基于Fluent的蓄熱體傳熱過程的數值模擬

陳新進， 王慶順， 孫偉

（沈陽大學機械學院，沈陽110015）

0 引言

從能源發展的歷史來看，水電、核電得到了人們的有效利用。但是隨著能源不斷耗盡、價格波動，電熱鍋爐受到人們的青睞。在目前電力能源的特點看來，由于電是無法存儲的，而用電又存在峰谷差，使得低谷電時期浪費了大量的電能。電鍋爐蓄熱式采暖技術的提高，可以將不能存儲的電能轉化為可以存儲的熱能，這樣就可以解決能源的失調問題，提高人們對自然資源的有效利用。廢熱和余熱的回收，與民用的有效互補在節能領域有廣闊前景，已經成為世界范圍內的研究熱點［1-2］。

蓄熱包括顯熱蓄熱和潛熱蓄熱，顯熱蓄熱是通過加熱蓄熱介質提高溫度，將熱能存儲其中。據資料顯示，顯熱蓄熱的應用比較廣泛。通常有液體和固體兩種方式蓄熱，歐美一些國家在顯熱蓄熱方面已經研究出很大成果，其中以瑞典最為突出［3］。潛熱蓄熱主要在冰蓄冷方面，比如空調領域［4-5］。由于我國的實際現狀和技術問題，在潛熱蓄熱領域還有待提高，但是在顯熱蓄熱方面已經成熟了，熱水蓄熱技術在生活中得到驗證［6-7］。考慮到液體水的物性參數，比如導熱系數、比熱容這些使設備的體積大、溫度低等不足。針對這種情況,本文以某電器廠的某

一高爐的熱風爐為例，根據蓄熱體和氣體之間的傳熱原理，建立數學模型，應用計算機求解，從中得到蓄熱體放熱的參數。這對進一步優化蓄熱式換熱器的設計與運行有重要的指導意義。蓄熱體在加熱過程中，主要以電阻絲的輻射以及高溫空氣與蓄熱體的熱傳導為傳熱方式，在蓄熱體冷卻過程中，以低溫空氣與蓄熱體的對流為傳熱方式。根據蓄熱體與空氣的導熱建立能量平衡方程，然后采用有限元方法離散化，進行迭代求解。本文對蓄熱體傳熱過程的數值模擬目的在于了解蓄熱體的傳熱特性，以此確定經濟合理的加熱和冷卻時間等運行參數。

圖1 電熱鍋爐工作流程圖

1 蓄熱體物理模型的建立

固體蓄熱式電熱鍋爐裝置的工作原理如圖1所示。

其中耐火材料就是蓄熱體，是由耐火砌塊砌筑而成，蓄熱體在縱向分布排列許多大小一致的方孔，電阻絲穿過蓄熱體通過電阻生產的高溫加熱蓄熱體。當蓄熱體達到一定的溫度停止加熱開始保溫，工作的時候，通入溫度低的空氣進入蓄熱體通道，從入口到出口，空氣得到加熱，得到的熱空氣就可以利用了。圖2為蓄熱體的外觀和局部放大圖，外觀尺寸為7590mm×2430mm×13110mm，每個蓄熱通道的尺寸為110 mm×65 mm，每個蓄熱通道壁的尺寸為225 mm×195 mm，縱向和橫向的耐火磚尺寸在相鄰通道間的尺寸相同。而且在一個蓄熱體中存在大量這樣的通道，流體流經時與蓄熱體進行熱交換，彼此間的熱交換狀態幾乎是一樣的，因此本文取一個蓄熱通道作為研究對象，對其建立數學模型。

圖2 蓄熱體結構及局部放大圖

2 蓄熱體數學模型的建立

2.1 條件假設

通道任一截面處，氣流速度恒定即為入口速速，溫度分布均勻；對流換熱系數恒定，不隨時間、溫度及位置的變化而變化；流體與蓄熱體的各物性參數恒定；各個蓄熱通道的氣流情況一致。

2.2 數學模型

2.2.1 空氣吸熱過程

蓄熱體加熱后，溫度場均勻化，冷空氣進入蓄熱體通道的過程就是冷空氣被加熱的過程［8］。冷空氣通過蓄熱體通道時，空氣自身能量的增加量等于空氣焓值的增加量加上空氣與蓄熱體之間的對流換熱：

2.2.2 蓄熱體放熱過程

冷空氣通入蓄熱體的過程，蓄熱體被視為熱源，放出熱量。蓄熱體放熱過程時，能量發生變化，蓄熱體的放熱量等于對流傳出蓄熱體的熱量加上蓄熱體自身因導熱傳出的熱量：

式中：ρa為空氣的密度；Cpa為空氣的定壓比熱容；Ta為空氣溫度；ua為空氣流速；αa為空氣與蓄熱體表面之間的對流換熱系數；Tcs為蓄熱體的溫度；CS為蓄熱體的比熱容；Ms為蓄熱體的質量；λs為蓄熱體導熱系數；As為蓄熱體截面的面積。

3 利用Fluent對蓄熱體數值模擬

3.1 模型建立

由于蓄熱體通道數量較多，模型尺寸過大造成計算量太大，分析模型可知，通道的幾何尺寸一致，且每個通道橫截面是軸對稱的，里面氣體的速度，壓力和溫度的分布都具有對稱性，為減少計算量，取單個通道截面的1/4和長度方向的三維空間體積作為計算區域（如圖3），是較為合理且符合“簡化物理模型，便于數值計算”的原則。蓄熱體中的材料為黏土磚，其主要物理性質如表1所示。

圖3 蓄熱體通道簡化模型

表1 黏土磚的主要物理性質

圖4 Fluent計算流程圖

3.2 Fluent求解

本文基于Workbench 14.0工作平臺下的Fluent模塊作為求解環境，它集建模、離散化、求解、后處理于一體，操作方便。Fluent求解問題的基 本 思 想 為［9］前 處理、中間計算和后處理3個部分。前處理是對將要模擬的實體對象進行幾何模型的構建，網格劃分過程；中間計算是指通過各種條件、參數和運算方法的設定來求解數值模擬中數學方程的計算過程；后處理是利用圖表等一些形式對計算結果進行顯示的過程。流程圖如圖4所示。

蓄熱體與氣體的換熱過程溫度場求解是耦合求解過程。氣體單元通道的入口給定速度ua=2 m/s和溫度條件T=190℃，通道內流體采用標準湍流模型K-ξ，出口給定壓力條件P=0 Pa，蓄熱體外表面和對稱面定為絕熱，蓄熱體給定初始溫度Tcs=650℃，蓄熱體和空氣接觸面定為耦合面，傳熱按瞬態過程處理，用SIMPLE算法求解耦合關系，設置迭代次數和收斂殘差，對離散化的氣體能量方程進行求解，得到氣體在流通通道內的溫度分布，由氣體與固體之間的對流換熱以及固體內部的導熱方程得到區域的溫度分布，以此次結果作為初始場開始下一次的計算，進而得到每個時間步長內氣體與蓄熱體的溫度分布。

3.3 求解結果

蓄熱體和空氣的換熱是一個動態的過程，根據工廠的實際需要，換熱有預熱階段，給定預熱時間為15 min，15 min之后正常工作，正常工作的時間為1 h，在正常工作期間空氣經過加熱后的出口溫度不低于550℃。熱交換的工作過程如圖5所示。

圖5 蓄熱體出口平均溫度

在初始時刻溫度下降很快，原因是所給的空氣流體初始溫度溫度和蓄熱體溫度一樣，如圖6所示。工作到900 s時，出口溫度又有一個快速下降的過程，這和實際的工況有關，這時的空氣流體入口速度為2.5 m/s。速度增加后相應的出口溫度減小，符合理論值，如圖7所示。

圖6 空氣加熱初始階段

圖7 預熱結束向正常工作轉換階段

4 結論

本文是基于Workbench平臺下的流體（Fluent）模塊對蓄熱體加熱空氣的數值模擬，蓄熱體的物理模型尺寸大，根據模型特征做了簡化處理的同時在劃分網格時做了細化處理，這樣提高了運算的精度。蓄熱體實際工作的過程有加熱、保溫、放熱、保溫、再開始加熱的循環過程，放熱過程是蓄熱體工作的核心過程。為此筆者通過生產實際數據的指導，賦予模型的模擬的理論條件和蓄熱體工作的實際條件相差很小，得到的理論結果和實際工況有微小的差別，對實際生產有一定的指導意義。模擬的過程也有不足之處，蓄熱體入口的流體沒有做動態變化的度的反饋來調節入口流體的速度得到一個閉環控制系統，這樣模擬結果更加符合實際的生產情況。

［1］ Silverman J.Energy storage-a vital element in mankind，s quest for survival and progress［M］.Oxford：Pergamon Press，1980.

［2］ Hasnain S M.Review on sustainable thermal energy storage technology［J］.Energy Conversion and Management，1998，39（11）：1127-1138.

［3］ 莊斌舵，陳興華.蓄熱（冷）器［J］.能源研究與利用，2000（3）：31-34.

［4］ 張正國，余曉福，王世平.潛熱儲能系統的傳熱及熱力學優化研究［J］.新能源，2000（8）：24-26.

［5］ Zhang Yuwen，Faghri A.Heat transfer enhancement in latentheat energy storage system by using an external radial finned tube［J］.Journal of Enhanced Heat Transfer，1996，3（2）：119-127.

［6］ 黃飛，陶進慶.論電熱鍋爐發展的必要性［J］.能源研究與利用，2000（1）：12-13.

［7］ 郭永葆.電熱鍋爐技術概述［J］.山西能源與節能，2001（1）：28-32.

［8］ 鈕坤.蓄熱式高溫空氣發生器的試驗研究［D］.上海：同濟大學，2007.

［9］ 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.Fluent12流體分析及工程仿真［M］.北京：清華大學出版社，2011.