（热能工程专业论文）催化剂蜂窝载体流动及传热特性的实验研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着能源与环境问题的突出，世界各国都将能源和环境问题的解决 列入国家发展计划中。催化剂载体作为高新技术产品被广泛应用于燃烧及尾气排 放控制领域。传统的有焰燃烧不仅燃烧效率低，浪费能源，而且污染物的排放比 较高，如氮氧化物、未燃烃、一氧化碳等，严重危害环境。催化燃烧技术为解决 上述问题提供了一种有效的技术途径。催化燃烧技术是利用催化剂载体表面涂覆 的催化剂来降低燃料燃烧的活化能，从而使得燃烧更易进行，这样不仅提高了燃 烧效率，而且可以有效地降低污染物的排放。然而，研究表明，催化燃烧过程中 最大的难题是催化剂容易被烧结从而失去催化活性。催化剂的烧结除了与其本身 的材料及结构有关外，还与催化剂载体的传热传质特性密切相关。因此，如何降 低催化剂载体的温度并选择适当的载体结构，研究其内部热、质传递规律，从而 降低n o x 的排放、提高炉内天然气燃烧效率及催化剂使用寿命无疑具有重要的 现实意义。 首先，本文通过实验方法研究了蜂窝载体内部的传热特性，得到了流体流过 蜂窝载体时的换热系数。并针对蜂窝载体的几何特性参数，如载体的长度、孔密 度、孔隙率等参数，进行了相关研究。研究表明，蜂窝载体由于入口段的影响， 短载体的传热系数比较高，达到充分发展时，传热系数的变化相对较小；相同孔 隙率及长度的载体，大孔密度的载体的孔径比较小，几何表面积比较大，因此， 传热系数较高；相同孔密度及长度的载体，大孔隙率的载体的当量直径较大，因 此，传热系数较小。 其次，本文选择了不同几何参数的载体，进行了载体阻力特性的实验研究。 研究表明，流体流过蜂窝载体时的压力损失跟蜂窝载体的长度、载体的当量直径 及孔密度有密切关系。压力损失随着载体长度的增加而变大，同时，由于入口效 应的影响，短载体的单位长度的压力损失比较大；相同孔隙率及长度下，载体的 当量直径越小，孔密度越大，载体的流通性能就越差，因此，压力损失就越大； 相同孔密度及长度下，大孔隙率的载体的当量直径比较大，载体流通性能就比较 好，压力损失比小孔隙率载体小。 最后，在前面实验基础上，利用实验所测得的不同几何参数载体的传热及压 力损失结果，得到了蜂窝载体内部传热无量量纲关联式及载体的摩擦阻力系数关 联式。 关键词：催化剂载体；孔隙率；孔密度；传热 北京一广业大学下学硕十学何论文 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s e da w a r e n c eo fe n e r g ya n de n v i r o n m e n ti m p a c t s , n e a r l ya l lt h ec o u n t r i e sh a v ep a y e dag r e a ta t t e n t i o no ne n e r g ys h o r t a g ea n d e n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni nt h e i rd e v e l o p m e n tp r o j e c t c a t a l y s tm o n o l i t h ，a sah i g h t e c h p r o d u c t ，i sw i d e l yu s e d i nc o m b u s t i o na n de x h a u s te m i s s i o nc o n t r 0 1 h o w e v e r , t r a d i t i o n a lf l a m i n gc o m b u s t i o no ff u e l s ，w i t hl o wc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , o f t e nw a s t e s e n e r g y t h ee m i s s i o n so fp o l l u t a n t sa r en o x ，u h ca n dc o t h e yp r o d u c es e r i o u s e n v i r o n m e n ti m p a c t s c a t a l y t i cc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yc a ns o l v et h ea b o v ep r o b l e m s 砸st e c h n o l o g ym a k e su s eo ft h ec a t a l y s t ，w h i c hi sc o a t e do nt h es u r f a c eo ft h e c a t a l y s tm o n o l i t h s ，t or e d u c ea c t i v a t i o ne n e r g yd u r i n gc o m b u s t a t i o n i nt h i sw a y , t h e c o m b u s t i o ne f f i c i e n c yi si m p r o v e da n dt h ep o l l u t a n te m i s s i o ni sr e d u c e d t h em o s t d i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ep r o c e s so fc a t a l y t i cc o m b u s t i o ni st h a tc a t a l y s tc a nb ee a s i l y a g e da n dt h u st h ec a t a l y t i cc a p a b i l i t yd e c r e a s e d t h ea g i n go fc a t a l y s th a sac l o s e r e l a t i o n s h i pw i t hi t ss t r u c t u r ea sw e l la st h e h e a ta n dm a s st r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fh o wt or e d u c et h ec a t a l y s tm o n o l i t h st e m p e r a t u r e ，c h o o s e p r o p e rm o n o l i t h a n df i n di t si n n e rh e a ta n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i e sh a v eg r e a t i m p o r t a n c et or e d u c et h ee m i s s i o no fn o r a f l a a n c ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c y a n d p r o l o n gt h es e r v i c el i f eo fc a t a l y s t t h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fh o n e y c o m bm o n o l i t h sw e r e i n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h ec o n v e r t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a so b t a i n e d t h eg e o m e t r i c a lp r o p e r t i e so fh o n e y c o m bs u b s t r a t e , s u c ha sl e n g t h ，c e l ld e n s i t ya n d p o r o s i t yw e r ea n a l y z e da c c o r d i n g l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts h o r t e rc a r r i e rh a dah i g h h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e c a u s eo ft h e r m a le n t r a n c ee f f e c t ，b u tw h e nt h ea i rf l o wi s i nt h ef u l l yd e v e l o p h e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n tk e p ts t a b l e t h es t u d ya l s of o u n dt h a tt h e c a r r i e r 晰n lt h es a n l el e n g t ha n dp o r o s i t y , t h el a r g e rc e l ld e n s i t yh a ds m a l l e rc e l l d i a m e t e ra n db i g g e rs p e c i f i cs u r f a c ea r e a , t h u sh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a sh i g h e c t h a tw i t ht h es a m ec e l ld e n s i t ya n dl e n g t h ，t h el a r g e rp o r o s i t yh a db i g g e rc e l ld i a m e t e r a n dl o wh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t t h ef l u i df l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh o n e y c o m bm o n o l i t h sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d a n db o mp r e s sd r o pa n df r i c t i o nf a c t o rw e r eo b t a i n e d o u re x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a t p r e s s u r e l o s sh a dc l o s er e l a t i o n s h i pw i t ht h em o n o l i t hl e n g t h ， c e l l d i a m e t e ra n dc e l ld e n s i t y p r e s s u r el o s si n c r e a s e sw i n lt h em o n o l i t hl e n g t h m e a n w h i l e ，a f f e c t e db ye n t r a n c ee f f e c t ，t h ep r e s s u r el o s sw a sm u c hg r e a t e r f o rt h e s a m ep o r o s i t ya n dl e n g t h ，t h es h o r t e rd i a m e t e rh a dl a r g ec e l ld e n s i t y , p o o rc i r c u l a t i o n p r o p e r t i e s ，t h u sm u c hp r e s s u r el o s s ；f o rt h es a m ec e l ld e n s i t ya n dl e n g t h ，c a r r i e rw i t h l a r g e rp o r o s i t yh a dl o n gd i a m e t e r , a n dg o o dc i r c u l a t i o np r o p e r t i e s ，t h u sl e s sp r e s s u r e l o s s f i n a l l y , b a s e do nt h ea b o v ee x p e r i m e n t s ，t h ed i m e n s i o n l e s se x p e r i m e n t a l i i - a b s t r a c t 曼曼皇量曼皇皇皇鼍曼曼量量曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇蔓曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼i i l l i 量 c o r r e l a t i o na n dm o n o l i t hf r i c t i o nf a c t o re x p e r i m e n t a lc o r r e l a t i o nw e r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：c a t a l y s tm o n o l i t h s ；p o r o s i t y ；c e l ld e n s i t y ；h e a tt r a n s f e r 1 1 1 物理量名称及符号表 物理量 4 一比表面积，m 2 m 3 么 一壁厚，越 c 一比热，j ( k g 酗 眈一当擞赢径，m 嚣 一稳阕距，墨 f一摩擦阻力系数 尉 一对流换热系数，w ( m 2 k ) ； 互 一长度，毽 一孔密度，i i n 2 或1 m 2 艘一压力损失，p & 袁 一萄角半径，撒 角标 0 一初始时刻 c a l 一数值计算 e x p一实验 准则数 n u = 丝一努谢尔( n u s s e l f ) 数 a p r = 笙一普朗特疆淄删数 r 一温度， l 一时阏，s y一体积，岔 v 一载体孔道内流速，m s 砌一空管澈速 出一空间步长，m 一孔隙率 露 动力翥蓦滞度，p a s a 一导热系数，w ( m k ) p一密度，l g 么室 一对间步长，8 ，一流体 嚣一固体 r g 勰p v d h 譬 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签辊一闫亟! ! l 虹日期：巡： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 垛导师签名： ；歹叶良 歹砷南， 日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 目的及意义 能源是人类生存和发展不可缺少的物质基础，是当今世界各个国家关心的焦 点问题。随着经济的快速发展，能源需求迅速增长，使得能源问题越来越紧张， 能源短缺不仅限制了国民经济的发展，而且由于利用方式不合理，能源消耗还造 成了严重的环境问题，降低了人们的生活质量。因此，提高能源利用效率，最大 程度地减少环境污染，逐渐成为当今各国能源研究的重要课题。一， ，在我国，能源利用及环境问题也得到了高度重视。我国能源利用方式及能源 结构存在比较严重的问题，我国能源以煤炭为主，污染严重，环境问题不容乐观， 已经成为制约我国经济和社会发展的瓶颈【l j 。天然气热值高，如果加以合理方式 利用可以达到很高的能源利用效率，而且大气污染排放物少，能源比价低。但是 天然气传统的有焰燃烧，存在很多问题，燃烧效率低，n o x 的排放高。n o x 对环 境具有很多负面影响【2 】，因此，世界各国对n o x 的排放都制定了严格的控制标准。 研究表吲3 ，4 ，5 ，6 7 ，8 】，催化燃烧作为一种新的高效清洁燃烧技术完全可能解决上述 问题，同时达到洁净燃烧和燃烧能量的高效转化。催化燃烧主要是利用催化剂来 改变燃料的氧化反应途径，使燃料在比较低的温度下充分燃烧。这样不仅提高了 燃烧效率、节约了能耗，而且改善了燃烧条件，大大降低污染物的排放。研究表 明【9 l o 】，催化燃烧过程中最大的难题是催化剂容易被烧结从而失去催化活性，从 而严重影响了催化剂的使用寿命。催化剂的烧结不仅与其本身的材料和结构有 关，而且与炉堂内的传热传质特性密切相关。另外，如果催化剂载体的温度分布 不均匀【l ，有局部高温存在，会导致大量n o x 的排放。因此，对催化剂载体内 部的传热传质特性的分析研究，有利于适当地降低催化载体及炉膛内的温度，提 高炉膛的热工效率，以实现n o x 的低排放。 一。 。 生态环境材料是指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或能改善 环境的材料，其中包括防治污染所用到的一些环境工程材料。目前，将积累下来 的污染问题，利用环境生态材料进行末端治理，恢复环境对污染物的容纳能力和 消化吸收功能，对改善我国的环境现状尤其重要。例如，机动车尾气排放对大中 城市造成的大气污染，向人们提出了开发治理汽车尾气的技术和产品的要求，而 治理汽车尾气污染的核心技术就是开发能够满足使用要求的汽车尾气催化净化 器及其载体、碳烟微颗粒的捕捉器等。 i 。 蜂窝载体是一种具有大量相互平行的、规则直通孔道的催化剂载体。按其材 质可分为两大类：陶瓷蜂窝体及金属蜂窝体。其主要应用于环保和燃烧领域，其 中汽车尾气净化是应用量最大、技术最成熟最重要的领域。提高材料的抗热振性 葛皇皇昌詈皇暑詈詈詈詈詈皇暑穹皇詈皇詈暑暑詈詈当耋圣苫二些；冬耋耋量耋垒堑圣耋：董耋圣圣塞- 葛暑詈詈詈置皇置詈詈量詈皇暑量暑暑一 能，如高温冲击、抗热拉伸和耐火性等，以适应这一领域对载体材料高温性能的 要求。蜂窝载体个体外形直径从几厘米到几十厘米，内部有诸多小孔，其截面直 径为几个毫米，因此，具有较大的几何表面积，有利于控制排放。 蜂窝载体属于多孔介质中的一种，多孔介质中的质量、动量和能量的传递问 题涉及到许多领域，随着化工、能源、原子能及强化传热等近代工程技术的发展， 研究多孔介质中热质传递规律对于选择合适的材料做载体，有效的控制排放有着 重要的意义。本文致力于蜂窝载体中的传热传质规律及流体流动特性的研究，重 点研究了影响传热及压力降的主要因素，如载体的几何参数( 孔型、孔密度、孔 隙率、载体长度) 和载体的物性参数( 密度、比热) 等。 1 2 国内外研究发展现状 蜂窝载体内的流动与传热的研究，是近些年国内外研究的热点，研究的内容 也比较广泛。蜂窝载体中流体的流动和传热是自然现象和工程实际中常见的基本 过程。蜂窝载体的各相之间或各相内部之间存在温度差、压力差等时，蜂窝载体 内部就会有流动或热质传递过程发生。在这类过程中，各相物质内部及其中间的 质量、动量和能量传递规律比较复杂，研究认为蜂窝载体的结构特殊性在该过程 中有重要影响。 1 2 1 蜂窝载体简介 概括来说，蜂窝载体可以用以下几点来描述： ： ( 1 ) 蜂窝载体顾名思义，是一种多孔的固体材料，其中固相部分称为固体骨 架，而未被固相占据的部分空间称为孔隙。孔隙内部可以是气体、液体或者是多 相流体。 ( 2 ) 孔隙空间应有一部分或大部分是相互连通的，且流体可以在其中流动， 这部分孔隙空间称为有效孔隙空间。 1 2 1 1 催化剂载体的发展 2 0 世纪5 0 年代人们开始制造了多孔陶瓷体，并广泛的应用于诸多领域，比 如热交换器【1 2 】。j o h i l s o n 【1 3 】等人介绍了有关此技术在5 0 年代后期的情形，所采用 的是没有催化组分的结构陶瓷。a n d e r s o n ( 1 4 】等对规整结构催化剂载体用于硝酸尾 气的脱色进行了讨论，这是第一个重要工业应用；而k d t h ( 1 5 , 1 6 等则讨论了用于 汽车尾气排放控制，结构陶瓷中已有了催化组分。2 0 世纪6 0 年代后期，汽车行 业及排放量大的工业界开始研制蜂窝载体。研究规整催化剂载体的主要原因是它 们的压力损失小，这对于汽车后燃器和尾气焚烧来说是一个重要的必须考虑的因 素。蜂窝载体作为汽车用的催化剂载体，可以有效地控制尾气的排放，同时也提 第1 章绪论 1 高了催化燃烧器的燃烧效率。蜂窝载体之所以能有效的控制有害气体排放，提高 效率，是因为其特有的结构，在蜂窝载体内部有非常多的截面直径为几个毫米的 通道，大大提高了载体的几何表面积。因此，优化载体的孔型结构参数，提高几 何表面积和孔隙率，有着重要的意义。 j 随着对催化剂载体在气固催化反应体系中应用研究的不断深入和它在工业 反应器应用中表现出来的优异性能，2 0 世纪8 0 年代起，人们对该技术给予了高 度关注，并将其引入到其它催化反应应用中。 1 2 1 2 蜂窝载体的分类及各类载体的特点 蜂窝载体按其外形可分为圆形、正方形、三角形等；按其材质可以分为两大 类：陶瓷载体和金属载体，陶瓷载体比较常用的材料是莫莱石和堇青石，金属为 箔片、铜等材料。：j 陶瓷蜂窝载体是一种具有高强度、低膨胀、耐热震性好、吸附能力强、耐磨 损等优点的蜂窝状多孔陶瓷，与金属蜂窝载体相比，强度高、价格低、易于制造， 因此逐步用来取代贵金属载体。载体的性能关系到催化剂的转化率、使用寿命和 整个催化转化器的装配要求，对系统性能，如压力降、强度、传热传质特性、催 化燃烧性能等都有很大的影响。目前，堇青石作为蜂窝载体的材料备受人们的青 睐【1 7 】，堇青石有相对低的热膨胀性以及相对较高的耐火性能，其化学式为 2 m g o 2 a 1 2 0 3 5 s i o z 。 ，。，。 表1 1 陶瓷载体与金属载体参数比较 f o r m1 - 1t h ep a r a m e t e r so f c e r a m i cm o n o l i t h sv 5m e t a lm o n o l i t h s 陶瓷孔密度( c e l l i n 2 )金属孔密度( c e u i n 2 ) 载体材质及规格 2 0 03 0 04 0 04 0 05 0 06 0 0 孔截面积( 蛐2 ) 2 3 01 4 31 2 l1 5 01 1 00 9 7 比表面积( m 2 m 3 ) 1 8 9 0 2 2 0 52 7 9 03 2 3 0 3 5 8 03 9 4 0 7 06 07 68 98 68 3 孔隙率( ) 0 2 8o 3 00 1 5o 0 5o 0 5o 0 5 壁厚( 衄) 金属材质的蜂窝载体最早用于摩托车的尾气净化。金属材质与蜂窝陶瓷相 比，具有更高的机械强度、更大的开孔率和更薄的壁，以及更低的压力降、更轻 的质量和更高的热传导率等优点。在相同孔密度情况下，如孔密度为4 0 0 c e l l i n 2 ， 对于陶瓷载体，其壁厚为6 5 i n 1 0 0 0 ，约为0 1 6 5 m m ，而金属载体壁厚仅为 0 0 5 r a m ，因此，金属具有更高的开孔率，但金属载体熔点低，载体的热膨胀系 数比陶瓷载体大，因此，对金属载体对催化剂的涂覆及后处理技术有更高的要求。 i 由此可见，蜂窝载体使用陶瓷和金属制造，各有各自的优势和限制，表1 1 【培l 给出了两种载体重要参数的比较。从表中可以看出，单位体积金属载体具有较高 的比表面积，针对快速传质限制的反应，提供了更高的单位体积活性。由于金属 载体前端开口度大，使得压力降更低。 1 2 2 蜂窝载体的研究方法 研究蜂窝载体内部传递特性的方法主要有数值方法、实验方法及理论计算。 由于蜂窝陶瓷载体的微通道直径一般为1 - 2 m m 1 9 】，通道内的传热及流动相当复 杂，目前蜂窝陶瓷载体内的传热传质特性研究的报道主要集中在数值研究领域， 北京工业大学的许考等人【2 0 】采用数值方法，对带有壁面反应的蜂窝载体内部传热 传质特性进行了研究。h w a n g 2 1 】利用二维均相及非均相化学反应边界层研究了 碳氢燃烧炉的燃烧特性，并与实验数据进行了对比。b 吼e d e t t o 【2 2 1 等人利用二维模 型研究了丙烷在固体表面反应的传热传质特性，并给出了努谢尔数n u 和舍伍德 数砌随进口温度和进口丙烷质量分数的变化情况。h a y e s a t l 9 】等人采用二维模型 模拟了蜂窝陶瓷载体内单个圆形通道的n u 数和鼢数，研究表明，这个两个准 则数跟壁面反应速率有紧密关系。而在实验方面的数据缺乏，相关的试验研究的 报道为数不多。p o l y a e v t 2 3 】等人依据测得的多孔介质表面和流体的温度，结合理 论分析，给出了不均匀多孔介质内部对流换热系数的计算关联式。f u 2 4 】等人用 实验的方法研究了孔隙尺度较大的蜂窝陶瓷内部的体积平均对流换热系数，得出 了不同蜂窝陶瓷体中n u 数和船数的关联式。b r a u t s c h 2 5 】研究了氢催化燃烧时其 载体的结构对热传递特性及压力降的影响。研究表明，单位面积的通道数量及通 道的形状对载体的传热系数影响很大，即在通道数量适中的情况下皱褶状的通道 比平行直通道的热传递系数要大；同时得到通道内气体流动换热关联式。p e n g t 2 6 】 等人采用实验的方法研究了陶瓷泡沫载体的内的传热传质特性，研究得到了沿轴 向一维传热及沿轴向和径向二维传热的经验关联式。 。 多孔介质中的传热和流动的复杂性是显而易见的。多孔介质的结构形状和 几何参量千差万别，难以进行精确可靠的数学描述，多孔介质的相界面存在着随 机不确定性，很难揭示单个孔隙中的流动规律，其实这样的解本身也没有实际价 值【2 7 】。正是这些困难，多孔介质流体动力学不可能像传统流体力学那样在流体微 团的尺度上进行研究，而是采用更粗的平均水平。在多孔介质的研究中，引入了 特征单元体r e v ( r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r yv o l u m e ) 的概念，r e v 在尺度上比单 个的孔隙大得多，即它应包含足够数量的孔隙和固体颗粒；另一方面它比整个流 场的尺度小得多，以便能代表讨论点的物理量。借助r e v ，实际的多孔介质可 以处理成大尺度的即宏观的虚拟的连续介质。这种局部被看作均匀的连续多孔介 质，其线孔隙率、面孔隙率和体孔隙率一致，从而使问题大大简化。有了r e v 上的平均参量，从而能借助偏微分方程来描述多孔介质中的流动、传热和传质等 现象。而由偏微分方程构成的数学模型是目前大多数人在研究多孔介质时的出发 点。研究多孔介质换热过程的完整数学模型由连续方程、动量方程和能量方程构 成。 第1 章绪论 为得到催化剂载体内部传热传质系数，大量研究者如r o h s e n o w 2 8 】采用不同 的技术做了大量的工作，尤其是在传质特性方面。后来s c h l e g e l e 2 9 l 发展了一种相 对比较简单而且能够比较准确的确定载体内传热系数的方法，该方法提出了单吹 数学模型( s i n g l e b l o wt e s tm e t h o d s ) ，而后大量研究蜂窝载体中对流换热时均采 用了该数学模型【2 4 2 5 ，3 0 1 ，s m i t h t 3 1 1 对单吹数学模型进行了详细的描述。 1 2 3 催化剂载体内部的传递特性研究进展及现状 多孔介质中的对流问题作为多孔介质流体动力学的一个基础研究课题，有重 要的理论意义。同时，在许多不同的实际问题和领域中有着广泛的应用，这些因 素极大地促进了该项研究的发展。关于多孔介质中对流的研究早在2 0 世纪4 0 年代已经开始。最早的工作是h o r t o n 、r o g e r s 和l a p w o o d 的研究【l s 】。他们讨 论了稳定性问题并给出了相应的判据。从那以后人们对多孔介质中发生的自然对 流、强迫对流和混合对流展开了研究。 从国内外文献的报道来看，多孔介质中自然对流的研究多集中在矩形、平 板表面和圆柱有限空间内。s u t t o n 3 2 】研究了底部加热的、流体饱和的二维矩形截 面腔体多孔介质中的对流。b e c k 【3 3 】研究了三维有限体积的多孔介质中的对流， 他采用线性稳定性分析找到了对流开始的临界r a y l e i g h 数。c h r i s t o p h e r 和王补宣 3 4 】采用达西流模型对绕圆柱周围发生的自然对流进行了数值模拟，并用有限差分 法得到了绕圆柱周围的流场和温度场分布，平均n u 数的预示结果( 不考虑达 西效应) 与实验结果基本一致，结果表明1 3 5 】：局部n u 数在圆柱底部达到最大， 平均n u 数随着修正瑞利数的增加而增加。 。 “ 对于后两方面人们也进行了充分的研究。l y u b o v s k y l 3 6 】和c a r t e r t y 7 】及 p f e f f c r l e 3 s 】等人研究了微型( 载体长度j 盛道直径 = 1 0 ) 催化剂载体对气体的质量 传递系数的影响，发现催化剂载体的长度越小，气体的流动性越好，边界层越薄， 热传递系数越大，热特性就越好。n a k a m u r a 和i g a r a s h i 圳研究了圆形通道内， n u 随流动主体的不同r e 数( 7 0 3 0 0 0 0 ) 的变化，研究发现了n u 在不同r e 下的 规律，并给出了不同r p 数下的m 变化关系式。n i e l d 和b e j a n t 4 0 j 研究了多孔介 质中加热的水平平板表面的强迫对流，得到了n u 数的准则关系式。f u 【2 4 】等人 用实验的方法研究了空气通过孔隙尺度较大的蜂窝陶瓷内部时的体积平均对流 换热系数，并得出不同蜂窝陶瓷体中换热实验关联式。李茂德、程惠尔f 4 l 】针对小 球、圆孔、方格孔、三角孔和正六边形孔等不同几何结构下的蜂窝体对非稳态交 替加热和冷却的传热过程的影响进行了理论分析，得出正方形蜂窝体具有最佳的 比表面积和开孔率的结论，建立了蜂窝体和气体的温度变化微分方程及其离散方 程并进行了数值计算，得出了温度变化和传热变化的特性曲线，与实验测试结果 变化规律基本一致。张志军等【4 2 】建立了考虑粘性耗散作用的平行平板间多孔介质 暑詈暑詈葛暑葛詈詈詈皇詈詈暑詈詈皇詈詈詈詈暑鳖垄基二些量s 耋量：茎垄至i ；董垒室童垒主圣鼍鲁皇! 詈暑皇摹_ _ 鼍昌置| 皇詈一 强迫对流的传热模型，并进行了数值计算。姜培学等【4 3 】对竖直套管内饱和多孔介 质中的流动和换热进行研究，分析流动惯性对流动和换热的影响、阻力系数的确 定，以及热弥散、变孔隙率、颗粒直径、变物性、浮升力等对多孔介质中的对流 换热和流动阻力的影响规律。在许多实际场合多孔介质内常常同时存在着自然对 流和强迫对流。最早研究多孔介质混合对流的是c o n l b 锄。瑚【4 4 1 ，他用实验和数 值计算的方法分析了平均流速对等温水平平行板间自然对流的影响。 1 3 存在的问题及本课题的主要研究内容 1 3 1 多孔蜂窝载体内部传递规律研究中存在的问题 综上所述，目前人们已经就催化剂载体内部的传递特性进行了大量的理论与 数值研究，实验研究相对较少，缺乏实验数据，而这些数据在燃烧及尾气排放等 领域有着非常重要的实际意义。因此，有必要对载体内部的热传递特性及流体流 动特性进行实验研究，加深对多孔载体内部对流换热特性及压力降特性的认识， 并为相关领域提供可靠的实验数据。 1 3 2 本课题的主要研究内容 本课题的研究主要分为一下几部分： 第一，蜂窝载体内对流传热规律的实验研究。研究空气以不同流速流过蜂窝 载体时的热传递规律，利用所实验得到的数据，拟合出努谢尔数的关联式。具体 内容包括：l _ ) 在载体的孔隙率及孔密度相同的条件下，研究载体长度对热传递 规律的影响；2 ) 同一长度的载体，在孔密度相同时，研究传热效果随孔隙率的 变化情况；3 ) 载体的长度及孔隙率不变，仅改变孔密度，分析热传递随空气入 口速度的变化情况；4 ) 研究载体材质对热传递特性的影响。 第二，蜂窝载体内流体压力损失特性规律的实验研究。研究空气以不同流速 流过蜂窝载体时的压力降特性，分析影响空气流催化剂载体时压力降的影响因 素，并回归分析得到摩擦阻力系数跟r e 数与载体几何特性参数之间的实验关联 式。具体内容包括：分别讨论载体的长度、孔隙率、孔密度等几何参数以及r e 数对载体内部压力降特性的影响。 1 3 3 本课题的研究目的 ， 本课题研究的着眼点，也就是本课题的研究目的是用实验的方法测取催化剂 载体进出口的温度场及气体的一些重要参数，如速度等，研究载体内部的传热传 质特性，并结合对载体通道内气体流动特性，以及气固界面的热传递方程的理论 第1 章绪论 研究，来实现强化催化剂载体中的传热传质。此举对实际工程应用有着重要的意 义。例如，对于催化燃烧，选择合适的催化剂载体，强化传热，使催化剂温度分 布均匀，避免催化剂的烧结，延长催化剂的使用寿命，同时有利于达到理想的燃 烧效果，即在燃烧过程中燃料达到完全氧化，燃烧产物中有害物质( c o 、n o x ) 的排放很低甚至达到零排放。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 第2 章载体的孔型结构表征 2 1 引言 规整蜂窝载体，是两端开放的结构，内部的孔道的两端是直通的，孔道平行 排列，且具有相同的几何孔形状。规整载体的孔道截面现已有各种不同的形状。 对于一块规整载体的设计和规格上的描述一般用孔道形状、孔密度和孔隙率、当 量直径和壁厚等参数来表示。 由于规整载体中孔道间的相同性和均匀性，因此，进行规整载体结构表征时， 最基本孔型结构尺寸参数是单元孔的孔间距p 和孔道壁厚a 。根据这两个基本结构 参数可以描述规整载体的构造、几何特性、性能和流体力学参数，如孔密度( 刀) 、 比表面积( 4 ) 、孔隙率( ) 和当量直径( 协) 等。 目前，已经商品化的规整载体的孔道横截面有不同的几何形状圆形、正 方形、三角形、长方形、梯形、六边形、正弦波形等。而最常见的孔道形状是正 方形、圆形和等边三角形。 2 2 规整载体孔型结构的表征 规整载体的表征可以基于单元孔的孔间距e 和壁厚a 。商业上大量使用的是正 方形和三角形孔道。 2 2 i 正方形孔道 j 乙l 图2 1 正方形孔道结构示意图 f i g 2 - ls q u a r ec h a n n e l so f m o n o l i t h s 正方形孔道基本参数如图2 1 所示，正方形孔由孔间距8 、壁厚口和圆角半御 定义( 通常不是特别给定的，往往随膜具而异) 。 8 厂l 厂 第2 章载体的孔型结构表征 1 ) 载体的孔密度 载体的孔密度是指单位横截面上孔的数量，其单位为1 府或1 m 2 。可表示为： 1 以2 彳 p ( 2 1 ) 2 ) 载体的比表面积 载体的比表面积是指载体的单位体积内与流体发生直接接触的有效面积，其 单位为m 2 m 3 。取一个单元孔来计算载体的比表面积，如图2 1 。假设单元孔的长 度为三。比表面积可表示为： a ：堑垫亘墼( 2 2 ) 其中，单元孔的体积为： 圪=e2三(2-3) 该单元孔与流体直接接触的有效面积为： 彳有效蕊积= 【4 ( p 一口一2 r ) + 2 万r l ( 2 4 ) 将式( 2 3 ) 和式( 2 - 4 ) 代入式( 2 2 ) 中，化简可得， 彳= 4 ( e - a 7 - 2 r 广) + 2 z r l = 二三e 眙- 口) _ ( 4 一万) 拿】 ( 2 _ 5 ) p 2 2 、 2 。 将式( 2 1 ) 代入式( 2 5 ) 得载体的比表明面积表达式， 。： 彳：4 【( p 一口) 一( 4 一万) 冬】 ( 2 6 ) 3 ) 载体的孔隙率 _ ： 载体的孔隙率是指载体前端开口程度，在数值上等于载体横截面上孔隙面积 之和与载体横截面积的比值。孔隙率表示孔隙所占份额的相对大小，有体积孔隙、 面孔隙率和线孔隙率之分。对于规整载体( 平行直通道而孔径相同的载体) 而言， 体积孔隙率和面积孔隙率相等，所以可以通称为孔隙率，常用s 来表示。 对一个单元孔而言，可求得其横截面孔隙面积为， 如面= 0 一口) 2 - ( 4 r 2 - n r 2 ) = 0 一口) 2 - ( 4 - z ) r 2 ( 2 7 ) 因此，载体的孔隙率可表示为， 占：兰黾粤：( 1 一曼) ：一( 4 一万) ( 墨) 2 ( 2 8 ) e ep 4 ) 载体的当量直径 载体水力半径是孔道的流动截面积与润湿周长( 孔道壁与流体接触面的长 度) 的比值，而载体的当量直径为四倍的水力半径。因此，载体的当量直径可表 示为： ， ? n ：4 生n 一 ( 2 9 ) ”4 ( e 一口一2 9 ) + 2 z r 暑墨暑皇詈暑詈皇喜喜皇詈詈鲁暑暑詈詈詈詈詈皇詈堡童茎i i 些氅垒耋茎：耋耋壅垦土：茎耋圭垒耋呈富詈詈鼍詈暑詈詈詈詈詈詈鲁詈詈置詈一 将式( 2 - 7 ) 代入式( 2 - 9 ) ，可得 n ：4 ( e - a ) 2 - ( 4 - n ) r 2 一 ( 2 1 0 ) “4 ( e - a 一2 r ) + 2 z c r 将式( 2 - 1 0 ) 的分子分母同除以孑得，载体的孔隙率 d = 4 三( 2 - 1 1 ) 2 2 2 等边三角形孑l 道 ： 等边三角形孔道基本参数如图2 - 2 所示，等边三角形孔由孔间距e 、壁厚瘌 圆角半径厅( 因模具而异，通常是不特别给定的) o 图2 - 2 等边三角形孔道结构示意图 、 f i g 2 - 2e q u i l a t e r a lt r i a n g l ec h a n n e l so f m o n o l i t h s 1 ) 载体的孔密度 ， 对于一个基本单元等边三角形孔道，如图2 2 所示。其单元孔的横截面积是 塑矿，因此，根据前面孔密度的定义，等边三角形孔型载体的孔密度可表示为 4 ， w 一 九：j i - ：_ 4 4 3 ( 2 1 2 ) 舻0 5 e 2s i n 6 0 02 r 屹。 2 ) 载体的比表面积 等边三角形孔道的边长为e ，假定孔道得长度为厶则该单元孔的体积可表示 为 二= 鲁也= 言 ( 2 1 3 ) 由图2 2 中的参数可以求得该基本单元孔横截面内壁面的周长为 3 e - 2 ；( 罢+ r ) 】+ 2 刀尺，因此，孔道的内表面积为： 白效面积= 3 【( p 一届) + ( 孚一2 垢) r 弘 ( 2 1 4 ) 因此，等边三角形孔道载体的比表面积为： ， 肚等_ 3 砥e 一届) + ( 等_ 2 咖】( 2 - 1 5 ) 3 ) 载体的孔隙率 由规整载体孔隙率的定义可知，其值为基本单元孔横截面上孔隙面积与单元 孔横截面积的比值。 基本单元孔横截面上孔隙面积为： 一 如面= 半( p 一以a ) 2 - ( 3 历刊r 2 ( 2 1 6 ) 于是，该孔型载体的孔隙率为： ， j、 。- ( e - d 7 3 a y 一- ( 3 , 4 3 - x ) r z 占：拿：上1 一 ( 2 1 7 ) 鱼矿鱼p ： 化简得， 7 s = ( 1 一万玑4 3 一万n x i r e ) 2 ( 2 - 1 8 ) 、，je 4 ) 等边三角形孔道载体的当量直径 由前面的推导可知，孔道的流动横截面积为a 蕾面，即式( 2 1 6 ) ，其润湿周长， 即孔道横截面内表面周长为 尸：3 【p 一2 - 3 ( a + r ) + 2 n r ( 2 1 9 ) 于是，载体的当量直径为： 二 。f a 尸粕i = 4 笔筹筹协2 化简式( 2 2 0 ) 可得， o h = 4 专 ( 2 - 2 1 ) 2 2 规整载体的几何特性比较 目前，我国常用的陶瓷蜂窝载体规格有1 0 0 c e l l i n 2 、2 0 0c e l l i n 2 、3 0 0a d l i n 2 和4 0 0c e l l i n 2 ，常用的金属蜂窝载体规格有4 0 0c e l l i n 2 、5 0 0c e l l i n 2 和6 0 0c e l l i n 2 。 下面以4 0 0c e l l i n 2 、3 0 0c e l l i n 2 的陶瓷蜂窝载体来比较正方形及三角形两种孔道 的几何特性，3 0 0c e l l i n 2 的载体壁厚o 3 01 l n l ，4 0 0c e l f i n 2 载体壁厚为0 1 5n u n 。 将参数代入正方形及三角形孔型结构数学表达式中，计算得出两种载体的几何特 性，其结果列入表2 1 ，简化计算过程，忽略圆角半径尺不计，即r = 0 。 表2 1 两种载体的几何特性比较 。 f o r m 2 - 1c o m p a r i s o no f m o n o l i t h sg e o m e t r yp a r a m e t e r s 孔密度 壁厚( m m ) 孔形 孔间距( 彻m )孔隙率( ) 比表面积 ( c e l l i n 2 ) ( m 2 m 3 ) 正方形 1 2 77 62 7 9 0 4 0 00 1 5 三角形 1 9 37 43 1 0 6 正方形