第27泰第3期 煤气与热力 Vol 27 No 3 2007年3月 GAS&HEAT M ar 2007 蜂窝蓄热体温度特性数学解析研究 陈红荣，孙英文，张灿，黄国栋，艾元方 (中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙410083) 摘要：基于蜂窝蓄热体气-固传热精确解，研究蓄热体温度变化和切换周期设计方法。忽 略沿气流流动方向的固体导热影响，建立了周期传热数学模型，求出了气、固温度分布精确解。通 过和数值计算比载.半解析解可信。按炉内低乳稳定燃烧和蓄热体低温端不结露原则.进行切换周 期优化设计。 关键词 蜂窝蓄热体；切换周期温度特性：数学解析 中图分类号：TU996文献标识码：A文章编号：1000-4416(2007)03-0039-04 Study on M athemnaticalAnalysis of Te perature Characteristics of Honeycomb Regenerator CHEN H ong rong SUN Y ingw en HUANG Guodong AIYuan-fang (School of Energy Science and Engineering Central Souh University,Chang ha 410083 China) Abstract The desig mehod of regenerator tmperature change and s itch ing period is studied on A mathematical period icalheat transfermodel is established as solid heat conduction abng the gas flw Under the condto of steady bw oxygen concentration combuston in fumace and no condensation ofmoisture on the bw-tem- Key words honeyom b regenerator s itchng pernd tem perature charaderistics mathe matical analysis 在空气含氧体积分数低于13%和空气温度预 度变化，合理确定切换周期是低氧弥散燃烧基础研 热到800℃条件下的燃烧-，称为低氧弥散燃烧 究的一个重要内容。 (D ispersion Combustion w ith Lo Oxvgen-concentra 对蓄热体传热讲行研究.可以用实验法、数值计 tn简称DCLO),具有高效节能、低NO,排放量 算法和数学解析法，国内普遍使用前两种研究方法。 和均匀热流场等特征。许多DCL0装置都应用高效 数学解析法是一种便捷、高效、经济的研究方法随 蓄热系统以回收烟气显热和预热空气。许多研 者计算机的发展和蓄热研究的逐步深入，解析法会 究都显示助燃空气温度是燃烧火焰特性和污染物排 成为一个重要方向。蓄热体传热数学解析的国内研 放特性的决定因素。因此，掌握蓄热系统的传热特 究仅限于球状蓄热体6，对蜂窝蓄热体温度特性变 性是燃烧取得最优性能的关肆。瓷热体传热性能主 化和切换周期优化解析研究尚未见报道。本文在锋 要包括热效率和温度波动两个方面。研究蓄热体温 窝蓄热体传热精确解的基础上，研究蓄热体温度变 1994-2015 China Academic Journal Electronic House.All rights reserved.http://www.enki.net
蜂窝蓄热体温度特性数学解析研究 陈红荣, 孙英文, 张 灿, 黄国栋, 艾元方 (中南大学 能源科学与工程学院, 湖南 长沙 410083) 摘 要: 基于蜂窝蓄热体气 - 固传热精确解, 研究蓄热体温度变化和切换周期设计方法。忽 略沿气流流动方向的固体导热影响, 建立了周期传热数学模型, 求出了气、固温度分布精确解。通 过和数值计算比较, 半解析解可信。按炉内低氧稳定燃烧和蓄热体低温端不结露原则, 进行切换周 期优化设计。 关键词: 蜂窝蓄热体; 切换周期; 温度特性; 数学解析 中图分类号: TU996 文献标识码: A 文章编号: 1000- 4416( 2007) 03- 0039- 04 Study on M athematical Analysis of Tem perature Characteristics of Honeycomb Regenerator CHEN H ongrong, SUN Y ingwen, ZHANG Can, HUANG G uodong, A I Yuanfang (S chool of Energy Science and Engineering, Central Sou th University, Chang sha 410083, China ) Abstract: The design me thod of regenerator temperature change and sw itch ing period is studied on the basis of the exact so lu tion of heat transfer betw een gas and solid phases in a honeycomb regenerator. A mathematica l period ica l heat transfer mode l is established as so lid heat conduction a long the gas flow direction being ignored, and the exact so lu tion to the temperature pro file of the gas and so lid is ach ieved. Compared w ith numerical simu lations, the sem ianalytica l so lutions are be lievable. Under the cond itions of steady low oxygen concentration combustion in furnace and no condensation ofmoisture on the lowtem perature end of the regenerator, the optimal design of sw itch ing period is carried ou.t K ey words: honeycomb regenerator; sw itch ing period; temperature characteristics; mathe matical analysis 在空气含氧体积分数低于 15% 和空气温度预 热到 800 条件下的燃烧 [ 1~ 3] , 称为低氧弥散燃烧 ( D ispersion Combustion w ith Low Oxygenconcentra tion, 简称 DCLO) [ 4] , 具有高效节能、低 NOx 排放量 和均匀热流场等特征。许多 DCLO装置都应用高效 蓄热系统以回收烟气显热和预热空气 [ 5]。许多研 究都显示助燃空气温度是燃烧火焰特性和污染物排 放特性的决定因素。因此, 掌握蓄热系统的传热特 性是燃烧取得最优性能的关键。蓄热体传热性能主 要包括热效率和温度波动两个方面。研究蓄热体温 度变化, 合理确定切换周期是低氧弥散燃烧基础研 究的一个重要内容。 对蓄热体传热进行研究, 可以用实验法、数值计 算法和数学解析法, 国内普遍使用前两种研究方法。 数学解析法是一种便捷、高效、经济的研究方法, 随 着计算机的发展和蓄热研究的逐步深入, 解析法会 成为一个重要方向。蓄热体传热数学解析的国内研 究仅限于球状蓄热体 [ 6 ] , 对蜂窝蓄热体温度特性变 化和切换周期优化解析研究尚未见报道。本文在蜂 窝蓄热体传热精确解的基础上, 研究蓄热体温度变 39 第 27卷 第 3期 2007年 3月 煤 气 与 热 力 GAS & HEAT Vo .l 27 No. 3 M ar. 2007
第27卷第3期 煤气与热力 www.waegasheat om 化和进行蓄热体切换周期优化工作。 烟气质量流量，kg/ 1传热数学模型 ,一烟气比定压热容，kJ/(kgK) 假设蓄热室内气流分布均匀，稳定流动。垂直 -沿气体流动方向微元体坐标，m 于气流流动方向蓄热体导热热阻远小于平行于气流 8,(0t) 流进蓄热体的烟气温度（关于 流动方向气-固对流换热热阻，且平行于气流流动 换热时间的函数)，℃ 方向上蓄热体导热忽略不计。气体为理想气体，热 00 一流进蓄热体的烟气温度（固定 物性参数不变。气体导热和通道内辐射换热忽略不 值)，℃ 计。气-固复合传热系数和进口处气流温度不变。 0.(0)—烟气入口处蓄热体温度（关于 以烟气加热蓄热体为例，建立以烟气进口处为原点】 换热时间的函数)，℃ 轴方向平行于长度方向的坐标系。设蓄热体间壁 -通道长度（個定值），m 厚度为6取一个通道里的气体及该通道四周由四 0.(0 烟气出口处蓄热体温度（关于换 个对称面包围的厚056方环形蓄热体为研究对象 热时间t的函数).℃ (见图1) 0.(x0) 一蓄热体温度（关于位置坐标 通道内壁面对称面 的函数).C 绝热面 f(x) 初始时刻蓄热体温度分布函数（关 于位置坐标x的函数) 空气预热时气体流向相反，坐标原点为空气出 口.边界条件为： 热白 绝热面 0.(4)=0. (6) 透道内壁面 对称血 式中0，(1)一流进蓄热体的空气温度（关于换 热时间t的函数，℃ 图1蓄热体传热分析 一流进蓄热体的空气温度（固定值），℃ 引入以下量 取距离原点x处的微元段分析.气体和蓉 无量纲时间下-(a山t)1(4.P6.) 热体之间换热满足下列关系： 无量纲长度X=x A.pc.a0./at=al(0.-8.) (1) ,1a=-a(0,- (2 无量纲烟气温度A,=(8-日1(8。-0， a(0t)=a。 (3) 无量绑答热体温度人= a0.(0)1x=a0.(1)1ax=0 (4) 无量纲常数，=(aL)(4) 0.(x.0)=f(x) 5 平=(aL)1(%4) 式中 A,- 垂直于气体流动方向上方环形蓄热体 求解式(1)~(5)，得到精确解八，为 区域面积.m R一蓄热体密度.kgm A.=I+e h)+ -蓄热体比定压热容，kJ(kgK) 蓄热体温度，℃ h)d(2f eD de de (7) 一换热时间，。 h(X)=fX)-1 -通道内壁面上包括对流和辐射的表面 式中h(X)一中间函数 传热系数，W(m2·K) 求取精确解时的拉普拉斯反变换积分 L -垂直于气体流动方向上气体通道内周 自变量 长（固定值），m 零阶变形贝塞尔函数 烟气温度，℃ 精确解较复杂，不便直接应用。在将空间和时 1994-2015 China Academic Joural Electronie Puhing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
化和进行蓄热体切换周期优化工作。 1 传热数学模型 假设蓄热室内气流分布均匀, 稳定流动。垂直 于气流流动方向蓄热体导热热阻远小于平行于气流 流动方向气 - 固对流换热热阻, 且平行于气流流动 方向上蓄热体导热忽略不计。气体为理想气体, 热 物性参数不变。气体导热和通道内辐射换热忽略不 计。气 - 固复合传热系数和进口处气流温度不变。 以烟气加热蓄热体为例, 建立以烟气进口处为原点, x 轴方向平行于长度方向的坐标系。设蓄热体间壁 厚度为 , 取一个通道里的气体及该通道四周由四 个对称面包围的厚 0. 5方环形蓄热体为研究对象 (见图 1)。 图 1 蓄热体传热分析 F ig. 1 H ea t transfer ana lysis of regene ra to r 取距离原点 x 处的 dx 微元段分析, 气体和蓄 热体之间换热满足下列关系: A sscp, s !s / t= ∀L ( !y- !s ) ( 1) qm, y cp, y !y / x = - ∀L ( !y - !s ) ( 2) !y ( 0, t) = !y, 0 ( 3) !s ( 0, t) / x = !s ( l, t) / x= 0 ( 4) !s (x, 0) = f ( x ) ( 5) 式中 A s!! ! 垂直于气体流动方向上方环形蓄热体 区域面积, m 2 s !!! 蓄热体密度, kg /m 3 cp, s !! ! 蓄热体比定压热容, kJ/( kg K ) !s!! ! 蓄热体温度, t!!! 换热时间, s ∀!!! 通道内壁面上包括对流和辐射的表面 传热系数, kW /( m 2 K ) L !! ! 垂直于气体流动方向上气体通道内周 长 (固定值 ), m !y ! !! 烟气温度, qm, y !! ! 烟气质量流量, kg /s cp, y !!! 烟气比定压热容, kJ/( kg K) x !! ! 沿气体流动方向微元体坐标, m !y ( 0, t) ! !! 流进蓄热体的烟气温度 (关于 换热时间 t的函数 ), !y, 0 !!! 流进 蓄 热 体 的 烟 气 温 度 ( 固 定 值 ), !s ( 0, t) ! !! 烟气入口处蓄热体温度 (关于 换热时间 t的函数 ), l! !! 通道长度 (固定值 ), m !s ( l, t) !!! 烟气出口处蓄热体温度 (关于换 热时间 t的函数 ), !s ( x, 0) !! ! 蓄热体温度 (关于位置坐标 x 的函数 ), f ( x ) !!! 初始时刻蓄热体温度分布函数 (关 于位置坐标 x的函数 ) 空气预热时气体流向相反, 坐标原点为空气出 口, 边界条件为: !a ( l, t) = !a, l ( 6) 式中 !a ( l, t) !!! 流进蓄热体的空气温度 (关于换 热时间 t的函数 ), !a, l!!! 流进蓄热体的空气温度 (固定值 ), 引入以下量: 无量纲时间 # = ( ∀L t) /(A ss cp, s ) 无量纲长度 X = x /l 无量纲烟气温度 ∃y= ( !y - !a, l ) /( !y, 0 - !a, l ) 无量纲蓄热体温度 ∃s = !s - !a, l !y, 0 - !a, l 无量纲常数 % y = ( ∀L l) /( qm, y cp, y ) % a= ( ∀L l) /( qm, a cp, a ) 求解式 ( 1) ~ ( 5), 得到精确解 ∃s为: ∃s = 1+ e - # h (X ) + % ∀ x 0 h (X - w ) e - % w dI0 ( 2 %w &) dw dw ( 7) h(X ) = f (X ) - 1 式中 h(X ) !!! 中间函数 w !!! 求取精确解时的拉普拉斯反变换积分 自变量 I0 !!! 零阶变形贝塞尔函数 精确解较复杂, 不便直接应用。在将空间和时 40 第 27卷 第 3期 煤 气 与 热 力 www. w ate rgasheat. com
www wategasheat oom 红荣，等：蜂窝蓄热体温度特性数学解析研究 第27卷第3期 间域离散后，可获得单程半解析数值解。烟气冷却 言，图3的出口处蓄热体温度（实线）不会超过图？ 和空气加热过程求解交替进行，一个周期结束时的 的烟气温度（实线），物理意义上这种规律是正确 固体温度分布设为下一个周期计算的初始条件，直 的。沿蓄热体长度方向，切换开始时固体蓄热及放 到达到周期稳态传热。周期稳态传热的判断依据为 热能力较强相应的气、固温度随时间的变化速率也 蓄热周期内烟气放热和热周期内空气吸热相等 较大，符合豪森蓄热理论。 2传热精确解有效性验证 3切换周期优化设计 将半解析和有限差分数值计算对照（见图2 蓄热体性能应能满足炉内低氧弥散燃烧稳定和 3)”,以检验解析准确性 蓄热体内烟气不结露的要求。由于在低氧弥散燃烧 装置中，氧的浓度比普通燃烧装置低，为了实现稳定 数值计算可 燃烧，相应燃烧反应点的温度必须不低于一个临界 温度，否则可能发生熄火。设燃料为丙烷全部烟气 6 208 20 都用于预热助燃空气，并在炉外循环利用燃烧烟 稀释助燃空气含氧浓度以实现低氧弥散燃烧。 6s 3】稳定燃烧 入炉空气含氧体积分数战低稳定燃所需田 0 50100150200250300350400 燃空气预热温度越高。燃气自燃点与燃气、氧化剂 图2烟气温度分析 和稀释剂的体积分数、燃料和稀释剂属性、压力、物 Fg 2 Anaysis of fhe gas temperatue 料在反应区内的停留时间等因素有关。考虑到目前 还没有较精确的理论和用烟气稀释的试验数据.文 .30 30 数学解制 献[2】将稳定燃烧时空气含氧体积分数(02)和空 2030 ,数值计算 气预执温度.的对应关系回归成如下规律 当9(02)≥6%时： 6 -6s 0,0=878+3666P(02)-28570p(021 (8) 400 当(0)<6%时： 图3蓄热体温度分布 0.0=1000 9 Fig 3 Te perature profie of regenemto 式中P(02)一空气含氧体积分数 相同参数有切换周期T=30s蓄热材质为 0.0 一流出蓄热体的空气温度，即空气预热 A0,蓄热室截面尺寸为300mm×300mm,=400 温度.C mmL三84mm6=1m.气流讲蓄热体的质 式(8)、(9)可表达为0.=f[9(0】 流量为05kg/s空气流进蓄热体的质量流量为 32排烟不结露 043kg/500=1185℃和01=24℃。为保证有 为避免蓄热室和换向阀结露引起烟气管道、引 限差分计算稳定粤，时间步长△=2，空间步长△x 风机和四通阀腐蚀等问题，流出蓄热体的烟气温度 =50mm。解析时，=127774平.=99772 不能低于烟气露点0。由于燃料为高纯度丙烷 =05s△x=5mma (没有流).，的主要影响因素为烟气中水蒸气的体 由图23可知，气、固温度半解析（实线）和数 积分数(H,0),可近似地认为水蒸气体积分数所 值计算（虚线）是一致的，误差小。在烟气冷却过程 对应的水蒸气分压力决定湿烟气饱和温度。为保证 中，烟气流过蓄热体烟气被冷却。越靠近出口区 排烟不结露，离开蓄热体烟气温度必须满足： 域，气、固温度越低。随着蓄热增加，出口处烟气和 0.1≥01+50 (10 蓄热体温度随时间延长而升高。就半解析规律而 式中 01 一流出蓄热体的烟气温度，℃ 1994-2015 China Academic Journal Electronic Puhing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
间域离散后, 可获得单程半解析数值解。烟气冷却 和空气加热过程求解交替进行, 一个周期结束时的 固体温度分布设为下一个周期计算的初始条件, 直 到达到周期稳态传热。周期稳态传热的判断依据为 蓄热周期内烟气放热和放热周期内空气吸热相等。 2 传热精确解有效性验证 将半解析和有限差分数值计算对照 (见图 2、 3) [ 7] , 以检验解析准确性。 图 2 烟气温度分析 F ig. 2 Ana ly sis of flue g as temperature 图 3 蓄热体温度分布 Fig. 3 Tem perature profile o f regenera tor 相同参数有切换周期 T = 30 s, 蓄热材质为 A l2O3, 蓄热室截面尺寸为 300 mm # 300 mm, l= 400 mm, L = 8. 4 mm, = 1 mm, 烟气流进蓄热体的质量 流量为 0. 5 kg / s, 空气流进蓄热体的质量流量为 0. 43 kg / s, !y, 0 = 1 185 和 !a, l = 24 。为保证有 限差分计算稳定 [ 8] , 时间步长 ∋t= 2 s, 空间步长 ∋x = 50 mm。解析时, % y = 12. 777 4, % a = 9. 977 2, ∋t = 0. 5 s, ∋x = 5 mm。 由图 2、3 可知, 气、固温度半解析 (实线 )和数 值计算 (虚线 )是一致的, 误差小。在烟气冷却过程 中, 烟气流过蓄热体, 烟气被冷却。越靠近出口区 域, 气、固温度越低。随着蓄热增加, 出口处烟气和 蓄热体温度随时间延长而升高。就半解析规律而 言, 图 3的出口处蓄热体温度 (实线 )不会超过图 2 的烟气温度 (实线 ), 物理意义上这种规律是正确 的。沿蓄热体长度方向, 切换开始时固体蓄热及放 热能力较强, 相应的气、固温度随时间的变化速率也 较大, 符合豪森蓄热理论。 3 切换周期优化设计 蓄热体性能应能满足炉内低氧弥散燃烧稳定和 蓄热体内烟气不结露的要求。由于在低氧弥散燃烧 装置中, 氧的浓度比普通燃烧装置低, 为了实现稳定 燃烧, 相应燃烧反应点的温度必须不低于一个临界 温度, 否则可能发生熄火。设燃料为丙烷, 全部烟气 都用于预热助燃空气, 并在炉外循环利用燃烧烟气 稀释助燃空气含氧浓度以实现低氧弥散燃烧。 3. 1 稳定燃烧 入炉空气含氧体积分数越低, 稳定燃烧所需助 燃空气预热温度越高。燃气自燃点与燃气、氧化剂 和稀释剂的体积分数、燃料和稀释剂属性、压力、燃 料在反应区内的停留时间等因素有关。考虑到目前 还没有较精确的理论和用烟气稀释的试验数据, 文 献 [ 2]将稳定燃烧时空气含氧体积分数 (( O2 )和空 气预热温度 !a, 0的对应关系回归成如下规律: 当 (( O2 ) ∃6% 时: !a, 0 = 878+ 3 666(( O2 ) - 28 570 (( O2 ) 2 ( 8) 当 (( O2 ) < 6% 时: !a, 0 = 1 000 ( 9) 式中 (( O2 ) !! ! 空气含氧体积分数 !a, 0 !!! 流出蓄热体的空气温度, 即空气预热 温度, 式 ( 8)、( 9)可表达为 !a, 0 = f (( O2 ) 3. 2 排烟不结露 为避免蓄热室和换向阀结露引起烟气管道、引 风机和四通阀腐蚀等问题, 流出蓄热体的烟气温度 !y, 1不能低于烟气露点 !l。由于燃料为高纯度丙烷 (没有硫 ), !l的主要影响因素为烟气中水蒸气的体 积分数 ((H2O ), 可近似地认为水蒸气体积分数所 对应的水蒸气分压力决定湿烟气饱和温度。为保证 排烟不结露, 离开蓄热体烟气温度必须满足: !y, 1 ∃!l+ 50 ( 10) 式中 !y, 1 !!! 流出蓄热体的烟气温度, 41 www. watergasheat. com 陈红荣, 等: 蜂窝蓄热体温度特性数学解析研究 第 27卷 第 3期
第27卷第3期 煤气与热力 www.wate gasheat om 一烟气露点.℃ 浓度临界值。切换周期相同时含氧浓度越低弥散 经验值 燃烧要求的烟气温度越高。烟气温度降低能引起含 33切换周期设计 氧浓度临界值明显降低 稳定燃烧和排烟不结露条件可改写为： 4结语 0。-fp(02≥0 11 采用半解析数值方法进行蜂窝陶瓷蓄热体传热 (12) 特性分析，无须考虑有限差分法中的迭代计算收敛 定义函数2取两式左边最小值，即 性问题。本文证实了按“炉内组织稳定低氧燃烧 z=mao-f[90].81-6-50>0 和“不发生蓄热体低温腐蚀”两原则进行蜂窝蓄热 体切换周期半解析优化的可行性。基于精确解的蜂 13) 窝蓄热体传热半解析数值方法，可作为指导其传热 显然函数Z是空气含氧浓度及切换周期T的 研究、结构设计及操控参数优化的又一个有效、快 二元函数。固定含氧浓度时，Z是切换周期的减函 速、准确的新方法。 数，且当切换周期充分大时，Z①因此，根据连续 参考文献 函数零点定理，必存在最大切换周期T.使Z=Q 变化含氧浓度，可求出最大切换周期和Z=0相对 应，即求出隐函数工P(0)刀=0曲线。 ductnnM1 Nov York the CRC PaslLC 2003 设丙烷体积流量为2mh=25℃。设空 [2】艾元方，蒋绍坚，周子民。高温空气燃烧特性的研究 气过剩系数为115烟气含水蒸气体积分数 [小煤气与热力，200121(3班208-210 P(H,0)=13.6%,01=52℃，蓄热室截面尺寸 「3】艾元方，蒋绍坚.周子民.高风温无焰燃烧装置的开发 为300mm×300mml=185mmL=112mmδ=1 与应用[月.煤气与热力.200121(2)：130-132、135 mm△t=T/100△x=23125mm。05s<T< [4】艾元方，蒋绍坚，彭好义，等低氧弥散燃烧高温低氧 500s23%<P(02)<150%。图4反映组织弥 空气生成研究[.锅炉制造，2002(4：10-12 散燃烧的日心(0)和T的约束关系。 [5引須膝淳，多田健。八=力么型)工木燃燒之ヌ罗4 脚發：用事例[月.工業加熟，199835(3)：26- [6)李朝样，陆钟武.蔡九菊.填充床内传热问题的数学统 计分析法[』.东北大学学报（自然科学版）.199819 51:484-487 050 [7刀]李茂德，程惠尔。高温空气燃烧系统中陶瓷蓄热体传 热特性分析研究「几.热科学与技术，20043(3)：255 345678 10234567 -260 围4蜂窝蓄休奶换周期取值范国 [8梅炽.有色治金炉设计手册M1.北京：治金工业出 Fg 4 Vahe range of w itch ing perid ofhoneyemm b 版社，2001 regmerato 最大切换周期决定于流入蓄热体的烟气温度 作者简介：陈红荣(1961 。男.湖南沅陵人 和含氧浓度。随着烟气温度升高和含氧浓度升高 副教授。博士 从事强化传热、热工过程 最大切换周期增大。随着含氧浓度降低，空气和烟 和设备仿真与优化研究。 气流量加大，最大切换周期缩短。 电话：(0731)8830897 切换周期和流入蓄热体的烟气温度固定时，组 E-mail hrdhe@mail ca edu o 织弥散燃烧的含氧浓度不能无限制降低，存在含氧 收稿日期：2005-12-26修回日期：2006-07-21 1994-2015 China Academic Journal Electronic Puhing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
!l!!! 烟气露点, 50!! ! 经验值 3. 3 切换周期设计 稳定燃烧和排烟不结露条件可改写为: !a, 0 - f ((O2 ) ∃0 ( 11) !y, 1 - !l- 50∃ 0 ( 12) 定义函数 Z 取两式左边最小值, 即 Z = m in !a, 0 - f ((O2 ) , !y, 1 - !l- 50 > 0 ( 13) 显然, 函数 Z是空气含氧浓度及切换周期 T 的 二元函数。固定含氧浓度时, Z 是切换周期的减函 数, 且当切换周期充分大时, Z 0。因此, 根据连续 函数零点定理, 必存在最大切换周期 T max, 使 Z = 0。 变化含氧浓度, 可求出最大切换周期和 Z = 0相对 应, 即求出隐函数 Z (( O2 ), T = 0曲线。 设丙烷体积流量为 2 m 3 /h, !a, l= 25 。设空 气过剩 系数 为 1. 15, 烟气 含水 蒸气 体积 分数 ((H2O) = 13. 62%, !l= 52 [ 8] , 蓄热室截面尺寸 为 300 mm # 300 mm, l= 185 mm, L = 11. 2 mm, = 1 mm。 ∋t= T /100, ∋x = 2. 312 5 mm。 0. 5 s< T < 50. 0 s, 2. 5% < ((O2 ) < 15. 0% 。图 4反映组织弥 散燃烧的 !y, 0、((O2 )和 Tm ax的约束关系。 图 4 蜂窝蓄热体切换周期取值范围 F ig. 4 Va lue range of sw itch ing pe riod o f honeycom b regenerator 最大切换周期决定于流入蓄热体的烟气温度 和含氧浓度。随着烟气温度升高和含氧浓度升高, 最大切换周期增大。随着含氧浓度降低, 空气和烟 气流量加大, 最大切换周期缩短。 切换周期和流入蓄热体的烟气温度固定时, 组 织弥散燃烧的含氧浓度不能无限制降低, 存在含氧 浓度临界值。切换周期相同时, 含氧浓度越低, 弥散 燃烧要求的烟气温度越高。烟气温度降低能引起含 氧浓度临界值明显降低。 4 结语 采用半解析数值方法进行蜂窝陶瓷蓄热体传热 特性分析, 无须考虑有限差分法中的迭代计算收敛 性问题。本文证实了按 % 炉内组织稳定低氧燃烧 & 和% 不发生蓄热体低温腐蚀 &两原则进行蜂窝蓄热 体切换周期半解析优化的可行性。基于精确解的蜂 窝蓄热体传热半解析数值方法, 可作为指导其传热 研究、结构设计及操控参数优化的又一个有效、快 速、准确的新方法。 参考文献: [ 1] H iroshi T, GuptaA, H asegaw a T, et al. H igh temperature a ir com bustion from energy conserva tion to po llution Re duction[M ]. New York: the CRC Press LLC, 2003. [ 2] 艾元方, 蒋绍坚, 周孑民. 高温空气燃烧特性的研究 [ J]. 煤气与热力, 2001, 21( 3): 208- 210. [ 3] 艾元方, 蒋绍坚, 周孑民. 高风温无焰燃烧装置的开发 与应用 [ J]. 煤气与热力, 2001, 21( 2): 130- 132、135. [ 4] 艾元方, 蒋绍坚, 彭好义, 等. 低氧弥散燃烧高温低氧 空气生成研究 [ J]. 锅炉制造, 2002, ( 4): 10- 12. [ 5] 須滕淳, 多田健. !型 ∀ # ∃ % 燃燒& ∋( ! ) 開發∗ 用事例 [ J] . 工業加熱, 1998, 35( 3) : 26 - 35. [ 6] 李朝祥, 陆钟武, 蔡九菊. 填充床内传热问题的数学统 计分析法 [ J]. 东北大学学报 ( 自然科学版 ), 1998, 19 ( 5): 484- 487. [ 7] 李茂德, 程惠尔. 高温空气燃烧系统中陶瓷蓄热体传 热特性分析研究 [ J]. 热科学与技术, 2004, 3( 3) : 255 - 260. [ 8] 梅炽. 有色冶金炉设计手册 [M ]. 北京: 冶金工业出 版社, 2001. 作者简介: 陈红荣 ( 1961 - ), 男, 湖南沅陵人, 副教授, 博士, 从事强化传热、热工过程 和设备仿真与优化研究。 电话: ( 0731) 8830897 E- ma il: hrchen@ m ai.l csu. edu. cn 收稿日期: 2005- 12- 26; 修回日期: 2006- 07- 21 42 第 27卷 第 3期 煤 气 与 热 力 www. w ate rgasheat. com
