往复流多孔介质燃烧换热器热量提取的数值研究

　　0　引　言

　　多孔介质燃烧换热器是指在多孔介质燃烧器内同时布置换热器,使得燃烧器与换热器集成于一体。这种集成的燃烧-换热器具有非常紧凑的结构,比常规的燃烧器的尺寸小10 ~ 15倍,功率调节可达到1∶20[1]。换热器布置在燃烧器的下游,称为单向的多孔介质燃烧换热器,适用于热值较高的燃气。国外研究者对此开展了大量的实验[2-3]和数值研究[4-5],并开发了适用于家庭使用的产品[1]。

　　为了充分回收下游的热量,人们又提出了往复式多孔介质燃烧换热器,即将预混气体的流向实行周期性的换向,以实现最大可能的热量回收。泰国学者Jugjai等[6-7]实验研究了往复流动下的燃烧换热器,并与单向的做了对比。Bingue等[8]在后来的实验研究中,对往复式燃烧换热器做了进一步的研究,考虑了冷却水的流动速度、半周期、输入的热值和填充小球的直径对换热器的效率和污染物排放的影响。研究表明,往复式比单向的燃烧换热器具有更高的热效率(高达80%)和更低的污染物排放(NOx体积分数小于4×10-5)。

　　美国伊利诺斯州大学不仅在单向过滤燃烧方面做了大量的研究工作[9-11],在预混气体往复流动下多孔介质燃烧器和燃烧换热器的开发方面,做了大量的实验和数值研究[12-13]。该团队成员实验研究了逆流燃烧器。在实验的基础上,又开发了实验室规模的多孔介质热水器和锅炉。结果表明,该多孔介质热水器和锅炉可以在当量比为0.15~ 1.00运行,热效率达到80% ~ 90%,而且得到了超低的污染物排放水平,尾气中NOx和CO的体积分数分别低于10-6和5×10-7。该团队成员Contarin等[13]以自己实验室的燃烧器为原型,数值研究了往复流动下的燃烧换热器。Contarin等

　　在燃烧器的两端放置换热器,通过周期性的换向,使得火焰稳定在燃烧器的中间部位。文献[13]没有考虑填充床中混合气体的压力降,同时将气体混合物假设为由反应物和生成物组成,因此无法预测每个气体组分的分布。国内对多孔介质燃烧换热器的研究开展的较晚,只有浙江大学开展了初步的研究[14]。大连理工大学研究了多孔介质中超绝热燃烧[15-16]。对往复式多孔介质燃烧器开展深入的研究,不仅有利于提高我国的用能水平,而且可以减少污染物的排放。本文以实验[12]为原形,对往复式多孔介质燃烧器进行一维双温数值研究,考虑多孔介质的导热,辐射和混合气体的热弥散效应。同时考虑气体流过多孔填充床时的压力降,并通过求解组分方程预测组分的分布,深入探讨多孔介质燃烧器内的燃烧特性,传热和热效率的影响因素,为开发我国特色的多孔介质燃烧换热器提供指导。

　　1　数学模型

　　1.1　控制方程