙口能量。生物質(zhì)能資源豐富,目前1-2我國生物質(zhì)觀察孔能總量約相當(dāng)于7.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,預(yù)測到2020年達8.5億噸至10億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,是僅次于煤炭石油、天然氣的第四大能源。在能源價格飛漲,環(huán)境問題日益突出的今天,生物質(zhì)能作為第四大綠色清潔可再生能源,其技術(shù)的研究與開發(fā)現(xiàn)已進水口青灰口成為世界重大熱門課題之清灰口2圖1生物質(zhì)爐物理模型生物質(zhì)爐是將生物質(zhì)(如木材)直接送入燃燒室內(nèi)燃燒。生物質(zhì)爐的工作過程分為生物質(zhì)1.2數(shù)學(xué)模型在燃燒器(燃燒室)內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔?煙氣在Fluent求解器設(shè)定為三維、定常、分離式求爐膛和煙道里流動并將熱量傳遞給煙道另一側(cè)解器先選取k- epsilon二方程模型,能量方程模的水,使水溫升高型進行計算。在計算湍流方程和能量方程基本1生物質(zhì)爐模型建立收斂的條件下,再加入DO( Discrete Ordinates)輻射模型繼續(xù)求解。1.1生物質(zhì)爐物理模型生物質(zhì)爐子的物理模型來源于工業(yè)生產(chǎn)中2生物質(zhì)爐仿真分析的爐模型,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。生物質(zhì)爐本節(jié)從操作工藝參數(shù)方面來研究生物質(zhì)爐的基本結(jié)構(gòu)為螺旋輸送器,燃燒器,煙道,進風(fēng)傳熱效率的影響因素?？?煙氣出口,水道,進水口,出水口和管壁。其2.1煙氣進囗速度影響因素分析工作原理為:通過螺旋輸送器進入燃燒器的生物質(zhì)與鼓入爐內(nèi)空氣中的氧氣充分直接燃燒,和出H中國煤化工度對傳熱效率CNMHG收稿日期:2010-01·16作者簡介:汪小將(1982-),男,碩士,主要研究現(xiàn)代設(shè)計理論及方法鍋爐技術(shù)第43卷圖2中換熱效率曲線表示生物質(zhì)爐換熱效圖3中出水溫升曲線表示生物質(zhì)爐出水平率隨煙氣進口速度變化的關(guān)系。當(dāng)煙氣進口速均溫升隨煙氣進口溫度變化的關(guān)系。當(dāng)煙氣進度從4m/s等差遞增到9m/s時,換熱效率從口溫度從750℃等差遞增到950℃時,出水平76.96%下降到56.63%;且當(dāng)煙氣速度大于均溫升從16.52℃上升到1995℃6m/s的時候換熱效率遞減的速率逐漸減小,從從以上的結(jié)果和分析可以得出以下結(jié)論:當(dāng)5.5%減少到1.78%。增大煙氣溫度時(也就是保證燃料充分完全燃燒或者同時盡量減少空氣供給量),可以有效提高一換熱效率一-出水溫升水的出口溫升,同時可以提高生物質(zhì)爐的換熱效率23水的進口速度影響因素分析8642圖4中換熱效率曲線表示生物質(zhì)爐換熱效率隨進口水速變化的關(guān)系。當(dāng)水速在0.15m/s至0.25m/s的范圍之間時,換熱效率保持遞增;當(dāng)水速在0.25m/s至煙氣進口速度v{m8)0.325m/s范圍內(nèi),換熱效率也遞增,但遞增的速圖2中出水溫升曲線表示生物質(zhì)爐出水平持遞當(dāng)圖2煙氣進口速度對換熱效率和出水溫升的影響曲線率下降;當(dāng)水速大于0.325m/s后,換熱效率保均溫升隨煙氣進口速度變化的關(guān)系。當(dāng)煙氣進一-換熱效率口速度從4m/s等差遞增到9m/s時,出水平均溫升從23.41℃上升到31.53℃,當(dāng)煙氣速度05420大于6m/s的時候,出水平均溫升上升的速率增大,從1.16℃上升到1.7℃從以上的結(jié)果和分析可以得出以下結(jié)論:當(dāng)增大煙氣速度時(也就是增加燃料量和空氣),可0.150.20025030035以有效提高水的出口溫升,但生物質(zhì)爐的換熱效進口水速m率降低,換熱效率降低的速率在>v=6m/s后圖4進口水速度對換熱效率和出水溫升的影響曲線減小。22煙氣進口溫度影響因素分析圖4中出水溫升曲線表示生物質(zhì)爐出水平圖3中換熱效率曲線表示生物質(zhì)爐換熱效均溫升隨進口水速變化的關(guān)系。當(dāng)水速從0.15率隨煙氣進口溫度變化的關(guān)系。當(dāng)煙氣進口溫m/s上升到0.35m/s時,出水溫升從2804℃度從750℃等差遞增到950℃時換熱效率從—直下降到12.55℃,然而,溫升下降的趨勢有61.59%上升到70.24%;且當(dāng)煙氣溫度>800℃所減緩。時,換熱效率遞增的速率趨向于一致從以上的結(jié)果和分析可以得出以下結(jié)論水速的變化對換熱效率的提高不是很明顯,但741→換熱效率是出水溫升可以在很大范圍內(nèi)通過進水速度來一-出水溫升72調(diào)節(jié)。3生物質(zhì)爐結(jié)構(gòu)對傳熱效率的影響以及結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計圖3煙氣進口溫度對換熱效事和出水溫升的影響曲線設(shè)計,轎煌中化工阝位的結(jié)構(gòu)參數(shù),研NMHG率的影響,并煙氣進口溫度C根據(jù)此研生物質(zhì)爐的結(jié)構(gòu)進行改進第3期汪小將,等:生物質(zhì)爐傳熱性能及結(jié)構(gòu)的研究3.1爐膛水管半徑對傳熱效率的影響3.1.1爐膛水管半徑與換熱效率的關(guān)系研究爐膛水管位于燃燒器的正上部,是高溫?zé)煔鈴娜紵鞒鰜硎紫冉佑|的部位,而且水管不但與運動煙氣對流換熱,而且吸收來自于高溫?zé)煔獾妮椛?因此,爐膛水管在此處熱交換速率最大圖5中換熱效率曲線表示生物質(zhì)爐換熱效率隨爐膛水管半徑變化的關(guān)系。當(dāng)爐膛水管半徑從23.5mm遞增到38.5mm時,換熱效率從圖7x0截面上R38.5爐膛水管速度矢量圖61.59%上升到64.75%,增大了2.8%從以上兩者的速度矢量圖的分析對比可以換熱效率得出:首先,對于爐膛水管的換熱。煙氣在經(jīng)過645--出水溫升管4和管5時,與半徑為38.5mm的管子比半徑為23.5mm的管子換熱量要大,因為前者換熱面積和對流速度都要大。而在煙氣經(jīng)過管3時,半徑38.5mm的管子換熱面積增大,而半徑23.5mm的管子煙氣平均相對速度要大。煙氣在經(jīng)過管1和管2時,對于半徑38.5mm的管子,煙氣爐膛水管半徑/mm的換熱量甚至要少于半徑23.5mm的管子。其圖5爐膛水管半徑對換熱效率和出水溫升的影響曲線次,煙氣在爐膛水管以外的部分與水管的換熱分圖5中出水溫升曲線表示生物質(zhì)爐出水平析。從2圖對比可以看出煙氣在爐膛以外的管均溫升隨爐膛水管半徑變化的關(guān)系。當(dāng)爐膛水道相對運動速度變化不大,而煙氣與水管的接觸管半徑從23.5mm遞增到38.5mm時,出水平面積不變,因此,在爐膛水管以外的部分煙氣與均溫升從17.47℃上升到18.26℃。水管的換熱幾乎不變。再次,從燃燒器四周煙氣3.1.22種爐膛水管半徑的對比研究的流向來看,爐膛水管直徑的增大,并未堵塞煙分別取爐膛水管半徑23.5mm和38.5mm氣的正常流動。為分析對象,按照從左到右從上到下的順序分別通過對比可以得出結(jié)論:增大爐膛水管半標(biāo)記5根水管的序號為管1、2、3、4和5。徑,增大了煙氣與水管間的換熱面積,而具體對爐膛水管半徑從23.5mm增大為38.5mm于每根管子的換熱量的影響不同。對于管4和時換熱面積增大了約9%,而換熱效率僅增大管5是顯然有利的,對于管1和管2,卻不一定增2.8%,以下是半徑為23.5m(圖6)和半徑為大了其與煙氣的換熱量;對于整個生物質(zhì)爐來38.5mm(圖⑦)的模型在z=0截面上的速度矢說,其整體換熱效率提高;爐膛水管半徑增大,沒量圖。有阻塞煙氣在爐膛內(nèi)的流動。3.2出水口位置對傳熱效率的影響以爐膛底面的對角線交點為原點,以指向煙氣出口和水進口方向為z的正坐標(biāo)軸,研究2個出水口在z坐標(biāo)上的位置與換熱效率的關(guān)系。圖8表示的是換熱效率和出水溫升隨出水口在z坐標(biāo)上位置的關(guān)系。根據(jù)生物質(zhì)爐的模型推算,出水V凵中國煤化工范圍為-10物L(fēng)以MHG010:生圖8中換熱效率曲線表示生物質(zhì)爐換熱效圖6x0截面上R23.5爐膛水管速度矢量圖率隨z坐標(biāo)值變化的關(guān)系。當(dāng)出水口在z坐標(biāo)軸鍋妒技術(shù)第43卷上從z為90mm(生物質(zhì)爐后面)移到z為160mm過程中,換熱效率從64.84%先下降到64.68%再上升到65.64%在z為50mm處達到最大值,然后再下降到63.98%在z為100mm處,換熱效率再次上升。Q管4管趙645圖10出水口位置改進前后對比根據(jù)以上計算結(jié)果分別對爐膛水管和出水80口位置進行改進。100-50050100150200改進前后尺寸和位置關(guān)系對比,見圖9和圖出水口z軸坐標(biāo)mm10所示圖8出水口位置對換熱效率和出水溫升的影響曲線4結(jié)語圖8中出水溫升曲線表示生物質(zhì)爐出水平均溫升隨z坐標(biāo)值變化的關(guān)系。出水溫升的變由以上研究可得出以下結(jié)論:化趨勢與換熱效率的變化趨勢一致。(1)增大爐膛水管半徑,具體對于每根管子從以上的結(jié)果和分析可以得出以下結(jié)論:改的換熱量的影響不同。對于管4和管5是顯然有變出水口位置可以在一定程度上提高換熱效率利的,對于管1和管2,卻不一定增大了其與煙氣并提高出水溫升;對于本生物質(zhì)爐,其在z50處的換熱量;對于整個生物質(zhì)爐來說,其整體換熱換熱效率最高,出水溫升最大效率提高;爐膛水管半徑增大,沒有阻塞煙氣在3.3生物質(zhì)爐結(jié)構(gòu)改進設(shè)計爐膛內(nèi)的流動。(2)出水口位置的改變使水的流向和流速發(fā)生了變化,通過這種變化在一定程度上提高換熱效率并提高出水溫升;對于本生物質(zhì)爐模型,出水口位置在z50處換熱效率最高,出水溫升最大參考文獻[]毛玉如方夢祥等.生物質(zhì)能流化床轉(zhuǎn)化利用技術(shù)實踐[鍋爐技術(shù),2003,34(2):72.器[2]鄧可蘊.21世紀(jì)我國生物質(zhì)能發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國電力圖9爐膛水管半徑改進前后對比2000,33(9):82-384.The Finite Element Analysis of the maker of the oRT TireWANG Xiao-jiang, BIAN Zhi-rui, YANG Li( School of Mechanics Engineering, University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083, China)Abstract: The paper takes simulation to heat transferringof the biomass boiler withthe Finite Element Method, The influence of the pro中國煤化工 heattransferring efficiency of the boiler is analyzed; furtherYHCNMHGmade tothe structure based on the resultsKey words: biomass boiler: heat transfer efficiency; process parameter; optimizations