蜂窝陶瓷蓄热体的温度场研究

第５０卷第５期　Ｖ０１．５Ｏ　Ｎｏ．５　农业装备与车辆工程　ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　２０１２年５月　Ｍａｖ　２０１２　

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—３１４２．２０１２．０５．００１　

蜂窝陶瓷蓄热体的温度场研究　

董敏，王延遐　

（２５５０９１山东省淄博市，山东理工大学交通与车辆工程学院）　

［摘要］基于煤矿乏风热逆流氧化试验，建立该试验装置的关键部件一蜂窝陶瓷蓄热体的传热模型，对工作状态　下陶瓷蓄热体的温度场进行了仿真，分析了蓄热体的孔隙率、孔型和操作参数对蓄热体温度的影响规律。结果　表明：随着孔隙率的增大，蓄热体蓄热时间变短，蓄热速率增大；在材质和孔隙率一定的情况下，六方孔型蓄热体　蓄热速率要大于四方孔型蓄热体；随着气体入口流速的增加，蓄热体的蓄热速率增大，蓄热时间降低。　［关键词】蜂窝陶瓷；蓄热体；数值模拟；温度分布　［中图分类号］ＴＫ１２４　［文献标志码］Ａ　［文章编号］１６７３—３１４２（２０１２）０５—０００１—０４　

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ　Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ　

ＤＯＮＧ　Ｍｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｙａｎ—ｘｉａ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｉｂｏ　Ｃｉｔｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　２５５０４９，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｃｅｒａｍｉｃ　ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｓ　ａ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｏａｌｍｉｎｅ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ａｉｒ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｓｅｒｆ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｒｅｖｅｒｓｅ－ｆｌｏｗ　ｒｅａｃｔｏｒ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｂｅｄ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ　ｃｅｒａｍｉｃ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｈｅａｔ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔｉｍｅ　ｉｓ　ｓｈｏｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｐｏｒｏｓｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｈｅｘａｇｏｎａｌ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｈｅａｔ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｒａｔｅ　ｉｓ　ｆａｓｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｓｑｕａｒｅ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ｏｎｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ａｉｒ　ｍｅｔｈａｎｅ　ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ．ｈｅａｔ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．　［Ｋｅｙｗｏｒｄ］ｃｅｒａｍｉｃ　ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ；ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　

Ｏ引言　

通风瓦斯俗称“乏风”．是指甲烷浓度低于　

０．７５％的煤矿瓦斯。甲烷是一种温室气体，以１００ａ　

计甲烷的温室效应是ＣＯ　的２１倍，对大气臭氧层　的破坏能力为ＣＯ：的７倍［　］。煤矿乏风瓦斯风排　

量巨大、浓度低、难以利用，针对这种情况，山东理　工大学研究开发了煤矿乏风瓦斯氧化装置，用以　

治理和利用矿井乏风瓦斯。将瓦斯进行氧化产生　

热能，用于热、电、冷的联供　］。矿井乏风氧化装　置利用热逆流氧化技术。使乏风中的低浓度甲烷　

在高温下氧化并放出热量，减少温室气体的排放，　

具有环保和节能的双重意义。　蜂窝陶瓷蓄热体是煤矿乏风瓦斯氧化装置的　

核心部件，其作用是作为蓄热床体交替储存和释　放热量，并与气体之间进行热交换，因此蜂窝陶瓷　

收稿日期：２０１２－０１—２９　基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３）重点项目资助项目（２Ｏ　０９ＡＡ０６３２０２），山东省自然科学基金资助项目（ＺＲ２００９ＦＱ０２３，　ＺＲ２０１　１ＥＬＯ１７）。　蓄热体的形状、尺寸、材质对其流动和传热过程有　

很大影响　］．其换热效果的好坏直接影响系统运　行的稳定性和经济Ｉ生。但至今为止还没有针对常　

见蜂窝陶瓷的几何结构及操作参数等对其传热性　能的影响进行细致的研究，很难直接指导工业设　

计。因此，本文在山东理工大学搭建的蜂窝陶瓷换　

热特性试验台的基础上，利用数值计算方法，对蓄　热体在工作过程中的温度场分布情况进行了数值　

计算。对于提高蓄热式换热技术的蓄热、放热效　

率．为工业生产提供直接设计依据具有重要的指　导意义。　

１计算模型的建立　

１．１物理模型　目前常见的蜂窝体结构有：圆通道、方形通　

道、正六边形通道和三角形通道等几种，如图１所　

示。本文选取了３种常用的圆孔型、方孔型和正六　边孔型蓄热体进行了模拟计算。计算中选用的蜂　

窝陶瓷蓄热体结构参数表１所示。

　２　农业装备与车辆工程　２０１２正　

口　盔液　

正方形蜂窝体三角形蜂窝体圆管形蜂窝体正六边形蜂窝体　图１常见蜂窝陶瓷的几种几何结构　

表１蜂窝陶瓷蓄热体参数　

孔型　材质　壁厚／ｍｍ　孔隙率　孔边长／ｍｍ　

１－２数学模型　在矿井乏风氧化装置的蜂窝蓄热体内。气体　

为三维非稳态流动．同时存在３个不同的换热过　程，即气体内部的导热过程、蜂窝体与气体间的对　

流换热过程和蜂窝体内部的导热过程。为简化起　

见．假定：　（１）忽略气体在通道内的辐射换热。　

（２）蜂窝陶瓷蓄热体的表面积及质量分布是　均匀的。　

（３）忽略了蓄热体垂直流体流动方向的热传　导。认为垂直流体流动方向的各横截面的温度分　布是均匀的。　

基于上述物理模型及相关假设，蜂窝蓄热体　

内流动及换热控制方程组可表示为　：　

・（ｐ　）＝０　（１）　

＋Ｕ．ｖ（ｐ　）：一ＶＰ＋／ｚＶ　Ｊｓ　（２）　

＋Ｖ・ｑ，ｕｒ）＝Ｖ・（　）＋　（３）　

Ｐ－－－ｐＲ　Ｔ　（４）　

：ｖ．（　Ｖｒ）　（５）　ｕ　式中，ｔ——时间；￡『＿一气体速度矢量；　气　

体压力；　温度；ｐ——气体的密度；　气　

体动力粘度；Ａ——气体导热系数；Ｃ　——名　扛等　

压比热容；　——气体常数；　——蜂窝蓄热体密　

度；Ａ　——蜂窝蓄热体导热系数；Ｃ　——蜂窝蓄　热体等压比热容；　动量方程的广义源项；　

由于粘性作用机械能转化为热能的部分，　

称为耗散函数。　１．３边界条件　

蜂窝体外壁面采用绝热边界条件，蓄热体与　气体接触的内壁边上的热边界条件由热量交换过　

程动态地加以决定而不能预先规定，属于耦合传　

热问题，设置为耦合边界条件。　蓄热体一个周期由蓄热和放热两个阶段组　

成．由于本文是针对蓄热体的换热实验进行的仿　真计算［４］，因此高温烟气与低温空气时都是在同　

一端通人。两个阶段进口均设为速度人口，出口均　

设为压力出口边界。烟气进口温度设为１０００￣Ｃ，空　气进口温度设为２７℃，表观流速为０．６ｍ／ｓ。　

初始条件，蓄热过程中蜂窝陶瓷及气体温度　

初始值Ｔｏ＝２７℃。气体初始速度为０，初始压力为　

０Ｐａ。　由于流过蓄热体的烟气和空气物性相近，在　计算过程中都采用空气作为传热介质。蜂窝蓄热　

体的密度和比热不随温度变化。计算过程中分别　

采用莫来石和堇青石两种材质。气体和蓄热体的　物性参数见表２和表３。　

表２气体的物性参数　

２结果与分析　

在沿蓄热体长度方向选取３个测点，这３个　测点分布于蓄热体的前端、中间和后端，代表不同　

断面的蓄热体的温度，通过记录３个测点的温度　

值，来分析蓄热体内温度的变化情况。　２．１孔隙率对蓄热体温度的影响　

在操作参数和其他宏观结构参数一定的情况　

下，蓄热体孔隙率的不同会对其传热性能产生影　

响。为了研究不同孔隙率下对蜂窝陶瓷蓄热体传　

热性能的影响，将对两组不同孔隙率下蓄热体的　

温度分布情况进行数值计算，第一组采用孔型为　Ｈ　＂５　３　２　Ｊ＂Ｊ　％％％％％％％％％％　卯鼹∞　卯卯　石石石石石石石石石石　来来来来来来来青青青　莫莫莫莫莫莫莫堇堇堇　一一一吼吼觋一一一一　。　。４　６　。　

ｍ　第５Ｏ卷第５期　董敏等：蜂窝陶瓷蓄热体的温度场研究　３　

六方孑Ｌ的蓄热体１、２、３，第二组采用孔型为圆孔　

的４、５、６号蓄热体。为了更好地比较不同孔隙率　对蓄热体温度的影响，取蓄热体三个测点温度的　

平均值作为蓄热体蓄热、放热过程的一个直观比　

较，两组计算结果如图２和图３所示。　

时间，ｓ　图２不同孔隙率蓄热体温度随时间的变化　

时Ｉ＇Ｂｑ／ｓ　图３不同孔隙率蓄热体温度随时间的变化　

从以上两图可看出．在相同的操作参数下，不　

同孑Ｌ隙率蓄热体的蓄、放热速率是不同的。由图２　

分析得知．３种蓄热体在蓄热前期的时间都约为　５００ｓ。达到了７００％左右，而且升温速率大体是一　

致的。在达到７００％以后。三者进入蓄热后期，蓄热　

体１最高温度达到ＩＯ００￣Ｃ。蓄热后期的时间约为　１４００ｓ：蓄热体３蓄热后期的时间约为ｌＯ００ｓ，比蓄　

热体１的时间短．最高温度也大约在９７０％左右；　蓄热体２蓄热后期时间最短。大约在６００ｓ，最高温　

度大约在９５０￣Ｃ。观察第二组蓄热体温度随孔隙率　的变化规律是相似的。　

综合以上两图分析可知。不同孑Ｌ隙率下蓄热　

体的蓄热速率是不同的，随孔隙率的增大，蓄热后　期时间越短。蓄热速率越大。在蓄热前期和放热　期，孔隙率对蓄热体温度变化影响不明显。这是由　

于蓄热体孔隙率越大，在相同体积下，蓄热体的蓄　热能力降低。但气体在通道内的流通性增强，所以　

出现了上两图中随孔隙率增大。蓄热体蓄热速率　

增大的结果。　２．２孔型对蓄热体温度的影响　

蓄热体孔隙率在数值上等于孑Ｌ道的孔径与孔　边长的平方比．所以蓄热体孔型的改变会引起蓄　

热体孔隙率的变化。在上两图中分析了蓄热体孑Ｌ　

隙率对其温度的影响规律。下面将通过计算分析　孔型对蓄热体温度的影响。计算过程中采用两组　

同种材质和孔隙率的不同孔型蓄热体进行计算分　析。第一组材质为莫来石的蓄热体３（六方孔）和　

蓄热体７（四方孔）；第二组材质为堇青石的蓄热　

体８（六方孑Ｌ）和蓄热体９（四方孔）。两组蓄热体的　

计算分析结果如图４（ａ）和图４（ｂ）所示。　

组一　

（ａ）莫来石质蓄热体温度变化　组二　

时间Ｉｓ　（ｂ）堇青石质蓄热体温度变化　图４不同孔型蓄热体温度随时间的变化　

从两组蓄热体的计算结果分布曲线可看出，　不管是莫来石质还是堇青石质，在孑Ｌ隙率一定的　情况下，不同孔型的蓄热体在蓄热期内升温速率　

是不同的。通过对四方孔和六方孔型蓄热体的对　

比分析得出。在蓄热前期两者的蓄热速率几乎是　

一致的，在蓄热后期六方孔蓄热体蓄热速率略大　

于四方孔蓄热体，两组中两种蓄热体的温度最高　约达到１０００％。在放热期内，第一组中两种蓄热体　

达到室温的时间都约为５００ｓ。第二组中达到室温　

的时间都约为８００ｓ。通过分析可看出，放热期内两　

组中两种蓄热体的放热速率几乎是一致的。　在材质和孑Ｌ隙率一定的情况下，四方孔蓄热体