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燃气采暖热水炉排烟罩烟气流动仿真分析
admin      2013-12-26 13:36     来源:中国壁挂炉网     浏览量:470

    摘 要:燃气采暖热水炉的排烟罩结构直接关系到燃气采暖热水炉的换热效率及其烟气排放状况,故研究燃气采暖热水炉排烟罩内的烟气流动可以直接有效的帮助我们进行排烟罩结构设计。

本文是基于三种不同的燃气采暖热水炉排烟罩模型,利用CFD软件对其内部的烟气流动进行了数值模拟,对排烟罩内部的烟气流动特性进行了计算分析。并与实际测试结果进行对比验证。

关键字:燃气采暖热水炉排烟罩结构;烟气流动;数值模拟;

 

0 引言

燃气采暖热水炉的在国内供暖方式占有相当大数量,平衡式燃气采暖热水炉一直是各个厂家的主打产品。在市场上,平衡式燃气采暖热水炉也是百花齐放、种类繁多,有强制排气,强制给气,风机摆放位置,也不尽相同。然而燃气采暖热水炉作为一个耗能产品,除了安全、舒适等要求外,高能效,烟气排放等是衡量燃气采暖热水炉的重要标准。排烟罩作为燃气采暖热水炉换热系统的一个重要组成部分,其烟气导流板的形状、结构直接决定了燃烧室内部气流的走向,从而影响了主换的换热效率。

平衡强排式燃气采暖热水炉的排烟系统中,如图1所示,风机抽风入口处在主换热器上方,且位置比较近,如果在风机直对着主换热器中间不采用烟气导流板的情况下,将导致几个方面问题:1、没有最大限度的利用主换热器翅片的换热效率,导致烟气温度高、热能损失,能源的浪费;2、影响燃烧器的空气流向,以及燃气与空气的混合燃烧,导致烟气排放高的问题。因此一个好的烟罩结构应具备良好的排烟、烟气导流功能,而非简单的排烟。

以下本文以平衡强排式燃气采暖热水炉的设计作为例子,论述利用仿真学软件CFD软件,进行分析研究,力求找出最优的排烟罩结构。可以大大的减少研发的成本投入,以及提高研发工程师的研发效率。

 

1 数学模型

由于排烟罩内部结构较大,径宽比较小,初步计算其雷诺数Re<1000,故排烟罩内部的气流流动属于层流流动。计算中的主要方程为:

1.1 连续方程

div(ρU)=0

式中U是速度矢量,其在x、y、z方向上的分量分别为u、v、w,即U=(u,v,w)。

1.2动量方程

式中Su,Sv,Sw为动量方程的广义源项,其表达式如下:

 

2 边界条件分析

本文的研究对象是排烟罩内部的气流流动情况,故烟气在排烟罩内的流动可以看做是内流。 

壁面边界条件:固体壁面均采用无滑移边界条件。

入口边界条件:由于研究对象为平衡式燃气采暖热水炉,燃气采暖热水炉内部压差近似于大气压压差,故入口边界条件取压力进口:P=101700Pa

出口边界条件:排烟罩出风口处为风机抽风,使用35W风机,已知风机风速及流量,由于风机风速在排烟罩出风口处分布不均,故取出口边界条件为流量出口:V=0.045332m³/s。

 

3 计算工况

实际工况中,排烟罩中流体为烟气,烟气温度在393K左右。在计算过程中,由于无法测量烟气的各项物理参数,故取空气进行计算,空气在393K时的物理参数如下:

密度:=0.0664

动力粘性系数: =0.0117

 

4 计算模型

本文是针对排烟罩的结果进行着重分析。如下图所示,简化了整个排烟罩模型,通过分析主换热器的上平面(基准面1)的气流分布情况以及实际测试结果来判断排烟罩的结构是否合理,计算区域为整个排烟罩内部。由于排烟罩的外形尺寸为固定尺寸,不易更改,故本文对排烟罩内部的阻流板形状进行了更改,分析对比了三种不同的阻流板情况下的烟气流动状况。

5 计算结果

在计算过程中,给定入口和出口条件,将各个面设置为固壁面,并在进出口位置添加端盖,采用CFD软件对排烟罩内的流体流动进行了数值计算。下图为三个模型在主换平面上的气流流速分布图。

 

从上图模拟结果可知:

模型一:Vmax=1.818m/s,Vmin=0.134m/s,速度>1.5m/s及速度<0.25m/s的区域较小,大部分区域速度集中在0.25~0.75m/s的区间内,且速度分布比较均匀。整体从右至左,速度是呈先递增再递减的趋势。

模型二:Vmax=1.838m/s,Vmin=0.117m/s,同模型一的速度分布类似,但是Vmax与Vmin的差值较大,且速度>1m/s的区域所占比列比模型一的大。

模型三:Vmax=1.784m/s,Vmin=0.105m/s,速度>1.5m/s及速度<0.25m/s的区域面积在三个模型中最大,高速区域同低速区域都位于中间位置,严重影响了速度的分布的均匀性。

 

6 实际测试结果

在实际测试时,我们选用了一台24kW板换机型,使用1m同轴烟囱,在相同的室内环境、满负荷工况(回水温度设定60℃,出水温度设定80℃)下,分别使用上述三种排烟罩模型进了测试。

 

7 理论分析

我们可以通过热量计算公式,计算出上述实验中通过热交换器的水达到设定温度所需的热量,来计算出理论状态下所需烟气的体积。

Q=C1M1△T1=C1ρ1η1△T1=ηC2ρ2η2△T2

C1:水的比热容,4.2kJ/kg·℃

ρ1:水的密度,1kg/L

V1:水的容量,实际测试中水流量是960L/h=0.267 L/s

△T1:水的温差,20℃

η:烟气热量转换为水热量的效率,在燃气采暖热水炉内部换热的主要方式是对流换热和辐射换热,对流换热所占的比例为80%,热交换器的换热效率为80~90%,故取(80~90)/80%

C2:1000℃时烟气的比热容,取1.185kJ/kg·℃

ρ2:1000℃时烟气的密度,取1.24kg/m3

△T2:烟气的温差,800℃

可求得完成换热所需烟气的体积为V2=0.017~0.019m3/s,要保证每秒钟有0.017~0.019m3的烟气流经主换,并且进行换热。那么对于上述我们测试使用的机型,烟气通过主换平面的速度需要达到0.313m/s,所以在排烟罩结构设计时,我们需要尽量保证流经主换平面的烟气流速不小于此速度。但是当烟气流速过快时,又会使燃烧腔内空气的流速加快,从而影响到燃烧的工况,反而会影响到燃烧效率和烟气状况。

故我们还需要配合燃气采暖热水炉的燃烧工况来确定一个烟气流速的上限值,这是我们下一步所要进行的工作。

 

8 结论

综合以上对比计算结果、模拟结果和实验结果,我们可以得出以下结论:

1、当排烟罩内部流经主换平面的烟气速度大部分或者全部不小于计算数值时,换热效率高。

2、当排烟罩内部流经主换平面的烟气速度分布比较均匀时,换热效率高。

3、当排烟罩内部的烟气流速大于一定的数值时,会影响到燃烧器的燃烧工况,反而会降低燃烧效率,并且造成较恶劣的烟气排放。

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