蜂窩型蓄熱體格孔壁面應(yīng)力變化特性的數(shù)值研究

1、蜂窩型蓄熱體格孔壁面應(yīng)力變化特性的數(shù)值研究 歐儉平2 吳道洪2 肖澤強(qiáng)1 1 中南大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，長沙4100832 北京神霧熱能技術(shù)有限公司 ，北京 100083  摘 要 介紹了高溫空氣燃燒過程中蜂窩型蓄熱體的工作原理和損毀原因，采用代數(shù)雷諾應(yīng)力模型和修正的速度-壓力耦合算法SIMPLEC，耦合蓄熱體內(nèi)流體的流動和換熱過程，運(yùn)用大型計(jì)算流體力學(xué)通用軟件CFX，首次對蜂窩型蓄熱體格孔壁面上的應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明，頻繁的蓄熱和釋熱過程變換，使得蓄熱體格孔壁面交替地受到拉應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的作用。流體的流速越大，應(yīng)力變化越大；換向時(shí)間越短，蓄熱體受拉應(yīng)力和擠壓應(yīng)力交替作用

2、的影響越大。 關(guān)鍵詞 高溫空氣燃燒；CFX軟件；蜂窩蓄熱體；應(yīng)力   NUMERICAL ANALYSIS OF THE FEATURE OF STRESS ACTING ON THE SURFACE OF HONEYCOMB REGENERATOROu Jianping2 Wu Daohong2 Xiao Zeqiang11 School of Energy and Power Engineering, Central South University, Changsha 410083, China2 Beijing Shenwu Thermal Energy Technology

3、 Co., Ltd., Beijing 100083, China  Abstract: The operating principle and damaging factors of honeycomb regenerator in high temperature air combustion were introduced. By means of CFX code, the changing stress feature on working honeycomb regenerator was studied numerically. The results indicate

4、 the stress acting on the surfaces of honeycomb varies severely. Compared to the influence of temperature difference on stress, the influence of flow rate on stress is considerable. While the switching time effects the performance of honeycomb mainly through the alternative times of extrusion and te

5、nsion stress. Key words: High temperature air combustion; CFX code; Honeycomb regenerator; Stress  1 前言 高溫空氣燃燒技術(shù)具有顯著的節(jié)能環(huán)保效果，被認(rèn)為是21世紀(jì)的新燃燒技術(shù)，燃燒系統(tǒng)中的蓄熱體是這種燃燒技術(shù)的關(guān)鍵部件之一。九十年代初，日本工業(yè)爐株式會社田中良一領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開始采用熱鈍性小的蜂窩式陶瓷蓄熱器，取得了很好的效果1。蓄熱體熱工性能的好壞受燃料種類和性能、加熱與冷卻的切換頻率、燃燒產(chǎn)物對蓄熱體的污染以及蓄熱體自身的材料和結(jié)構(gòu)等許多因素影響。對于確定的工作環(huán)境，蓄熱體自身的

6、高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、高溫體積穩(wěn)定性以及抗高溫氧化、抗水化、耐沖刷等性能是影響蓄熱體熱工特性的重要因素。這些因素限制了蜂窩型蓄熱體的適用范圍。目前用于工業(yè)爐的蓄熱材料仍以陶瓷球居多，蜂窩型蓄熱體的使用僅見于有限場合2。因此，研究蓄熱體的熱工特性，對高溫空氣燃燒技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。國內(nèi)外對蜂窩蓄熱體的結(jié)構(gòu)和傳熱特性已有了一定的研究1-5，但對于蓄熱體所受應(yīng)力的研究，目前未見有文獻(xiàn)報(bào)道。為了掌握它的應(yīng)力特征和影響因素，為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)，本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了蜂窩型蓄熱體格孔壁面上的應(yīng)力變化規(guī)律。考慮到蜂窩陶瓷蓄熱體狹長的格孔孔壁對通道內(nèi)氣體流動的影響，采用壁面函數(shù)法，引入代數(shù)雷

7、諾應(yīng)力模型和修正的速度-壓力耦合算法SIMPLEC，耦合蓄熱體內(nèi)的流體的流動和換熱過程，利用計(jì)算流體力學(xué)通用軟件CFX進(jìn)行計(jì)算。2 蓄熱體的工作原理和損毀因素 高溫空氣燃燒的蜂窩型蓄熱室采用方孔蜂窩體砌筑而成。蓄熱室的操作周期由加熱期和冷卻期組成，其工作原理如圖1所示。在加熱期，流過格孔的高溫?zé)煔鈱崃總鬟f給蜂窩陶瓷蓄熱體；在冷卻期，低溫的空氣以相反的方向流過格孔并獲得熱量。 圖1 蓄熱體工作原理圖 圖2 計(jì)算網(wǎng)格劃分蓄熱體在使用中，由于格孔孔壁雙面受熱或冷卻，除受溫度作用外，還受各種應(yīng)力作用，很容易遭受損壞。造成蓄熱體損毀的因素很多，如高溫空氣和燃燒產(chǎn)物的化學(xué)作用、溫度急變和熱膨脹等物理作用

8、以及氣流沖刷和高溫荷重等機(jī)械作用等等。上述各種因素往往同時(shí)存在，但對于某一特定的工作環(huán)境，必有一個主要原因。經(jīng)對國內(nèi)某廠生產(chǎn)現(xiàn)場被替換的蓄熱體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)大部分蜂窩體單元出現(xiàn)不同程度的裂紋和剝落。顯然，脆性應(yīng)力破裂是造成這一問題的主要原因。3          數(shù)值模擬 3.1計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分 在高溫空氣燃燒過程中，蓄熱體及流體的溫度及受力周期性隨時(shí)間而變化。為簡化計(jì)算，作如下假設(shè)：各格孔內(nèi)的傳熱相同；忽略蓄熱室的輻射換熱和熱損失；在蓄熱體長度方向兩個邊界面溫度只是時(shí)間的函數(shù)；流體的熱物性參數(shù)恒定不變

9、，蓄熱體具有各向同性的導(dǎo)熱特性，其比熱是一個關(guān)于溫度的多項(xiàng)式；蓄熱介質(zhì)的表面積及質(zhì)量分布均勻；煙氣與冷風(fēng)在各自入口處的速度及溫度在橫截面上分布均勻，且不隨時(shí)間變化；不考慮空氣與煙氣物性的差異對蓄熱體特性的影響，在整個計(jì)算過程中都用空氣作為傳熱介質(zhì)。 以現(xiàn)場實(shí)際使用的蜂窩型蓄熱元件為對象，其壁厚僅為0.5mm，蜂窩單元間距為3mm。蓄熱室長度為600mm，每相鄰四個格孔的中心連線圍成一個正方形區(qū)域。如圖2所示，以該區(qū)域和沿蓄熱室長度方向構(gòu)成的三維空間內(nèi)的蓄熱體作為計(jì)算區(qū)域。使用周期性邊界，采用非均勻網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為 44×15×15。3.2 邊界條件和初始條件

10、進(jìn)口采用Dirichlet條件，直接設(shè)定進(jìn)口速度?？紤]到在一個工作周期中蓄熱和放熱兩個階段具有相同的質(zhì)量流量，但因冷熱空氣的溫度差異，使得各自的進(jìn)口流速差別很大，本文按表1所示工況確定進(jìn)口條件。   表1 主要計(jì)算工況表 工況 氣體流速（m.s-1） 氣體溫度差（K） 加熱期 冷卻期 1 30.0 7.5 970 2 20.0 4.5 970 3 10.0 3.0 970 4 20.0 4.5 1170 5 20.0 4.5 770   由于蓄熱式燃燒采用引風(fēng)機(jī)抽引煙氣，因此本計(jì)算采用壓力邊界條件，考慮到流體流過蜂窩型蓄熱室的壓降小于1000Pa13，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況，計(jì)算

11、中的出口壓力均設(shè)為-800Pa。 蓄熱體壁面沿流動方向采用壁面函數(shù)，壁面內(nèi)部無熱源，溫度變化由蓄熱體的導(dǎo)熱系數(shù)確定。 根據(jù)現(xiàn)場條件，整個計(jì)算區(qū)域內(nèi)的初場設(shè)定為溫度305K，速度為0?？疾煲粋€工作周期流體入口速度、高低溫氣體入口溫度差在不同的換向時(shí)間條件下對蓄熱體壁面的應(yīng)力的影響，換向時(shí)間分別為10、20、30、40、60、90秒。 4 計(jì)算結(jié)果及分析 計(jì)算結(jié)果表明，無論是加熱期還是冷卻期，蜂窩體格孔壁面主要受到法線方向的應(yīng)力作用，其切向和軸向所受應(yīng)力分別不到法向應(yīng)力的1/200和萬分之一。加熱期應(yīng)力指向壁面，對蓄熱體孔壁產(chǎn)生擠壓，表現(xiàn)為擠壓應(yīng)力；冷卻期壁面受力方向指向流體，對壁面產(chǎn)生拉曳，表現(xiàn)

12、為拉應(yīng)力。顯然，如果蓄熱體的壁面所受應(yīng)力大于其所能承受的最大應(yīng)力，將導(dǎo)致應(yīng)力脆裂。4.1 氣流速度對應(yīng)力的影響 氣體速度對應(yīng)力的影響如圖3所示。當(dāng)入口氣體溫度差相同時(shí)，壁面所受的擠壓應(yīng)力和拉應(yīng)力都隨著氣流速度的增大而增大。這是因?yàn)?，氣流速度的增大增加了氣體的質(zhì)量流量以及單位時(shí)間內(nèi)氣體對蓄熱體的釋熱和吸熱，使得氣體與蓄熱體之間的熱交換加快，導(dǎo)致壁面受力增大。 圖3 氣流速度對應(yīng)力的影響 圖4 入口氣體溫度差對應(yīng)力的影響 4.2 冷熱端氣體入口溫度差對應(yīng)力的影響 在確定的氣體流速下，入口氣體溫度差對壁面所受壓、拉應(yīng)力的影響不如氣流速度的影響明顯，見圖4。這一方面是由于所選擇的幾種計(jì)算條件下溫差的變

13、化不大；另一方面，在蓄熱體的工作過程中，整個蓄熱體具有長度方向的溫度梯度，盡管蓄熱體的溫度以一定的規(guī)律反復(fù)上升或下降，但其高溫端的溫度始終高于低溫端的溫度，因此溫度的影響不同于一般意義上的急冷急熱，表現(xiàn)為入口氣體溫度差對應(yīng)力的影響不大。4.3 換向時(shí)間對應(yīng)力的影響 圖3、圖4表明，當(dāng)換向時(shí)間增大到一定值以后，換向時(shí)間對應(yīng)力本身的影響已不明顯，其對蓄熱體使用壽命的影響主要體現(xiàn)為格孔壁面所受擠壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的交替作用的次數(shù)。換向時(shí)間越長，壓、拉應(yīng)力的交替作用的次數(shù)越少，越有利于蓄熱體使用壽命的延長，反之亦然。5 結(jié)論與建議 頻繁的蓄熱和釋熱過程變換，使得蓄熱體格孔壁面交替地受到拉應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的作

14、用。流體的流速越大，應(yīng)力變化越大；換向時(shí)間越短，蓄熱體受拉應(yīng)力和擠壓應(yīng)力交替作用的影響越大。為進(jìn)一步了解蓄熱體的損毀機(jī)理，有必要通過有限元計(jì)算方法求解整個蓄熱體在受熱和冷卻后的應(yīng)力狀態(tài)，獲得交替換向條件下蓄熱體內(nèi)的應(yīng)力分布情況。參考文獻(xiàn) 1 蕭澤強(qiáng),吉川邦夫.高溫空氣燃燒新技術(shù)講座.中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會工程學(xué)會聯(lián)合會,北京,1999 2 Ou Jianping, Hsiao Techiang. Investigation and Application of HTAC in China. HTACG5: Fifth International Symposium on High Temperature Air Combustion a