75t_h燃气锅炉炉内传热数学模型与数值模拟计算的研究

本科生毕业设计（论文）开题报告题目：75t/h四角切圆燃气锅炉内流动与传热数值模拟学院：环境与化学工程学院系过程装备与控制工程专业：过程装备与控制工程班级：学号：姓名：指导教师：填表日期：年月日一、选题的依据及意义近年来,随着钢铁工业的迅猛发展，生产中的副产煤气大量增加。

焦炉煤气和转炉煤气由于发热值高，可以在生产和生活中有效利用。

而高炉煤气属低热值燃料，受到其燃烧特性的限制，很难作为远距离输送的生活用气，只能在企业内部转换利用。

为了充分利用自产的高炉煤气，国内钢铁企业纷纷兴建全燃高炉煤气的蒸汽锅炉，既避免了高炉煤气直接排空造成的烟尘污染和热污染，又提高了企业的经济效益。

但是，燃烧高炉煤气锅炉的燃烧状况受高炉生产影响较大，煤气压力波动较大，锅炉的燃烧状况很不稳定，甚至会造成锅炉熄火，进而影响汽动风机或发电机组的安全运行。

为了实现高强度下全燃高炉煤气锅炉的稳定燃烧，除了在燃烧器上安装点火辅助烧嘴以外，还在锅内设置了稳燃热岛。

热岛的存在对四角切圆锅炉内的流场和温度分布有较大影响。

由于能更有效地利用低热值的高炉煤气，带稳燃热岛的燃气锅炉已得到推广应用。

通过对内置稳燃热岛的四角切圆燃气锅炉的研究可以更加清晰的了解此类燃气锅炉的燃烧状况，进而改进此类燃气锅炉，提高此类锅炉的效益。

随着计算机技术以及计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学等学科的发展，计算机模拟技术得到了飞速发展。

以CFD 为基础的数值模拟日益成为各国能源动力领域的研究者们用来研究锅炉炉内过程的重要手段。

为了了解锅炉炉内的燃烧过程，建立炉内的湍流流动、传热及燃烧模型来进行全面模拟是非常必要的。

本课题以某电厂75t/h燃气锅炉为对象，利用计算流体力学软件Fluent，对锅炉内的气体流动和传热特性进行模拟分析，为改进高炉煤气锅炉的设计和生产组织提供参考二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）四角切圆锅炉是目前世界上比较常用的电站锅炉类型之一，其燃料适应性好、风粉混合均匀。

炉温曲线的数学建模通常涉及到温度随时间的变化关系。

建立这样的数学模型可以帮助理解和控制炉内温度的动态特性。

以下是一种可能的建模方法：1. 热传导方程模型（Heat Conduction Equation）：假设炉体是均匀的，并且只有一个维度（例如，沿着炉子的长度）。

炉内温度分布可以由以下的热传导方程描述：\frac{\partial T(x, t)}{\partial t} = \alpha \frac{\partial^2 T(x, t)}{\partial x^2}∂t ∂T(x,t)=α∂x2∂2T(x,t)其中：•T(x, t)T(x,t) 是位置x x处的温度在时间t t的变化；•\alphaα是热扩散系数。

2. 能量平衡模型：考虑到能量平衡，模型可以考虑炉内的能量输入和输出。

这可以包括：\rho C \frac{\partial T(x, t)}{\partial t} = -\frac{\partial q(x, t)}{\partial x} + \dot{Q}_{\text{in}}(t)ρC∂t∂T(x,t)=−∂x∂q(x,t)+Q˙in(t)其中：•\rhoρ是炉体的密度；•C C是比热容；•q(x, t)q(x,t) 是热通量；•\dot{Q}_{\text{in}}(t)Q˙in(t) 是炉内的外部热输入。

3. 边界条件和初始条件：为了求解方程，需要指定一些初始条件和边界条件。

这可能包括炉子两端的温度、热通量等。

4. 数值解法：炉温曲线的数学建模通常需要数值解法，如有限差分法、有限元法等。

这些方法可以在离散的网格上近似求解偏微分方程。

请注意，具体的建模方法会依赖于炉子的几何形状、材料特性以及热源等因素。

建议在具体问题中根据实际情况选择适当的模型和方法。

中国矿业大学徐海学院本科生毕业设计姓名：学号：专业：热能与动力工程设计题目： 75t/h煤粉锅炉设计专题：指导教师：职称：讲师2015 年6月徐州中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书专业年级学号学生姓名任务下达日期：2014年12月20日毕业设计日期：2015年 1 月 20日至2015年 6 月10 日毕业设计题目：75t/h煤粉锅炉设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1.完成75 t/h锅炉热力计算；2.完成锅炉设计图A0图纸2张；3.完成外文文献翻译，中文译文不少于3000字；4.完成毕业设计论文1本（不少于15000字）。

指导教师签字：郑重声明本人所呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

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尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本论文属于原创。

本毕业设计的知识产权归属于培养单位。

本人签名：日期：指导教师评阅书指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日评阅教师评阅书评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日答辩及综合成绩答辩情况提出问题回答问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日摘要本次设计以小型火电厂的煤粉锅炉为对象，设计蒸发量为75t/h，机组寿命为15年，本炉设计为四角切圆燃烧，中间无再热过程。

烟气管道传热性能的数值模拟研究随着环境保护意识的日益增强，空气污染问题也越来越受到重视。

作为污染源之一，烟气排放不仅对环境造成了严重影响，也给人们的生活带来了诸多危害。

传热是烟气管道运行的重要参数之一，其性能的优化对于减少能源消耗和烟气排放至关重要。

本文将对烟气管道传热性能进行数值模拟研究，并探讨如何优化这一过程，从而实现绿色环保的目标。

一、烟气管道传热原理在燃煤、燃油、燃气等能源的燃烧过程中，产生大量的烟气，这些烟气需要通过管道输送出去。

在这个过程中，由于管道的存在，烟气会通过管道的壁面和传导传热到管道的外部，同时也会通过管道内部的对流传热实现热传递。

管道内部和外部的烟气温度差越大，则管道传热越快。

二、数值模拟方法为了定量地描述和分析管道传热过程，需要进行数值模拟。

该方法可以在计算机模拟中进行，通过电脑模拟来预测烟气传输的温度和流动，帮助我们设计管道的尺寸和结构，进一步优化传热过程。

数值模拟研究通常包括以下几个步骤：1.模型建立：在计算机上建立一个具有几何形状和特定物理参数的模型，以模拟管道的运行。

2.数学建模：通过物理规律和数学公式，将烟气流动和热传导过程进行数学建模。

3.求解方程：采用数值方法，通过计算机程序求解数学方程式，得到烟气温度场和流场等重要参数。

4.结果分析：对计算结果进行分析和解释，得出相应结论和方法。

三、烟气管道传热性能的数值模拟研究1.数值模型的建立首先，需要建立烟气管道传热数值模型，包括烟气输送管道、管道壁面和管道外部环境。

建模时需考虑以下几个方面：（1）管道壁面的热传导特性，包括导热系数、热容和密度等参数。

（2）烟气输送管道内部的流动特性，包括质量流率、流速和流体压力等参数。

（3）烟气输送管道外围环境的温度变化和气流的影响等因素。

2.数学建模在建立好数值模型后，需要对烟气在管道内部和外部的传热及流动过程建立数学模型。

在此过程中，我们需要考虑以下几个方面：（1）对流传热：考虑烟气在管道内部的流动和传热。

XD-75/3.82-Q1锅炉运行规程目录第一章锅炉设备概况以及技术标准第二章设备的检查与试验第一节启动前的检查第二节水压试验第三节冲洗过热器第四节转动机械的试运行第五节漏风试验第三章锅炉机组的启动第一节启动前的准备工作第二节点火及升压第三节安全阀的调整试验第四节锅炉的并列第四章锅炉运行的控制与调整第一节锅炉运行调整的任务第二节锅炉调整第三节锅炉的排污第五章锅炉机组的停止第一节停炉前的准备第二节停炉第三节锅炉的保养第六章锅炉机组的事故处理第一节故障停炉第二节锅炉满水第三节锅炉缺水第四节汽包水位计损坏第五节汽水共腾第六节水冷壁管损坏第七节过热器损坏第八节省煤器损坏第九节给水管道水冲击第十节锅炉尾部烟道二次燃烧第十一节负荷突降第十二节锅炉安全门误动作第十三节引风机跳闸第十四节送风机跳闸第十五节煤气突然中断处理第十六节DCS电源中断的处理第十七节DCS画面参数归零的处理第十八节煤气中毒的处理第十九节引、送风机故障停机第二十节减温器损坏第二十一节锅炉发生爆燃时的处理第二十二节回火燃烧的处理第二十三节煤气系统着火第二十四节检查炉膛CO浓度的方法第二十五节锅炉灭火第二十六节锅炉6KV厂用中断的处理第二十七节煤气压力低处理第一章锅炉设备概况以及技术标准XD—75/3.82—Q1锅炉是中压参数，自然循环锅炉，燃用兰炭尾气锅炉，7级地震设计。

本锅炉的整体布置为前吊后支，―π‖型布置。

汽包，水管系统全部悬吊与钢架顶板上，省煤器，空气预热器等尾部受热面则支撑在尾部钢架上。

蒸汽温度控制方式为喷水减温。

减温水来自主给水管道。

1?1锅炉规范额定蒸发量：75T/h过热蒸汽压力: 3.82Mpa汽包工作压力： 4.2Mpa过热蒸汽温度：4500C给水温度: 1500C排烟温度：1410C锅炉效率: ≥ 88%燃料种类: 兰炭尾气燃料消耗量：32255Nm3/h1?2基本尺寸汽包标高21950mm炉膛宽度（前后侧距离）5090mm锅炉宽度（左右侧距离）5090mm锅炉深度（Z1柱至尾部后墙柱中心）12200mm锅炉最大宽度（包括平台）~~10200mm锅炉最大深度（包括平台）~~14750mm1?3锅炉本体结构简介1?3?1概况：1、炉膛采用膜式壁结构，因为锅炉采用燃料为兰炭尾气，煤气发热值低且着火温度较高，所以炉膛下部采用强化传热的炉内蓄热稳燃装置，且在燃烧器出口处加有点燃装置。

75t/h燃气锅炉高负荷调试蒸汽温度骤降问题分析与处理发布时间：2021-11-09T01:40:13.264Z 来源：《中国电业》2021年第17期作者：卜庆萌1 郝青松1 丁吉伟2[导读] 工业蒸汽热网是化工、制药等产业园区的重要公用基础设施，建设集中式供热系统取代各企业自建的小型锅炉是规划趋势卜庆萌1 郝青松1 丁吉伟2中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，南京，210000华润电力（常熟）有限公司，苏州， 2150000 引言工业蒸汽热网是化工、制药等产业园区的重要公用基础设施，建设集中式供热系统取代各企业自建的小型锅炉是规划趋势。

此模式不仅可以显著降低企业的用汽成本，提高可靠性，亦有利于维持园区良好环境[1,2]。

某园区是华东重要的化学工业园区，聚集了众多在国际上有影响力的化工企业，由于化工企业对蒸汽品质有着极高的要求和可靠性保证，该园区采用了集中供热模式。

1 锅炉概况某项目新建一台75t/h燃气锅炉及其附属设施作为向园区供热的备用系统,额定蒸汽压力1.25MPa，额定蒸汽温度250℃。

汽水流程为：除盐水-冷凝器-除氧器-节能器-上锅筒-下锅筒-炉膛区-上锅筒-过热器进口集箱-过热器中间集箱-过热器汇集集箱-过热器出口集箱-供热管网。

上锅筒采用侧面给水挡板与水下孔板设计，水下孔板与上部立式波形板分离器分别作为一、二次分离装置。

锅炉调试期间，高负荷时出现了蒸汽温度骤降的现象，经过原因分析、验证，以及锅筒内部装置改造，蒸汽参数最终达到设计值。

2 事件描述锅炉调试过程中，当出口蒸汽压力0.9MPa，运行至70%负荷以上时，出口蒸汽温度由接近250℃快速降低至179℃左右。

打开过热器集箱下部疏水阀后，蒸汽温度短时间内恢复至220℃以上，关闭疏水阀后运行一段时间，出口蒸汽温度又快速降低至179℃左右。

降负荷至60%以下运行时，出口蒸汽温度正常，维持在240-250℃之间。

3 原因分析查看运行数据，锅炉负荷在70%以上时，炉膛烟气温度约900℃，过热器进口烟气温度610~690℃，处于正常范围。

1适用范围本技术措施书适用于长沙天宁热电有限公司一期安装工程3#锅炉的煮炉工作。

2编制依据2.1《火电工程调整技术技术手册》（中国电力出版社2003年版锅炉卷）2.2《电力建设施工及验收技术规范》（电力工业部颁1996年版）2.3《火电施工质量检验及评定标准（锅炉篇）》（电力工业部颁1996年版）2.4《电力基本建设工程整套试运前质量监督检查典型大纲》（电力工业部颁1996年版）2.5《火电工程启动调试工作规定》（电力工业部颁1996年版）2.6无锡锅炉厂随机资料3煮炉的目的清除锅炉内部的锈蚀和污物，保证生产出合格品质的蒸汽。

4主要施工机具药品主要施工机具、药品需用量计划表煤2000t#0柴油10tNa3P0412H20(100%) 250kgNaOH(100%) 250kg电焊工机具1套气焊工机具1套活口扳手两套加药用劳保护品：工作服、橡皮裙、乳胶手套、防护面罩各4套。

5煮炉程序计划煮炉全过程以燃煤为主，#0轻质柴油为辅助燃料，低负荷煮炉，分低温、中高温煮炉二个阶段。

6煮炉前应具备的条件6.1煮炉前必须保证烘炉工作已全部结束，炉墙的干燥程度符合要求。

6.2煮炉前应进行一次工作压力下的水压试验，如有缺陷，应消除后方可进行煮炉。

锅炉工作压力水压试验后，用2MPa以上的压力冲洗各仪表管。

6.3煮炉前锅炉本体、锅炉各系统以及附属设备应该安装完毕，转动机械经过试运行，并对输煤系统、燃油系统、给水、除盐水系统及热工仪表远方操作装置；加药、排污、疏水及取样装置；通信联络设备；各项音响光色信号等安装调整校验完毕。

6.4煮炉时给水流量计投入。

6.5汽包、联箱的膨胀指示器调整、检验完毕。

6.6管道阀门、烟道挡板、风门开关灵活且动作方向正确，并有上下或左右开关指示标志且挂牌命名。

6.7通讯、消防设备具备投运条件，现场照明充足，地坪平整无杂物，平台、扶梯、栏杆应牢固。

6.8汽包就地水位计的最高、最低及正常运行水位线有明显标志。

余热锅炉流动与传热数值模拟及仿真平台开发的开题报告1. 研究背景余热锅炉是一种能够利用工业生产中产生的烟气中的余热来发电或产生热水等热能设备，其使用可以节约能源，降低能源消耗，提高能源利用率。

随着工业生产的发展，余热锅炉的应用越来越广泛，但是在现有的余热锅炉设计中，流动和传热的分析和计算方法存在不足，而且实际操作中对于误差的估计和调整难度较大，因此需要建立一套基于数值模拟和仿真平台的余热锅炉流动和传热数值模拟与仿真平台，以提高余热锅炉的设计效率和安全性。

2. 研究目的本研究的目的是建立一套余热锅炉流动和传热数值模拟与仿真平台，利用数值模拟和仿真技术分析余热锅炉流动和传热过程的特性和变化，为余热锅炉的设计和优化提供依据，并辅助实际操作中对于误差的估计和调整。

3. 研究内容本研究的主要内容包括：（1）余热锅炉流动和传热过程的数值模拟和分析：建立余热锅炉流动和传热模型，利用数值计算方法分析热能在余热锅炉中的传递和转换过程，并分析不同操作参数和结构参数对于余热锅炉性能的影响。

（2）余热锅炉仿真平台的开发：基于上述模拟和分析结果，开发余热锅炉流动和传热数值模拟与仿真平台，实现余热锅炉流动和传热特性的可视化显示和动态仿真。

（3）余热锅炉模拟验证：针对不同类型的余热锅炉，利用开发的数值模拟与仿真平台进行验证，对仿真结果与实际工艺数据进行对比分析，验证仿真平台的可靠性和精度。

4. 研究方法本研究的主要研究方法包括：（1）建立数值模拟模型：建立余热锅炉流动和传热数值模型，利用计算数学和计算流体力学等数学方法进行求解，分析热传输的规律性和特点。

（2）开发仿真平台：通过编程和图形界面设计等技术开发余热锅炉流动和传热数值模拟与仿真平台，实现余热锅炉流动和传热特性的可视化显示和动态仿真。

（3）模拟验证：利用开发的数值模拟与仿真平台对于不同类型的余热锅炉进行验证，验证仿真平台的可靠性和精度。

5. 研究意义本研究的意义在于：（1）提高余热锅炉的设计效率和安全性：通过建立数值模拟和仿真平台，减少实验和试错的时间和成本，提高余热锅炉的设计效率和安全性。

摘要本文是在分析包头钢铁公司的步进式加热炉热过程的基础上，针对其具体情况，建立了加热炉生产热过程中包括辐射换热过程和钢坯加热过程及其耦合过程的热过程数学模型，并对热过程数学模型求解方法进行了研究。

对加热炉热过程中的钢坯出炉温度进行了计算，计算结果和生产实际基本相符，验证了数学模型是可靠的，数值计算结果是基本可信的。

离散坐标法由于可以很方便地处理入射散射项，因此离散坐标法在计算有散射的辐射问题方面要优于现有的其它方法，且易与流动方程联立求解。

因而，在含散射性介质的系统，如煤粉燃烧室内流动、燃烧、传热的模拟中，离散坐标法将是一种很有发展前途的辐射传热计算模型。

本文首先对辐射传递方程的坐标进行离散，最后对三维矩形炉膛内辐射传递过程进行数值模拟，并与区域法进行比较，从而验证了离散坐标法的求解精度。

因此本文采用离散坐标法来求解炉内辐射传热，然后和钢坯导热进行耦合，最后求解出钢坯的温度分布。

关键词离散坐标法辐射换热钢坯导热数值计算ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｅｈｅａｔｉｎｇｆｕｒｎａｃｅｉｎＳｔｅｅｌＦａｃｔｏｒｙｏｆＢａｏＴｏｕＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＣｏｍｐａｎｙ．Ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｐｌｅｗｉｔｈｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｆｕｒｎａｃｅａｓｗｅｌｌａｓｈｅａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｏｒｋｐｉｅｃｅｔｏｐｒｅｍｉｘｅｄｔｈｅｒｍａｌｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｍａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｔｅｅｌ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｓｏｌｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｗｏｒｋｐｉｅｃｅｏｆｓｔｅｅｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｆａｃｔｕａｌｉｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｏｒｄｉｎａｔｅａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒａｄｉａｔｉｖｅｔｒａｎｓｆｅｒｅｑｕａｔｉｏｎｉｎａｂｓｏｒｂｉｎｇ－ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍｅｄｉｕｍｉｓｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｑｕａｄｒａｔｕｒｅｓｅｔｓｏｆｉｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｔｅｒｍａｒｅａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅｃａｕｓｅｓａｂｏｕｔｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｆａｌｓｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄｒａｙｅｆｆｅｃｔａｎｄｉｔｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｌｅａｌｓｏａｎａｌｙｓｅｄ．Ｂｙｄｅｔａｉｌｅｄｃｏｍｐａｒｉｏｎ，ｉｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｆａｌｓｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄｒａｙｅｆｆｅｃｔｅｘａｃｔｎｏｔｏｎｌｙｉｎｄｉｓｃｒｅｔｅｏｒｄｉｎａｔｅｓｍｅｔｈｏｄ，ｂｕｔａｌｓｏｉｎｚｏｎｅｍｅｔｈｏｄ，ｄｉｓｃｒｅｔｅｔｒａｎｓｆｅｒｍｅｔｈｏｄ，ｅｔｃ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆａｌｓｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄｒａｙｅｆｆｅｃｔｏｎｓｏｌｕｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｅｑｕｔｉｏｎｃ锄ｂｅｒｅｄｕｃｅｄｂｙｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｇｒｉｄｓｉｚｅａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｏｆｒａｄｉａｔｉｖｅｄｉｓｃｒｅｅｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒａｄｉａｔｉｖｅｈｅａｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｏｌｉｄａｎｇｌｅｔｒａｎｓｆｅｒｉｎａｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｆｕｒｎａｃｅｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｄｉｓｃｒｅｔｅｏｒｄｉｎａｔｅｓｍｅｔｈｏｄ．Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｚｏｎｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｄｉｓｃｒｅｔｅｔｒａｎｓｆｅｒｍｅｔｈｏｄ，ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｄｉｓｃｒｅｔｅｏｒｄｉｎａｔｅｓｍｅｔｈｏｄｈａｓａｇｏｏｄａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄｒｅｃｅｎｔｌｙｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｂｅｓｔｍｅｔｈｏｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒａｄｉａｔｉｖｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｆｕｒｎａｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｄｉｓｃｒｅｔｅｏｒｄｉｎａｔｅｍｅｔｈｏｄ；ｒａｄｉａｔｉｖｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ；ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｔｅｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。

燃气锅炉三维模型区域法传热计算燃气锅炉炉膛传热计算方式，其中常见计算方法有区域法，蒙特卡洛法(即统计模式)。

下面由小编讲解这两种计算方法：区域法是将炉膛空间分割成许多微元体积区，将受热面分割成许多微元面积区，认为每个微元区内烟气温度和成份是均匀的，然后建立各微元区之间的传热和热平衡方程式，用电子计算机解这些线性方程组，求出各微元区内温度及吸热量，从而求得炉膛内烟气温度分布和辐射受热面积的热流分布，此法是严格地按三维空间辐射原理来计算的，此计算比较精准。

但求解复杂的积分方程组很繁琐，即使用了电子计算机，其计算机工作量也很大。

蒙特卡洛法是将炉膛分割成许多微元体积区，将受热面分割成许多微元体体积，然为每个微元区内烟气温度和成份是均匀的状态。

把辐射能看成是由能束或能离子组成，用能束来模拟发射、吸收、反射等实际过程，统计每个微元区能束的得失，从而求得炉膛内烟气温度分布和辐射受热面的热流分布。

此法数学模型简单，易于掌握、电算程序短、计算时间省。

但鉴于统计法的固有特点，其误差相对较大。

燃气锅炉三维模型炉膛传热计算综合了炉膛内传热、燃烧和烟气流动过程，反映了炉膛内传热基本规律，计算精准，适合大型锅炉炉膛传热计算的需要。

在设计计算中，应预先假定炉膛平均热有效系数，与其最后确定的热数值相差应不超过此值的5%。

在校核计算前，应进行炉膛结构特性计算，为炉膛传热计算提供结构数据。

在计算过程中，必须先假定燃气锅炉炉膛出口烟气温度和最后计算的烟温相差不得超过100°C。

高炉煤气余热锅炉数值模拟与传热系数的修正聂宇宏;梁融;钱飞舟;胡法议【摘要】Numerical simulation of BFG waste heat boiler has been conducted by the CFD software .The distribu-tion of flow fields and temperature fields in the waste heat boiler is studied , and the heat transfer of each flue duct analyzed .By comparing the numerical simulation and the result of thermal calculation , the relevant parame-ter of heat transfer coefficient has been corrected .Our research provides a theoretical basis for design of the same kind waste heat boiler .%应用CFD软件对某高炉煤气余热锅炉进行数值模拟，研究了余热锅炉内部的流动和温度分布，分析了各部分烟道中的换热情况以及流场对换热的影响。

将数值模拟与热力计算数据进行比较，根据分析结果，提出了修正热力计算中影响传热系数相关参数的建议，为提高热力计算的精度提供依据，文中的研究可为同类余热锅炉的设计提供参考。

【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P46-49)【关键词】余热锅炉;热力计算;传热系数;数值模拟【作者】聂宇宏;梁融;钱飞舟;胡法议【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003;苏州海陆重工股份有限公司，江苏苏州215600;苏州海陆重工股份有限公司，江苏苏州215600【正文语种】中文【中图分类】TK11在炼铁工业中，高温的高炉煤气是其副产品之一.如何充分利用这部分高温煤气的热能，已经成为当下节能环保的重要课题，高炉煤气余热锅炉的设计与研发，就成为了提高能源利用率的关键.近年来，国内外学者对余热锅炉辐射室及烟道等部分进行了三维数值模拟，文献［1］对设有辐射室挡板的闪速炼铜余热锅炉进行了模拟;文献［2］中对入口烟道仰角及其长度的改变以及加装导流板等情况进行了速度场的数值模拟;文献［3］中提出了锅炉对流区物理模型的简化原则，从理论上证明了其工程可行性;文献［4］中对余热锅炉进行了动态建模与数值研究，并从理论上推导出了其线性模型.随着计算流体力学的迅速发展，应用计算流体力学分析研究工程中的流动、传热、燃烧和化学反应等问题已经越来越普遍，并取得了一定的成果［5］.文中建立了某高炉煤气余热锅炉的三维数值计算模型，分析了余热锅炉内部烟气的流动与传热特性，并通过与热力计算结果的比较，给出了锅炉热力计算中如何合理选取污染系数的建议.1 物理模型模拟的高炉煤气余热锅炉由沉降室、4组蒸发器、2组省煤器组成，结构如图1.进口烟气流量为190000N·m3/h，温度为750℃，烟气成分如表1.表1 进口烟气成分Table1 Ingredient of inlet flue gas成分含量/% CO 28.88 CO2 23.98 H2 5.5 N2 35.94 H2 O 5.7图1 高炉煤气余热锅炉结构示意Fig.1 Structure of waste heat boiler2 数学模型与边界条件2.1 数学模型余热锅炉内是三维湍流流动，在建立数学模型时作以下假设:①烟气为连续流动的不可压缩粘性流体;②由于烟气中粉尘颗粒体积分数小，在不影响传热计算的前提下，忽略粉尘颗粒作用，认为烟气为单相传热;③余热锅炉烟道内传热和流动过程可近似为稳态充分发展的管流［6］.主要控制方程如下:质量守恒方程式中:t为时间，s;ρ为密度，kg/m3;v为速度矢量，m/s.动量守恒方程式中:p为压力，Pa;τ为粘性应力张量，N·m－2;能量守恒方程:式中:E=h－.组分守恒方程:式中:J i=－▽Yi，Di.m为扩散系数，.Sct为湍流施密特数.辐射传递方程式中:r为位置向量;S为方向向量;S'为散射方向; S为射线行程长度;α为吸收系数;n 为折射系数;σs为散射系数;σ为斯蒂芬－波尔兹曼常数;I为辐射强度;T为当地温度;φ为相位函数;Ω'为空间立体角.2.2 边界条件1 )进口边界:进口设定质量流量，进口湍流强度为2.8%，水力直径为2m;2 )出口边界:出口采用压力出口边界条件;3 )壁面条件:设定等壁温壁面，采用无滑移壁面边界.结合热力计算结果，对不同受热面的壁面温度值进行设定［7］.3 数值计算与分析3.1 数值模拟网格划分:由于整体余热锅炉体积较大，故先将其划分为若干块，然后再进行网格划分，并采用易于控制质量的贴体六面体网格对其进行网格划分，共划分出580万个网格.数值求解:余热锅炉在稳定运行时为稳态流动［8］，采用K－e两方程模型，控制方程采用二阶迎风差分格式.近壁面采用壁面函数法，并用SIMPLEC算法求解离散方程.3.2 计算结果及分析图2为余热锅炉中轴截面速度矢量图，从图中可以看出，烟气从入口处进入余热锅炉一段距离后，速度分布逐渐趋向均匀，在辐射室出口处由于锅炉管径变小，速度变大，烟气中的粉尘颗粒大部分沉降于下方灰斗处.在对流换热区中，速度分布较均匀，同时，烟气在近壁面处由于边界层的存在，其速度低于管道中心部位烟气速度.在余热锅炉各弯头部位，烟气速度变化很大.这是由于弯头的阻碍，烟气速度方向突然发生改变产生很大的离心力，对弯管处形成很强的冲击.图2 余热锅炉中心纵截面速度矢量Fig.2 Velocity vector of waste heat boiler 图3为余热锅炉中心截面温度分布，从图中可以看出，余热锅炉内烟气温度场分布相对比较均匀，高温烟气从入口处进入，经过辐射冷却室、高低温蒸发器室、省煤器室温度逐渐降低.辐射冷却室中烟气以辐射换热为主，由于辐射冷却室内的受热面为四周水冷壁，因此温度分布比较均匀.在近壁面处由于温度边界层的存在，烟气温度要低于管道中心处烟气温度.此外，在各弯管出口处，由于速度边界层分离形成了一些低温区，可见，速度分布对温度分布的影响较大.图3 余热锅炉中心纵截面温度分布Fig.3 Tem perature distribution of waste heat boiler3.3 污染系数修正目前我国锅炉热力计算标准中的经验公式和参数图表都有一定的适用范围，国内还没有针对余热锅炉的专用热力计算标准［9］.热力计算是锅炉设计的基本依据，而CFD软件已经广泛应用于工程实际问题中，通过两者计算结果的对比和分析，可以对现有的热力计算中一些参数的选取提供依据，表2为热力计算与数值计算的各段温度的比较.表2 热力计算与数值计算结果Table2 The results of numerical simulation and thermodynam ical calculation位置/℃热力计算烟气温度707 710 709高温蒸发器入口 624 650 629高温蒸发器出口 548 591 560省煤器入口 320 400 351省煤器出口计算结果蒸发器1入口结果数值计算结果修正后数值200 300 258从表2中可以看出，在修正前数值计算的烟气温度均高出热力计算结果40～80℃，在省煤器出口处已经相差100℃.这是因为热力计算中的传热系数、温差等参数的计算是按换热器整体给出的，并在此基础上进行传热量的计算.但是实际过程中，同一截面上的温度分布不均匀，近壁面烟温要低于管道中心烟温，同时，在靠近弯管处温度分布也受到流场的影响而变得不均匀，所以热力计算并不能全面反应烟气在实际过程中的换热情况.而数值模拟能更加真实地反应出烟气流场及温度场变化，所以两者的计算结果有差异.经分析后，发现在数值模拟中，边界条件的设置对计算结果有很大影响，而边界条件的设置是按照热力计算结果给出的，各壁面温度计算公式如表3.表3 各段壁温计算公式Table3 Computing formula of each sector wall temperture名称管壁温度计算公式蒸发器1 T hb=t+ε+1 α ()Q2 3600H 60高温蒸发器T hb=t bh+εq b低温蒸发器和蒸发器2 T hb=t bh+表中:T hb为管壁温度;t为管内工质温度;Q为受热面总传热量;H为受热面积.从表3中的公式可知，在相同工况、相同结构下，污染系数ε对各段管壁温度计算值有影响，其计算公式［10］为式中:K，K0为管壁上有灰垢和无灰垢时的传热系数，kW/(m2·K).在工程计算时，很难得到管壁上有灰垢时传热系数K的准确数值，一般情况下在进行热力计算时污染系数按照经验选取，文中的热力计算时取3.9m2·K/kW.但工程计算中按经验选取的数值往往余量较大，且只能在锅炉实际运行中才能发现问题.同时，根据污染系数取3.9m2·K/kW进行数值模拟，其结果与热力计算相差较大.所以，在对污染系数进行多次取值计算后，结果表明当污染系数取3.0m2·K/kW 时数值计算与热力计算结果较为一致，在高温蒸发器进出处烟气温度相差10℃以内，省煤器进出口温度相差30～60℃.污染系数的修正对蒸发器进出口烟气温度影响较大，这是因为蒸发器段壁面温度计算公式受污染系数影响.而省煤器段壁面温度多按经验选取，并没有统一的计算公式，其进出口烟气温度主要受蒸发器段烟气温度影响.4 结论1 )建立了高炉煤气余热锅炉的三维模型，并用CFD软件对其进行了数值模拟.结果表明，在各段弯管处烟气对壁面冲击较大，运行中磨损较严重，受流场影响温度分布也不均匀.可以考虑通过改变弯管结构，使得温度场流场分布更合理.2 )以热力计算数据作为数值模拟边界条件，通过与数值模拟结果的比较，提出修正热力计算中污染系数的建议，为余热锅炉设计计算提供一定参考.参考文献(References)［1］钟葳，丁晟，宋东根，等.闪速炼铜余热锅炉辐射室流场温度场数值模拟［J］.浙江大学学报:工学版，2012，46(2):321－326.Zhong Wei，Ding Sheng，Song Donggen，et al.Numerical simulation of flow and temperature fields in the radiation chamber of a waste-heat boiler for copper flash smelting［J］.Journal of ZhejiangUniversity:Engineering Science，2012，46(2):321－326.(in Chinese)［2］杨震，刘忠楼，郭琴琴.余热锅炉入口烟道数值模拟［J］.锅炉技术，2007，38(3):1－3，42.Yang Zhen，Liu Zhonglou，Guo Qinqin，et al.Numerical simulation of HRSG inlet duct［J］.Boiler Technology，2007，38(3):1－3，42.(in Chinese) ［3］ Antonio Gomez.Modelling and simulation of fluid flow and heat transfer in the convective zone of a power-generation boiler［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28:532－546.［4］ Mahlia TM I，Abdulmuin M Z，Alamsyah TM I，etal.Dynamic modeling and simulation of a palm waster boiler［J］.Renewable Energy，2003，28(8):1235－1256.［5］吴燕涛，赵谋明，李军.计算流体动力学(CFD)在食品工业中的应用［J］.食品与发酵工业，2006，32 (9):107－111.Wu Yantao，Zhao Mouming，Li putational fluid dynamics forfood industry［J］.Food and Rmentation Industries，2006，32(9):107－111.(in Chinese)［6］王猛.转炉烟道式余热锅炉热力计算及数值模拟［D］.大连:大连理工大学，2012:84－86.［7］王晓瑜.顶吹熔炼炉余热锅炉数值模拟［J］中国有色冶金，2013，42(3):50－53，63.Wang Xiaoyu.Numerical calculation of heat recovery steam generators of top-blown smelting furnace［J］.China Nonferrous Metallurgy，2013，42(3):50－53，63.(in Chinese)［8］杨卫宏，赖亚欣，萧泽强.余热锅炉流场温度场数值计算［J］.中国有色金属学报，2000，10(2):278－281.Yang Weihong，Lai Yaxin，Xiao Zeqiang.Numerical simulation of flow and temperature fields in waste boiler［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2000，10(2):278－281.(in Chinese)［9］郁鸿凌，杜艳艳，葛卫东，等.对干熄焦余热锅炉热力计算中传热系数的探讨［J］.工业锅炉，2009(2): 14－17.Yu Hongling，Du Yanyan，Ge Weidong，et al.Discussion on the heat transfer coefficient in the thermal calculation of CPQ waster-heat boiler ［J］.Industrial Boiler，2009(2):14－17.(in Chinese)［10］赵钦新，周屈兰，谭厚章，等.余热锅炉研究与设计［M］.第1版，北京:中国标准出版社，2010:250－270.。

题目：管式加热炉内燃烧及传热过程的数值模拟研究摘要：管式加热炉是石油化工行业中重要的加热设备，其内部的燃烧和传热过程对设备的性能和效率有着重要影响。

本研究采用数值模拟方法，对管式加热炉内的燃烧和传热过程进行了研究。

通过建立数学模型，考虑了燃料的燃烧、烟气的流动和传热等因素，对管式加热炉内的温度场、速度场和浓度场进行了模拟计算。

结果表明，管式加热炉内的燃烧和传热过程是非常复杂的，受到多种因素的影响。

通过数值模拟，可以深入了解管式加热炉内的燃烧和传热过程，为管式加热炉的设计和优化提供参考。

一、引言管式加热炉是石油化工行业中广泛使用的加热设备，其主要作用是将原料加热到一定温度，以满足后续工艺的要求。

管式加热炉的性能和效率对整个生产过程有着重要影响，因此对其内部的燃烧和传热过程进行研究具有重要意义。

二、数学模型本研究采用数值模拟方法，对管式加热炉内的燃烧和传热过程进行了研究。

建立了管式加热炉内的数学模型，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分守恒方程等。

三、结果与讨论通过数值模拟，得到了管式加热炉内的温度场、速度场和浓度场等参数的分布情况。

结果表明，管式加热炉内的燃烧和传热过程是非常复杂的，受到多种因素的影响。

四、结论本研究采用数值模拟方法，对管式加热炉内的燃烧和传热过程进行了研究。

通过建立数学模型，考虑了燃料的燃烧、烟气的流动和传热等因素，对管式加热炉内的温度场、速度场和浓度场进行了模拟计算。

结果表明，管式加热炉内的燃烧和传热过程是非常复杂的，受到多种因素的影响。

通过数值模拟，可以深入了解管式加热炉内的燃烧和传热过程，为管式加热炉的设计和优化提供参考。

炉温数学建模
炉温数学建模是针对高温产业中的炉温控制问题，使用数学方法建立模型，通过数值计算和优化算法，预测和控制炉温，实现高效、稳定的生产。

炉温数学建模主要涉及的数学知识包括热传导方程、热辐射传热方程、质量守恒方程和能量守恒方程等。

其中，热传导方程描述了热量在物体内的传递过程，热辐射传热方程描述了物体在空气中放射热量的传递过程，而质量守恒和能量守恒方程则描述了物质和能量在物体内的守恒规律。

炉温数学建模也需要考虑实际生产过程中的影响因素，如材料的属性、炉内气氛、燃料的燃烧特性等。

通过建立模型对这些因素进行综合分析和优化调整，可以最大程度地提高生产效率，减少能源消耗和污染排放。

基于炉温数学建模，还可以开展相关的研究和应用，如炉温预测、温度控制算法设计、炉内材料的退化分析等，这些研究成果可以为高温产业领域提供更加准确和有效的技术支持，推动其持续、可持续发展。