VoL 27 No. 1冶金能源Jan.2008ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY蓄熱球體熱飽和時間的分析計算武紹井陳文仲朱偉素劉利(東北大學材料與冶金學院工程熱物理研究所)摘要在簡化傳熱模型的條件下,用分析解的方法計算了蒸青石材料的球形蓄熱體的熱飽和時間,并確定了熱飽和時間與換熱系數(shù)以及蓄熱體半徑之間的關(guān)系。關(guān)鍵詞蓄熱球體熱飽和時間分析解法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蓄熱體熱飽和時間的求解換向時間是蓄熱式燃燒系統(tǒng)中的一個重要參2.1計算條件數(shù),它在很大程度上決定著蓄熱體的溫度效率和(1)忽略蓄熱體內(nèi)部熱傳導所需時間。在熱回收率,同時對爐溫波動幅度和火焰燃燒狀況蓄熱體與煙氣換熱過程中,存在兩種熱交換形也有很大影響,因此需要確定合適的換向時間。式:熱傳導和對流換熱。熱傳導過程是熱量從蓄方面,換向時間增加后,蓄熱體的蓄熱量會增熱體表面向內(nèi)部傳熱過程;對流換熱則是煙氣將加,蓄熱體的溫度相應(yīng)升高,進而強化了放熱階熱量傳給蓄熱體表面的傳熱過程。兩個過程的傳段冷空氣與蓄熱體的對流換熱,可促進余熱回收熱熱阻(對于目前常用的蓄熱小球,一般換熱率的升高。另一方面,換向時間的增加將使流過系數(shù)h=10~40W/(m2K),半徑R=5-10mm,蓄熱體的空氣總質(zhì)量不斷升高,在蓄熱量一定的導熱系數(shù)A=1~3W/(mK))見表1。情況下,單位質(zhì)量的空氣所能帶走的熱量必然降表1中特征尺寸8取R乃3?？梢钥闯?/h>低,就不能維持較高的溫度效率,所以選取合適8/A,即在煙氣與蓄熱體熱交換過程中,對流熱阻的換向時間是非常重要的。蓄熱體的熱飽和占主導地位,也就是說熱飽和時間主要取決于對時間也即蓄熱體從換熱開始達到飽和溫度所需的流換熱所用時間。本計算將不考慮熱傳導所用時總時間,計算某種蓄熱體材料的熱飽和時間,對間即將某一時刻球體內(nèi)溫度看作均勻分布。確定由此種蓄熱材料組成的蓄熱式燃燒系統(tǒng)的換向時間有指導意義2。中國煤化工比較CNMHGm'kW-I日期:2007-06-20傳導熱阻(8A)0.0006~0.0033武紹井(1979—),碩士生:004江寧省沈陽市。對流熱阻(1/h冶金能源VoL 27 No. 1ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYJan 2008(2)蓄熱體內(nèi)部導熱看作沿徑向方向的一維2.2分析解法計算式導熱。蓄熱球體與煙氣實際傳熱過程如圖1所將小球蓄熱體看作是徑向上的一維傳熱,則示。為簡化計算,將此傳熱過程僅看作是沿蓄熱熱飽和時間微分表達式為球體徑向上的一維傳熱,如圖2所示(3)傅立葉數(shù)的確定。對于一般常用的非=a:(2月(1)金屬類蓄熱球體材料,其傅立葉數(shù)(Fo=am/邊界條件為: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,對于一般常用的非金屬類蓄熱球體=0,9=0材料,傅立葉數(shù)Fo>0.2(4)假設(shè)物性參數(shù)恒定并忽略輻射換熱。式中:溫度/℃;r時間/s;a—導溫在傳熱過程中,假設(shè)蓄熱材料的導熱系數(shù)、密系數(shù)或熱擴散系數(shù)/m2s;R—蓄熱球體半徑度、比熱容等物性參數(shù)均不隨溫度變化并且不考慮輻射傳熱。當Fo>0.2時,在第三類邊界條件下,式(1)的分析解可以表示為如下形式):表2傅立葉數(shù)取值e(r)/60=Aexp(-μ2F)B式中:6(T)/=(t-4)/(6-)(蓄熱體平0.1-1.0x100.005~0.010均溫度;一煙氣溫度/℃;—蓄熱體初始溫度^)為無量綱過余溫度;Fo、B分別是傅熱流方向立葉數(shù)和畢渥數(shù)。其它符號及取值見表3。付于半徑為R的蓄熱小球,其特征尺寸8取R/3。則熱飽和時間r的表達式為:球體3計算結(jié)果及分析以山西某地生產(chǎn)的革青石材質(zhì)蓄熱小球為例計算其熱飽和時間。蓄熱體材料參數(shù)如下:密度圖1球體實際傳熱示意圖為1364kg/m3,導熱系數(shù)為13W/(mK),比熱容為900J/(kgK),蓄熱體半徑為5.0mm,初始溫度為200℃,煙氣溫度為1000℃并保持恒定。對流換熱系分別取15、20、25、30W/(m2K)。熱流方向應(yīng)用公式(2),并代人上述蓄熱體參數(shù),求得球體熱飽和時間如表4所示。表4中,x表示蓄熱球體溫度從900℃升高到950℃所用時間占總加熱時間的百分率。溫度僅升高50℃,加熱時間卻占總加熱時間的1/4左右圖2球體徑向傳熱示意圖表3方程(2)中的參中國煤化工形狀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球體蓄熱體熱飽和時間換熱系數(shù)熱飽和時間/sW/(m2K)850℃900℃505的y3025.2陽科425.025.050512.5半徑/m圖3表示在不同的換熱系數(shù)下,半徑為圖4熱飽和時間與半徑變化關(guān)系50mm的蓄熱體,溫度從200℃升高到950℃所用時間。隨著換熱系數(shù)的增加,熱飽和時間并不時間。隨蓄熱體半徑的增加,熱飽和時間近似成是嚴格的按線性關(guān)系變化線性關(guān)系增加。改變蓄熱體半徑,換熱系數(shù)取15W/4結(jié)論(m2K),得到熱飽和時間與蓄熱體半徑的變化關(guān)系見表5,其中x的表示意義同表4。(1)影響蓄熱球體熱飽和時間的因素包括圖4表示當換熱系數(shù)取15W/(m2K)時,對流換熱系數(shù)、蓄熱體物性參數(shù)、蓄熱體尺寸不同半徑蓄熱體溫度從200℃C上升到950℃所用等。其中,對流換熱系數(shù)的增加會縮短蓄熱體的熱飽和時間;半徑的增加會使熱飽和時間接近線性增加。(2)確定熱飽和時間對控制換向時間尤為重要。本計算中,蓄熱體從900℃c升至950℃所用時間占整個加熱時間的25%,這些數(shù)據(jù)為換向時間的確定以及提高蓄熱體的使用效率提供了換熱系數(shù)/(mK量化依據(jù)。圖3熱飽和時間與換熱系數(shù)變化關(guān)系表5熱飽和時間與半徑關(guān)系〔1〕溫治代朝紅.蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析.河南冶金,2002,(6):6~7半徑熱飽和時間/s〔2〕呂情恒程素森楊天均.球體蓄熱體的熱飽和時850℃900℃950℃間.北京科技大學學報,200645.0〔3〕楊世銘,陶文銓.傳熱學,高等教育出版社,724.810.013016215張長保編輯節(jié)能是中國能原戰(zhàn)暗和政策的棱心,解決能源和資源問題,最根孛的YH中國煤化工CNMH