工业炉炉壁面散热模型及热环境分析

工业炉炉壁面散热模型及热环境分析

行业渣的外壁通常占炉渣总热损失的40%左右。其次，它在炉渣热损失项目中排名第二，占相当大的数量。据不完全统计,2005年,全国县以上企业工业炉窑有10多万台,其能耗为全国总能耗的1/4,约占工业总能耗的60%,以我国2005年能源消费总量22.2亿t标准煤、散热损失以20%计,则我国全年通过炉壁散热向大气环境排放废热约1.11亿t标准煤,数量巨大,是造成城市热岛效应(urbanheatisland)的主要元凶之一,造成我国城市热岛效应非常突出:北京1961～2000年市郊日均气温差为3.3℃,上海热岛强度最高达7.4℃,并且伴随着工业化进程的继续,城市热岛效应强度及规模还在日益加剧。本文通过对工业炉壁面的散热建立数学模型,探索可行的壁面热量回收方法,以此减少工业炉炉壁对大气环境的热污染,实现节能减排。1工业设备壁热环境分布规律1.1炉壁热风蒸焦工业炉设备运行时燃料燃烧产生的热量一部分加热物件,称为有效热;其余部分则为无效热(或称废热),以各种形态、不同方式散发到周围的环境中去。炉壁散热将炉体周围的冷空气加热成热空气而形成烟囱效应,最后排放到大气中去,炉壁温度愈高,则散发到空气中的热量愈多,工业炉的热利用率愈低,对环境造成的热污染愈严重。炉体壁面散热特点:外表散热面积大、热量散发分散、散发的热量品位低,如受到外界干扰,则其流场会发生很大的影响。如图1所示为工业炉炉壁散热对周围环境造成热污染的示意图。1.2自然对流控制方程以工业炉壁面为研究对象,图2为工业炉物理模型及坐标系,由于工业炉属大型加热设备,描述其壁面外空气的运动,可以不考虑三维效应,而只采用二维稳定流动控制方程。设壁面温度tw,空气环境温度t∞,近壁面处流体受热而沿壁面作上升运动。采用Boussinesq假定的工业炉壁面二维稳定流动的控制方程组如下:连续性方程:∂u∂x+∂v∂y=0(1)动量方程:x方向:ρu∂u∂x+ρv∂u∂y=-∂p∂x+μ(∂2u∂x2+∂2u∂y2)-ρgy方向:ρu∂v∂x+ρv∂v∂y=-∂p∂y+μ(∂2v∂x2+∂2v∂y2)(2)能量方程:ρucp∂t∂x+ρvcp∂t∂y-u∂p∂x-v∂p∂y=∂∂x(λ∂t∂x)+∂∂y(λ∂t∂y)(3)根据流体在炉壁表面流动的物理特点,采用尺度分析法判断方程中各项的数量级别,忽略小数量级项,简化上述方程组。如图2所示,炉体高度为L,边界层厚度为δ,对于变量x,y和u规定以下的尺度:x类比于L,y类比于δ和u类比于u∞,并且δ<<L。由尺度分析法判断方程中各项的数量级别可知:动量方程中y方向的各项中均相应地减少了δ/L数量级,因此y方向动量方程可不预考虑。同时由于自然对流边界层外的流体是静止的,压力只是x方向的函数,则:∂p/∂y=0;∂p/∂x=dp/dx=dp∞/dx=-ρ∞g。由流体性质知:动量扩散率(运动粘度)为υ=μ/ρ;热扩散率为a=λ/ρcp,空气体膨胀系数β=1/T∞。则二维控制方程组简化为:∂u∂x+∂v∂y=0(4)u∂u∂x+v∂u∂y=υ∂2u∂y2-(t∞-t)βg(5)u∂t∂x+v∂t∂y=a∂2t∂y2(6)定壁温方程边界条件:{u=v=0t=tw(当y=0时)u→0t=t∞(当y=∞时)u=0t=t∞(当x=0时)将上述方程组无因次化。定义无因次参数为:X=x/LU=u/(gβΔtL)1/2Y=y/LV=v/(gβΔtL)1/2T=(t-t∞)/(tw-t∞)则无因次控制方程组为:∂U∂X+∂V∂Y=0(7)U∂U∂X+V∂U∂Y=1Gr1/2t∂2U∂Y2+Τ(8)U∂Τ∂X+V∂Τ∂Y=1Gr1/2tΡr∂2Τ∂Y2(9)式中:Grt为格拉肖夫(Grashof)数,Grt=gβΔtL3υ3,Δt=tw-t∞。无因次边界条件为:Y=0,0≤X≤1:T=1,U=V=0Y=0.4‚:Τin=0,V=0,∂Τ∂X|out=0,∂U∂X|out=0图3为数值边界条件示意图。根据经验,自然对流主要是在炉壁面形成,它相对于炉壁高度来说比较小。所以,当Y大于0.4时,认为速度、温度值已不再发生变化,故Y方向的计算宽度取为0.4。1.3压力场的离散化SIMPIE方法是求解压力关联的半隐式方法(semi-implicitmethodforpressure-linkedequation)的简称。算法的关键是利用连续性方程和动量方程来构成一个近似的压力校正方程来求解速度场。采用控制容积法对方程进行离散化,导入交错网格对计算区域进行划分,并可在不同的网格点上求解不同的变量,如图4所示,E、W、S、N为网格东西南北各方向。压力P在控制体(i,j)的中心,称主控制体;速度分量u、v分别在(i+1/2,j)和(i,j+1/2)为中心的控制体中,称动量控制体。取Pr=0.7,Grt=105值,计算时采用41×41的均匀网格,数值计算结果如图5和图6所示。从图5中可以看出,炉壁散热使近炉壁面的空气温度升高,越靠近壁面的空气温度越高,主要集中在炉壁外Y=0～0.1的地方,因此档板安装位置取Y=0.1处,可以实现大部分散热量的回收。2表壁热回收能力分析2.1炉壁散热量的测定工业炉壁温愈高,散失到空气中的热量愈多,对环境造成的热污染愈严重,同时工业炉的热利用率也愈低。目前大多数的工业炉表面温度较高,一般均在120～200℃,造成大量的能源浪费。以某钢铁公司轧钢加热炉为例,其设计能力为350t/h,有效尺寸为50000mm×12000mm×3100mm,炉膛最高段温度1250℃,维修后运行半年的炉壁外表面温度测试数据如表1所示。炉壁散热量计算公式Qi=4.18{4.88ε[(273+tw100)4-(273+t∞100)4]+A(tw-t∞)1.25}⋅Si(10)式中:ε为炉壁黑度,取ε=0.8;tw为炉壁温度;t∞为工业炉周围环境温度;A为散热方向系数(向上:A=2.8;侧向:A=2.2;向下:A=1.5);Si为炉体散热面对应部位面积。分别将表1温度值及相关散热面积值代入(10)式,得各部位表面散热量,见表2。表2数据累加得:表面总散热量1387.6kW,炉体表面平均热流1524.8W/m2,折合标准煤b=170.9kg/h,每年浪费能源1398.8t标煤/年(规定年检修时间为14d,以每年341d工作日计)。2.2炉壁热风回收利用热泵是以消耗一部分高质能(机械能、电能等)或高温位能为代价,通过热力循环,把热能由低温物体转移到高温物体的机械设备。高温热泵则利用各类工业和生活废热来制取70～90℃高温热水,可以直接用于供暖和普通工业加热。为了有效地将炉壁散热进行回收利用,在炉壁外侧吊挂保温档板,上部使用导流板导入平板式表面换热器进行热量回收,炉侧与档板间距需通过上述理论计算等因素综合确定。炉壁的散热在间隔通道内加热空气,并由导流板汇集至炉顶的平板式表面换热器,然后采用热泵技术回收该部分热量,如图7所示。当表面换热器阻力较大时,可使用低速风机提高抽力,确保间隔通道内气流通畅。2.3炉壁热风利用技术假定按如上加热炉为例,设壁温t=150℃。由图6得,当Y=0.1,也即档板间隔σ=0.31m时|U|=0.28m/s,则可取u¯σ=23|U|=0.2m/s,单位宽度炉壁通道流量qα=σ⋅1⋅u¯σ=0.31×1×0.2×3600=223.2m3/h,总加热空气量为2×50×qα=2.23×104m3/h。现设选用聚异氰酸酯泡沫塑料(低温保温材料)作为档板(λb=0.017～0.034W/(m·K))。利用复合层热流相等原则,通过数学叠代法,解得档板的散热热流为Qbs=60.1W/m2、档板内侧温度135℃,档板外侧温度35.5℃,图8为炉壁散热热流图。因Grσ=gβΔtσ3υ2=2.3×108,通道中对流换热(层流流态)准则关联式:Νu=0.073⋅(Grσ⋅Ρr)1/3(Lsσ)-1/9(11)式中:Ls为热空气平均流程,m;Ls=3.1+122=9.1m‚则Nu=27.3。又因:Νu=α⋅σλα(12)式中:λα为空气导热系数,λα=0.029W/(m·K),所以得α=2.55W/(m2·K)。根据热平衡原理,炉壁放给空气的热量QS等于通道空气得到的热量Qα。炉壁单位宽度放给空气的热量QS:QS=αF(t¯w-t¯e)(13)式中:F为炉壁和档板散热表面积之和,t¯w为炉壁和档板的表面平均温度,t¯e为空气入、出口平均温度,te=t+t∞2。炉壁单位宽度通道空气得到的热量Qα:Qα=Cp·qσ·(t-t∞)(14)由热量传输原理得:式(13)等于式(14)。则:αF(t¯w-t+t∞2)=Cp⋅qσ⋅(t-t∞)(15)解得:t=82.0℃,则Qα=4.04kW。全炉壁面放给空气的热量Q=2×50×Qα=404kW。如采用热泵技术进行热量回收,取热泵的制冷系数=3.5,则压缩机功率为162kW,小时制热量为:2.03×106kJ/h;每小时可生产85℃热水8.6t(取冷水温度29℃);扣除电力消耗,每年可节约标煤405t,同时还由于强化炉壁保温,减少了大量热量的排放。3知识产权法对于炉体保温系统的影响通过对炉壁散热建立数学模型,并进行数值计算,可确定档板距炉壁的较佳间距为Y=0.1左右。对某加热炉的炉壁散热进行热回收能力分析,