輻射管內襯管對U型輻射管表面溫度分布有何影響?

　　輻射管內襯管對U型輻射管表面溫度分布的影響

　　燃氣輻射管是一種以燃氣作為燃料,在密閉管內進行燃燒,并通過受熱管壁以輻射的形式將熱量傳遞給被加熱物體的加熱裝置,且燃燒產物不與被加熱物體接觸,燃燒氣氛不會污染或影響產品質量,爐內氣氛便于調節與控制,其多用于金屬熱處理、物料熔化等對產品質量要求較高的場合。在目前的技術條件下,其加熱效率約在50%"國內研究人員對于輻射管燃燒器的傳熱過程進行了數值和實驗研究,多集中在蓄熱式輻射管上,且多為二維數值分析,僅有少數的研究人員進行了三維數值研究。

　　這些研究者都對燃燒器進行了極大的簡化,以致與真實情況差別較大2-3,故本文選用接近真實情況的燒嘴型式,研究U型輻射管內的燃燒與傳熱情況。

　　燃氣輻射管表面溫度分布的均勻性是衡量輻射管性能的一個重要指標。它主要影響到輻射管的加熱質量和輻射管的壽命等。而影響輻射管表面溫度分布均勻性的主要因素是燃氣與空氣的混合情況。燃氣與空氣的混合強度越低,則混合時間加長、火焰拉長,燃氣不能完全燃燒,輻射管表面溫度分布均勻性降低,還會造成燃氣的浪費,降低輻射管的加熱效率;若空氣與燃氣的混合強度過大,則混合時間縮短、火焰過短,同樣會使輻射管表面溫度分布不均勻性增大,而在輻射管內加入內村管后,可以通過調節內襯管所在位置對火焰的組織情況進行適當的調節,并可在火焰與輻射管外壁之間形成一定間隔,降低輻射管外表面的溫度,同時能夠適當延長火焰的長度,對輻射管表面溫度分布均勻性有較大的幫助。

　　本文擬應用數值模擬技術,對U型輻射管內燃燒與傳熱過程進行研究,通過改變內村管的相對位置,研究其對輛射管溫度以及煙氣NO,濃度的影響,為U型輻射管、燃燒器的開發以及燃燒污染物的控制提供一定的參考.

　　數值模擬

　　物理模型及網格劃分

　　研究對象為1支燃燒能力為100 kw的U型輻射管,其結構如圖1所示。輻射管內徑為154 mm,壁厚為8mm,輻射管有效加熱長度為954 mm.該輻射管表面負荷為4.54 W/cm',容積負荷為1.69 W/em,數值計算的區域從空氣腔入口到輻射管有效加熱段出口為止,并在輻射管上設置12個均勻分布的監測點,取輻射管工作體為計算模型

　　數值模擬中網格的好壞直接影響到數值解的可信度。

　　網格數過少,會使得計算的準確性下降;網格數過多,則會增大計算成本。本文選取非結構化四面體網格進行計算,并對燒嘴、燃燒室等結構進行了局部加密,以保證具有較高的計算精度。

 
        基本假設及計算模型

　　基本假設:

　　(1)假定氣體在輻射管內流動為湍流流動;

　　(2)混合氣體中,各組分氣體的比熱容采用組分質量分數加權平均的混合比熱容;

　　(3)氣體輻射吸收系數不受湍流特性的影響;

　　(4)燃氣與空氣均不進行預熱。

　　(5)燃氣成分為100%的CH.

　　在本文中選用以下計算模型對輻射管內燃燒與傳熱進行研究:

　　(1)湍流模型:標準k-c湍流模型;

　　(2)燃燒模型:包含兩步反應的渦破碎模型;

　　(3)輻射模型:離散坐標輻射模型(DO);

　　(4)污染物NO,模型: NO,熱力型(Thermal)生成機理和快速型(Prompt)生成機理。1.3邊界條件及初始條件

　　(1)人口條件:甲烷、空氣均采用速度入口條件。

　　其人口速度分別為65.71 m's, 1.623 m/s,空氣過量系數為1.10,甲烷進口溫度為25℃,助燃空氣溫度為527℃.

　　(2)出口條件:壓力出口,表壓為零。

　　(3)壁面條件:壁面為無滑移壁面,材質為鋼材,在壁面附近的黏性層中的流動與換熱采用壁面函數法進行處理。外壁面與環境TO之間的換熱量由對流換熱與熱輻射換熱兩部分組成,考慮壁厚的導熱,壁厚為8mm,導熱系數為16.27 W/(m K),比熱容為502.48 W/(kg K).

　　內村管厚度為5mm,考慮內襯管的導熱,其導熱系數為 16,27 w/(m . K),比熱容為502.48 W/(kg K) 2模擬結果與分析

　　內村管相對位置對輻射管表面溫度分布均勻性的影響

　　圖2給出5種燃燒工況下輻射換熱管表面監測點溫度的分布情況,即無內襯管和內村管分別距燃燒室2.

　　20, 40, 60 mm.由圖2可以看出,當輻射管內沒有內襯管時,輻射管表面最高溫度出現在U型管彎管附近。這是由于煙氣在彎管處直接沖擊輻射管管壁,使得輻射管壁溫升高,煙氣能夠將更多的熱量傳遞給輻射管,使得管體表面溫度升高。且從圖2中還可以發現U型管前半段溫度較高,對輻射管的壽命影響較大。而對于加入內襯管后的4種工況而言,輻射管前半段由于內襯管的存在、輻射管表面溫度較未加入內襯管時低;同時由于內襯管的存在,使得火焰高溫段向后移動,能夠較好的改善輻射管有效加熱段的溫度分布均勻性。另外,還可以發現上述5種工況均在彎管處有一溫度的峰值。故彎管處輻射管所受熱應力最大,其壁面厚度應適當予以增加。

　　分析表1中的數據可以發現,在輻射管內加裝內村管能夠較好改善輻射管表面溫度分布均勻性,且效果隨內襯管距離燃燒室距離的增大而提高。當套管距燃燒室出口距離增大時,使得夾層處的空氣由于渦流被卷吸進人內襯管,促進了甲燒與空氣的混合,使得燃燒更為完全;同時又由于內襯管的存在使得火焰長度增加,輻射管出口溫度有所增加。

　　內襯管相對位置對污染物濃度的影響

　　近年來,隨著工業的快速發展,隨煙氣排放的NO,越來越多,我國多個城市出現霧霾天氣,國家對于NO,的排放也越來越重視。在整個燃料的燃燒過程中,氮的濃度基本上不會發生變化。影響N0,生成量的主要因素是溫度、氧氣濃度和滯留時間。因此,減少燃燒產物中 w(NO,)的主要方法是降低燃燒的溫度水平,降低混合物中氧氣的濃度以及減少燃燒產物在高溫區域內的停留時間等。圖3給出了有無內襯管以及不同內襯管位置時,輻射管出口煙氣中NO.的質量分數。

　　2mm;工況3內村管距燃燒室20mm,工況4內村管距燃燒室40 mm;工況5內襯管距燃燒室60 mm.由圖3中可以看出,輻射管內有無內襯管以及內村管的位置與NO,的含量之間并無明顯關系。

　　煙氣中的w(CO)與燃氣完全燃燒程度有關。由圖3可知,與未加入內襯管工況相比,加入內襯管后,由于內襯管的存在,使得與燃氣混合進行燃燒的助燃空氣減少,燃氣燃燒不完全,增大內村管與燃燒室出日間距離后,盡管可以使夾層處的空氣部分地由于卷吸作用進人內襯管促進燃燒,但效果并不明顯,因而對w(CO)的影響并不大。

　　結論

　　本文利用FLUENT軟件對U型輻射管進行了數值模擬,分析了不同內襯管位置時,其溫度場、輻射管表面溫度分布以及煙氣的w(NO)和w(CO)的分布規律。當加入內襯管后,輻射管表面溫度分布均勻性有所提高,對煙氣中w(NO,)無明顯影響;內襯管與燃燒室出口距離增大時,輻射管表面溫度分布不均勻性逐漸減小,煙氣中的w(NO,)變化無明顯規律。

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