CN111241710A - 一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法 - Google Patents

一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及工业热工燃烧装置节能技术领域，公开一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，包括以下步骤：（1）根据现场蓄热室的深度划分若干个小尺寸的蓄热体，每个蓄热体通过递推模型，实现蓄热体换热系统的整合；（2）气体与蓄热体之间的综合换热系数模型，包括对流换热系数模型和辐射换热系数模型，这两个函数模型同时涵盖了预热和蓄热双向过程；根据气体初始温度与蓄热体温度的偏差，区分蓄热和预热过程；（3）根据蓄热室的热量平衡原理，建立气体温度的函数模型，该函数模型同时涵盖预热和蓄热双向过程，通过数值计算，不区分热量传递方向，自行计算气体流出温度；（4）根据蓄热室热交换方程，建立蓄热体温度的数学模型，实现了蓄热体和气体交换前后温度的数值化。

Description

一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法
技术领域
本发明涉及工业热工燃烧装置节能技术领域，尤其涉及一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法。
背景技术
目前蜂窝陶瓷蓄热体被广泛用于工业热工燃烧装置的节能技术方面，使工业燃烧装置的热量循环利用，提高燃烧效率，降低能耗，是解决能源与环境问题的重要而有效的手段。蜂窝陶瓷蓄热体的功能主要包括三个方面：1）利用蓄热体的蓄热能力，降低废气热损失，最大限度提高燃料的利用率，降低单位能耗；2）通过蓄热体内所蓄热量，预热气体，提高理论燃烧温度，改善燃烧条件，满足工业燃烧装置的高温要求，扩大低热值燃料的应用范围，尤其是高炉煤气的应用范围，提高燃料热值的利用率；3）改善炉膛热交换条件，使排出和流入的气体温度稳定，提高设备的使用安全性和寿命，减少设备投资。
蜂窝陶瓷蓄热体主要有正方形和正六边形两种孔结构，且孔道是相互平行的直通道结构。这种结构大大降低了气孔流经的阻力，大幅度提高了蓄热体的单孔体积换热效率。具有低热膨胀性、比热容大、比表面积大、压降小、热阻小、导热性能好、耐热冲击好等特性；广泛用于冶金行业蓄热式高温燃烧技术，它把回收烟气余热与高效燃烧及降低NOX排放等技术有机的结合起来，从而实现极限节能降低NOX排放量的目的。
综上所述，随着节能环保的积极发展，蜂窝陶瓷蓄热体的应用越来越广泛，主要使用范围：钢铁厂、垃圾焚烧炉、废气处理热工设备、化工厂、冶炼厂、发电厂、动力产业锅炉、燃气轮机、工程取暖装备、乙烯裂解炉等。大部分装置在蓄热体低温部分安装了气体测量仪表，但是对于高温部分难以监测，故而蜂窝陶瓷蓄热体的换热系统依旧是一片盲区，无法获知预热后的气体温度，燃烧过程的优化难以进行，蓄热体的功能无法全面利用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于蜂窝蓄热体换热系统的建模方法，通过该模型可以计算蓄热量和预热后的气体温度，为优化燃烧效率提供准确数值。
本发明解决其技术问题采用以下技术方案：
一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，包括如下步骤：（1）根据现场蓄热室的深度划分若干个小尺寸的蓄热室，每个蓄热室通过递推模型，实现蓄热体换热系统的整合;（2）气体与蓄热体之间的综合换热系数模型，同时涵盖对燃烧气体的预热和排出废气的蓄热双向过程;（3）根据蓄热室的热量平衡原理，建立气体温度的函数模型，根据输入参数的不同，可以计算蓄热后废气的温度和预热后燃烧气体的温度;（4）根据蓄热室热交换方程，建立蓄热体温度的数学模型。
所述步骤（1）中所述的递推模型，是将蓄热室沿着深度方向划分为N个小尺寸的蓄热室，每一个蓄热体NO.x都有两个温度值，T_xureti.x_q和T_xureti.x _h，分别表征蓄热体流经气体前后的温度；气体也有两个温度值，T_qiti.x _q和T_qiti.x _h，分别表征气体经过蓄热体前后的温度；前一个蓄热体流出后气体的温度，作为后一个蓄热体气体流入前的气体温度，即T_qiti.(x+1)_q，最终第N个蓄热体的气体流出温度T_qiti.N_h作为气体最终的流出温度。
所述步骤（2）中所述的综合换热系数
Figure RE-174209DEST_PATH_IMAGE001
模型，根据热量传递方向，包括两种换热模型，一种是对流换热
Figure RE-244933DEST_PATH_IMAGE002
模型，存在于蓄热和预热两个热量传递过程中；一种是辐射换热
Figure RE-829498DEST_PATH_IMAGE003
模型，主要存在于蓄热体蓄热的过程中，采用表达式：
Figure RE-669278DEST_PATH_IMAGE004
。
所述步骤（2）中所述的对流换热模型，气体在蓄热体内流动，与气体的流速w、动力粘度v、热扩散率a、导热系数
Figure RE-149938DEST_PATH_IMAGE005
，以及蜂窝体单孔边长d、蓄热体的尺寸L（气体流动经过的蓄热体的长度）有关，该模型的计算目标是系数
Figure RE-442379DEST_PATH_IMAGE002
，采用表达式：
Figure RE-299477DEST_PATH_IMAGE006
。
所述步骤（2）中所述的辐射换热模型，与气体的黑度
Figure RE-524922DEST_PATH_IMAGE007
和温度T、温度Tx有关，该模型的计算目标是系数
Figure RE-176483DEST_PATH_IMAGE003
，采用表达式：
Figure RE-221799DEST_PATH_IMAGE008
。
所述步骤（3）中所述的气体温度的函数模型，是根据热平衡原理，鉴于蓄热体密封性良好，忽略热量的损失，利用步骤（2）计算的系数
Figure RE-617008DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure RE-165801DEST_PATH_IMAGE003
，计算气体流出蓄热体后的温度；蓄热体具有蓄热和预热两个相反的能量处理过程，公式通过计算蓄热体初始温度和气体流进时的温度，自行计算出流出气体的温度也是两个完全相反的变化趋势；该函数模型的目标是流出气体的温度
Figure RE-785002DEST_PATH_IMAGE009
，相关变量包括蓄热体内气体的体积流量V，气体的比热容C，流入蓄热体的温度
Figure RE-52035DEST_PATH_IMAGE010
，蓄热体内蜂窝体长度L，蜂窝体垂直气体界面的孔个数N，蓄热体初始温度
Figure RE-985356DEST_PATH_IMAGE011
，蓄热体垂直气体流动方向的截面积S，蓄热体平均比热C，蓄热体密度
Figure RE-654235DEST_PATH_IMAGE012
，函数模型采用表达式：
Figure RE-913178DEST_PATH_IMAGE013
。
上述步骤（4）中所述的蓄热体温度的数学模型，根据热交换方程计算气体流出后的蓄热体温度
Figure RE-933086DEST_PATH_IMAGE014
，与蓄热体初始温度、气体的流入流出温度、气体体积流速和比热容有关，通过气体流入流出温度的偏差，来确定过程是蓄热/预热，即气体流出后蓄热体温度的变化趋势，采用表达式：
Figure RE-935677DEST_PATH_IMAGE015
。
本发明基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，采用上述技术方案，具有如下优点：（1）该建模过程分了4个部分，充分利用蓄热室、蓄热体及蜂窝体的相关尺寸、参数，以及气体流入的温度参数来计算气体流出温度以及蓄热体的相关温度参数；（2）为了提高蓄热过程的计算准确性，将蓄热室沿着气体流动方向划分为若干个蓄热体，采用递推模型将蓄热体串联起来，获得整个蓄热室的状态细节；（3）根据热平衡原理和热交换方程来建立气体流出温度和蓄热体温度的函数模型，计算出准确的气体流出温度和蓄热体温度，为优化燃烧控制过程提供数据基础。
附图说明
附图1是本发明关于蓄热室工艺结构的说明图。
附图2是本发明建模方法中递推模型的说明图。
附图3是本发明建模方法的流程图。
附图4 是换热系统建模方法应用实例的说明图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
以蓄热式加热炉为例，蓄热室尺寸：1000*1000*500mm；
蓄热体尺寸：100*100*100mm，比表面积741，孔数24*24；
蜂窝体尺寸：3*3mm；
材质：蜂窝陶瓷蓄热体，密度1150kg/m³，比热1.15KJ/（Kg*℃），导热系数1.3W/(m*K)；
温度初始值：已知各层蓄热体的初始温度
Figure RE-459063DEST_PATH_IMAGE016
以及气体初始温度
Figure RE-623328DEST_PATH_IMAGE017
。
将蓄热室沿着气体流向的方向划分为5个的蓄热体，垂直气体流向方向的截面上共计100个蓄热体；故蓄热室划分蓄热体N=5。
建立对流换热模型：
Figure RE-864953DEST_PATH_IMAGE006
其中：w，气体的流速，m/s；v，动力粘度，m2/s；a，热扩散率，m2/s；
Figure RE-936814DEST_PATH_IMAGE005
，导热系数，KJ/(m*℃*s)；d，蜂窝体单孔边长，m；
L，蓄热体的长度，m。
建立辐射换热模型：
Figure RE-314706DEST_PATH_IMAGE018
其中：
Figure RE-915452DEST_PATH_IMAGE019
，气体的黑度；
Tx，蓄热体的初始温度，℃；
T，排烟温度，℃。
建立综合换热系数模型，由于辐射换热模型仅用于蓄热过程，即T>Tx；故需要进行判断：T>Tx时候：
Figure RE-378794DEST_PATH_IMAGE020
；T≤Tx时候：
Figure RE-723188DEST_PATH_IMAGE021
。
建立气体流出蓄热体1时候的温度
Figure RE-221165DEST_PATH_IMAGE022
计算模型：
Figure RE-258391DEST_PATH_IMAGE023
其中：
Figure RE-474609DEST_PATH_IMAGE024
，蓄热体内气体的体积流量，m³/s；
Figure RE-357114DEST_PATH_IMAGE025
，气体的比热容，KJ/(m³*℃)；
Figure RE-709598DEST_PATH_IMAGE026
，流入蓄热体1的气体初始温度，℃；L，蓄热体内蜂窝体长度，m；
N，蜂窝体垂直气体界面的孔个数；
Figure RE-917726DEST_PATH_IMAGE027
，蓄热体1初始温度，℃；
S，蓄热体垂直气体流动方向的截面积，㎡；
Figure RE-355660DEST_PATH_IMAGE028
，蓄热体平均比热，KJ/(KG*℃)；
Figure RE-41857DEST_PATH_IMAGE029
，蓄热体密度，KG/m³。
建立蓄热体温度计算模型：
Figure RE-248847DEST_PATH_IMAGE030
。
根据递推模型，
Figure RE-362296DEST_PATH_IMAGE031
，结合
Figure RE-320150DEST_PATH_IMAGE032
，利用上述计算模型计算得到
Figure RE-544458DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure RE-871535DEST_PATH_IMAGE034
，表达式如下：
Figure RE-155885DEST_PATH_IMAGE035
Figure RE-302833DEST_PATH_IMAGE036
。
根据递推模型，
Figure RE-861990DEST_PATH_IMAGE037
，结合
Figure RE-43573DEST_PATH_IMAGE038
，计算得到
Figure RE-498825DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure RE-398648DEST_PATH_IMAGE040
，采用表达式如下：
Figure RE-495917DEST_PATH_IMAGE041
Figure RE-532006DEST_PATH_IMAGE042
。
根据递推模型，
Figure RE-158159DEST_PATH_IMAGE043
，结合
Figure RE-279699DEST_PATH_IMAGE044
，计算得到
Figure RE-649501DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure RE-336834DEST_PATH_IMAGE046
，采用表达式如下：
Figure RE-133889DEST_PATH_IMAGE047
Figure RE-742724DEST_PATH_IMAGE048
。
根据递推模型，
Figure RE-650638DEST_PATH_IMAGE049
，结合
Figure RE-661319DEST_PATH_IMAGE050
，计算得到
Figure RE-160433DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure RE-256565DEST_PATH_IMAGE052
，采用表达式如下：
Figure RE-968169DEST_PATH_IMAGE053
Figure RE-98936DEST_PATH_IMAGE054
。
所得
Figure RE-768952DEST_PATH_IMAGE055
即为在气体流出后的蓄热体温度，气体预热/蓄热后的温度
Figure RE-86801DEST_PATH_IMAGE057
。
应用实例
为了说明本发明所提出的换热系统建模方法的实用性，计算加热炉蓄热体换热过程。
图4为加热炉蓄热室换热系统的应用实例，根据当前加热炉炉膛温度1120℃，入炉空气温度20℃，入炉煤气温度50℃，出炉的空烟温度150℃，煤烟温度158℃，对应的空气阀门开度80，煤气阀门开度85，空烟阀门开度90，煤烟阀门开度82。
应用本发明所提出的换热系统建模方法，计算获取预热后空气温度924℃，煤气温度763℃，参与燃烧的两类气体温度差较大，不利于燃烧释放最大的热量，需要平衡预热后的温度差，减少空烟阀门到80，一个换向周期后，空烟总管温度降低到144℃，煤烟总管的温度增加到173℃，均在烟温允许的180℃范围内，此时炉膛温度1125℃，计算获取的预热后空气温度886℃，煤气温度832℃，两者温度差缩小，炉膛温度上升，需要降低空气煤气的阀门开度，按照对应的空燃比进行调整。
由应用实例可以看出，基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，可以指导科学烧炉，最大化地提高蓄热体的节能效果，和燃烧效率，产生节能效益。

Claims (7)

1.一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，其特征在于包括如下步骤：（1）根据现场蓄热室的深度划分若干个小尺寸的蓄热室，每个蓄热室通过递推模型，实现蓄热体换热系统的整合；（2）气体与蓄热体之间的综合换热系数模型，包括对流换热系数模型和辐射换热系数模型，这两个函数模型同时涵盖了预热和蓄热双向过程；根据气体初始温度与蓄热体温度的偏差，区分蓄热和预热过程；（3）根据蓄热室的热量平衡原理，建立气体温度的函数模型，该函数模型同时涵盖预热和蓄热双向过程，通过数值计算，不区分热量传递方向，自行计算气体流出温度；（4）根据蓄热室热交换方程，建立蓄热体温度的数学模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，其特征在于所述步骤（1）中所述的递推模型，是将蓄热室沿着深度方向划分为N个小尺寸的蓄热室，每一个蓄热体x都有两个温度值，
Figure RE-253348DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure RE-798730DEST_PATH_IMAGE002
，分别表征蓄热体流经气体前后的温度；气体也有两个温度值，
Figure RE-382158DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure RE-631874DEST_PATH_IMAGE004
，分别表征气体经过蓄热体前后的温度；前一个蓄热体流出后气体的温度，作为后一个蓄热体气体流入前的气体温度，即
Figure RE-617147DEST_PATH_IMAGE005
，最终第N个蓄热体的气体流出温度
Figure RE-458064DEST_PATH_IMAGE006
作为气体最终的流出温度
Figure RE-528788DEST_PATH_IMAGE007
。
3.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，其特征在于所述步骤（2）中所述的综合换热系数
Figure RE-582195DEST_PATH_IMAGE008
模型，根据热量传递方向，包括两种换热模型，一种是对流换热
Figure RE-421975DEST_PATH_IMAGE009
模型，存在于蓄热和预热两个热量传递过程中；一种是辐射换热
Figure RE-73274DEST_PATH_IMAGE010
模型，主要存在于蓄热体蓄热的过程中；通过判断蓄热体初始温度Tx和气体流入前温度t进行判断，当t>Tx时候：
Figure RE-365715DEST_PATH_IMAGE011
；t≤Tx时候：
Figure RE-222813DEST_PATH_IMAGE012
。
4.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，其特征在于所述步骤（2）中所述的对流换热系数
Figure RE-917099DEST_PATH_IMAGE013
模型，采用表达式：
Figure RE-834240DEST_PATH_IMAGE014
其中：w，气体的流速，m/s；v，动力粘度，m2/s；a，热扩散率，m2/s；
λ，导热系数，KJ/(m*℃*s)；d，蜂窝体单孔边长，m。
5.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，其特征在于所述步骤（2）中所述的辐射换热模型，与气体的黑度
Figure 479077DEST_PATH_632959DEST_PATH_IMAGE030
和温度T、温度Tx有关，该模型的计算目标是辐射换热系数
Figure 293449DEST_PATH_28168DEST_PATH_IMAGE020
，采用表达式：
Figure 115911DEST_PATH_576961DEST_PATH_IMAGE032
。
6.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，其特征在于所述步骤（3）中所述的气体温度的函数模型，是依据热平衡原理，函数模型采用表达式：
Figure RE-274765DEST_PATH_IMAGE016
其中：
Figure RE-230083DEST_PATH_IMAGE017
，蓄热体内气体的体积流量，m³/s；
Figure RE-318125DEST_PATH_IMAGE018
，气体的比热容，KJ/(m³*℃)；
Figure RE-585158DEST_PATH_IMAGE019
，流入蓄热体的气体初始温度，℃；L，蓄热体内蜂窝体长度，m；
N，蜂窝体垂直气体界面的孔个数；
Figure RE-580796DEST_PATH_IMAGE020
，蓄热体初始温度，℃；
S，蓄热体垂直气体流动方向的截面积，㎡；
Figure RE-984095DEST_PATH_IMAGE021
，流出蓄热体的气体温度，℃；
Figure RE-243038DEST_PATH_IMAGE022
，蓄热体平均比热，KJ/(KG*℃)；
Figure RE-138313DEST_PATH_IMAGE023
，蓄热体密度，KG/m³。
7.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝陶瓷蓄热体换热系统的建模方法，其特征在于上述步骤（4）中所述的蓄热体温度的数学模型，根据热交换方程计算气体流出后的蓄热体温度
Figure RE-875325DEST_PATH_IMAGE024
，与蓄热体初始温度
Figure RE-929869DEST_PATH_IMAGE025
、气体的流入流出温度、气体体积流速和比热容有关，采用表达式：
Figure RE-359713DEST_PATH_IMAGE026
。
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