高炉煤冷却壁换热特性的数值模拟

高炉煤冷却壁换热特性的数值模拟

在高焦煤和冷却壁之间，有几种形式的热量交换，如对称和辐射。在稳态和瞬态温度场和热应力的计算机模拟研究中,高炉煤气与冷却壁之间换热系数hz对温度场模拟的精确度有很大的影响。hz受很多因素影响,如与炉气本身的物性有关,也与冷却壁表面的材质、性质、大小、表面状态等有关,使得其很难精确测定。由于目前对炉气与冷却壁间换热系数缺乏一个公认的测定标准,致使hz数据资料较少。对炉气与冷却壁间换热系数的研究有两位学者,一个是前苏联的学者,他在实验室中测得换热系数在1200℃时hz=320W/(m·℃);另一位是德国的学者,他通过计算得出的换热系数在1200℃时hz=230W/(m·℃),两者的数值差距较大,并且两者都没有区别考虑炉气与冷却壁本体间、炉气与镶砖或捣打料间的换热系数。笔者尝试采用基于边界条件替换法与三维稳态冷却壁数学模型结合的形式,对炉气与冷却壁壁体和捣打料之间的换热特性进行分析。1确定冷却壁捣打料热表面温度变化的点试验装置简图如图1所示,冷却壁测温孔布置如图2所示。图2中的4、6、5、7点是预备用来测量计算冷却壁本体热表面温度变化的;11、13、12、14点是预备用来测量计算冷却壁捣打料热表面温度变化的。4、11、12点离热面距离10mm,6、7、13、14点离热面距离15mm,测点5原来设计也是离热面为10mm,但因为钻孔问题只离热面25mm。由于冷却壁各测点响应炉气温度变化的时间不一致,因此,每一个温度点的测量必须恒温近1h,所测温度都是稳态温度场条件下的值。2试验结果分析把整个试验炉膛作为研究对象,则炉膛内气流可看成是管流。由试验炉热平衡计算得到烟气量vn为14.51m3/kg,炉膛截面积为1.722m2,因此炉膛内烟气的流速计算如下:Bvn=1.722vs(1)B为每小时的喷油量,取90kg/h,则烟气的流速vs:vs=90×14.511.722×3600=0.21m/s(2)vs=90×14.511.722×3600=0.21m/s(2)流体流动流态的准数:Re=vslγs(3)Re=vslγs(3)式中,γs为烟气的运动粘度,取本试验的最高温度1200℃下的值为221×10-6m2/s;l为特征长度,m。l=4Acpl=4Acp,截面积Ac=1.722m2,润湿周长p=5.568m。所以,Re=1.18×103,为层流。在层流状态下,粗造表面没有增强传热的作用,因而也不会提高换热系数。从辐射换热来看,由于是气体辐射,高温煤气与冷却壁间辐射换热的热流密度形式为:q=5.67[εg(Tg100)4−αg(Tw100)4]=hr(Tg−Tw)(4)q=5.67[εg(Τg100)4-αg(Τw100)4]=hr(Τg-Τw)(4)式中,hr为辐射换热系数,W/(m·℃);εg、αg分别为气体对冷却壁的平均发射率和气体的吸收比;Tg、Tw分别为气体的温度和冷却壁热表面的温度,K。在本试验中,由于εg数αg值差别不大,因此有下式:hr=5.67εg(T2gg2+T2ww2)(Tg+Tw)/1004(5)从试验(见表1)和传热模型计算可知,捣打料表面的温度td与冷却壁壁体表面的温度tb在低温时差别不大,但在高温时,td则大于tb。从式(5)可知,换热系数与壁面温度成正比,因而可得出结论,炉气与捣打料间的换热系数和炉气与冷却壁壁体间的换热系数是不一致的。本试验所用的冷却壁是目前通用的铸钢冷却壁,它的燕尾槽内是捣打的碳化硅粉料,表面比较粗造,而冷却壁壁体相对要光滑一点。因此,炉气与冷却壁本体间的换热系数hzb和炉气与捣打料间的换热系数hzd应该是不一样的,并且hzd>hzb。以下讨论这两种换热系数的计算方法。3计算热态系数的模型3.1捣打料热面温度由于以上8个点离热表面非常近,所以可以当成平板导热问题来考虑。应用热阻的概念,在稳态下,有如下表达式:t1b−t2bq=δ1bλb(6)t1b-t2bq=δ1bλb(6)t2b−t0bq=δ2bλb(7)t2b-t0bq=δ2bλb(7)2个方程合并得到冷却壁壁体热表面的温度:t0b=t2b+δ2bδ1b(t2b−t1b)(8)t0b=t2b+δ2bδ1b(t2b-t1b)(8)同理,可以得到捣打料热面的温度:t0d=t2d+δ2dδ1d(t2d−t1d)(9)t0d=t2d+δ2dδ1d(t2d-t1d)(9)式(7)～(9)中,t0b、t0d分别为冷却壁壁体和捣打料热表面的温度,℃;t1b、t1d分别为冷却壁和捣打料上离热面距离15mm的点温度,℃;t2b、t2d分别为冷却壁和捣打料上离热面距离10mm的点温度,℃;δ1b、δ2b分别为冷却壁上t1b与t2b和t2b与t0b间的距离,mm;δ1d、δ2d分别为捣打料上t1d与t2d和t2d与t0d间的距离,mm;λb为冷却壁壁体的导热系数,W/(m·℃)。将试验数据代入式(8)和(9),得到各炉气温度下的热表面温度,见表1。由于推算出的表面温度值稍有差异,因此,取两者的平均值作为表面温度值。3.2冷却壁物理性能冷却壁稳态温度场数值模型采用文献所述模型。在试验中发现所测热表面温度受气流影响较大,并且热面测点也较少,因此热表面温度取推算的温度值,其它边界条件与文献所述完全一致。冷却壁的物性参数如表2所示。通过ANSYS软件热分析计算,可以得到在各炉气温度下的冷却壁壁体和捣打料上的热流密度,见表3,再由牛顿冷却公式计算出换热系数,见表4。hzb=qbtg−t0b(10)hzb=qbtg-t0b(10)hzd=qdtg−t0d(11)hzd=qdtg-t0d(11)式中,qb、qd分别为冷却壁和捣打料热面的热流密度,W/m2;tg为炉气的温度,℃;hzb、hzd分别为炉气与冷却壁壁体和炉气与捣打料间的换热系数,W/(m2·℃)。3.3炉气温度对热过程的影响在一定的表面温度范围内,将试验和计算结合得到的hzb和hzd按炉气温度进行回归分析,如图3所示。从图3可以看出hzb和hzd都随炉气温度的升高而增加,说明换热系数与炉气温度之间具有正相关关系。在炉气温度较低时,hzb和hzd的值相差不大,随着炉气温度的升高,两者的差距有所增加,说明在高温时,表面粗造度的增加会增强换热效果。经过回归分析得到的数学表达式如下:hzb=22.170+0.129Ts+1.158×10-4T2ss2(12)hzd=-5.606+0.2073Ts+8.414×10-5T2ss2(13)在炉气温度为1200℃时,hzb=344W/(m2·℃),hzd=364W/(m2·℃)。4解决方案(1)基于边界条件替代法和冷却壁三维稳态温度场数学模型结合的方法建立了炉气与冷却壁本体和炉气与冷却壁捣打料之间的换热系数计算模型。(2)炉气温度为500～1248℃时,hzb=22.170+0.129Ts+1.158×1