规则排列下单缺位空穴对颗粒堆传热的影响研究

发布时间：2020-09-28 17:10

　　 我国工业领域中高温固体物料蕴藏着巨大的余热,若这些能量能够有效地利用对降低能耗、提高能源利用率具有积极推动作用。在高温固体物料余热回收过程中,由于固体物料具有形状不规则、表面粗糙、流动性差的特点,导致颗粒之间的相互摩擦与挤压碰撞会产生空穴,空穴的存在增加了颗粒堆的传热热阻,降低了余热回收效率。与此同时,由于颗粒的不规则运动,空穴随之出现不规则变化,空穴的数量具有不确定性,位置具有随机性,形状具有不规则性,这增加了高温固体颗粒传热研究的难度。本文基于一次换热的余热回收方法,以存在单缺位空穴的颗粒堆为研究对象,利用Fluent软件对颗粒堆传热特性进行了数值模拟研究。文章建立了简单立方堆积下存在单缺位空穴的颗粒堆传热模型,并对所建传热模型进行了独立性验证,利用自行搭建的颗粒堆传热实验台对传热模型进行了可用性验证。计算并分析了单缺位空穴的存在对其周围颗粒层传热的影响机制,系统地研究了颗粒特性参数(导热系数、粒径)及颗粒堆特性参数(颗粒堆温度梯度、颗粒间接触面积系数)对存在单缺位空穴颗粒堆温度场等传热特性的影响规律,主要研究成果如下:(1)通过计算并分析基本工况发现:缺位空穴的存在使颗粒堆传热性能降低,并且距离缺位空穴位置越近,颗粒层温度场和热量场波动变化越明显;缺位空穴周围的热量传递方式主要包括:垂直于主热流方向(沿X传热方向)的固/固导热、平行于主热流方向(沿Y传热方向)的固/固导热、通过气/固接触面的气/固导热及辐射传热,其中沿Y传热方向的固/固导热为主导传热方式;缺位空穴存在时,相较于无缺位空穴工况,壁面总传热量减小0.63%,壁面固相传热贡献度增加0.0006%,颗粒堆整体表观热阻增加0.71%;X方向上,缺位空穴对其左、右两侧的传热影响区域相等,均为1.79倍粒径,Y方向上,缺位空穴对其上游的传热影响区域为4.03倍粒径,对其下游的传热影响区域为3.81倍粒径。(2)随着缺位空穴的位置由冷壁面向热壁面移动,缺位空穴的传热影响区域随着缺位空穴一起移动;颗粒堆与热壁面间总传热量呈现先减小后不变最后增加的变化趋势,壁面固相传热贡献度不变,颗粒堆表观热阻呈现先增加后不变最后减小的变化趋势。在缺位空穴中心距离冷壁面2.81倍粒径的范围内,缺位空穴的存在会对颗粒堆同冷壁面的传热产生影响,在缺位空穴中心距离热壁面2.94倍粒径的范围内,缺位空穴的存在会对颗粒堆同热壁面的传热产生影响。(3)随着固相颗粒的导热系数由0.5 W/(m·K)增至50 W/(m·K),颗粒堆与热壁面间总传热量由0.43W增至36.95W,壁面固相传热贡献度由72.24%增至99.53%,颗粒堆整体表观热阻由863.58℃/W降至10.15℃/W。缺位空穴在X方向的传热影响区域由0.61倍粒径增至1.82倍粒径,在空穴位置的上游传热影响区域由1.61倍粒径增至3.91倍粒径,在空穴位置的下游传热影响区域由1.69倍粒径增至3.93倍粒径。(4)随着固相颗粒粒径由5.36mm增至23.04mm,颗粒堆与热壁面间总传热量由11W增至47.37W,壁面固相传热贡献度由99.41%降至99.37%,颗粒堆整体表观热阻由34.08℃/W降至7.92℃/W。缺位空穴在X方向的传热影响区域由1.81倍粒径降至1.79倍粒径,在空穴位置的上游传热影响区域由4.06倍粒径降至4.01倍粒径,在空穴位置的下游传热影响区域由3.84倍粒径降至3.79倍粒径。(5)随着颗粒堆温度梯度由175℃增至975℃,颗粒堆与热壁面间总传热量由16.28W增至70.78W,壁面固相传热贡献度由99.63%降至97.91%,颗粒堆整体表观热阻由10.75℃/W增至13.78℃/W。缺位空穴在X方向的传热影响区域由1.83倍粒径降至1.71倍粒径,在空穴位置的上游传热影响区域由3.94倍粒径增至4.16倍粒径,在空穴位置的下游传热影响区域由3.94倍粒径降至3.48倍粒径。(6)随着颗粒间接触面积系数由0.062增至0.234,颗粒堆与热壁面间总传热量由27.76W增至39.83W,壁面固相传热贡献度由98.94%增至99.69%,颗粒堆整体表观热阻由13.51℃/W降至9.41℃/W。缺位空穴在X方向的传热影响区域由1.81倍粒径降至1.75倍粒径,在空穴位置的上游传热影响区域由4.09倍粒径降至3.95倍粒径,在空穴位置的下游传热影响区域由3.86倍粒径降至3.67倍粒径。
【学位单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK124
【部分图文】：

图 1.2 我国余热资源结构图Fig.1.2 Structural chart of waste heat resources of China我国工业能耗占总能耗的 70%以上，其中至少 50%转化为载体不同、温度不同的工业余热，我国的余热资源结构如图 1.2 所示。余热资源可分为气相余热、液相余热及固相颗粒余热。在气相和液相余热利用方面，高、中、低温的

（a）钢渣 （b）煅后焦 （c）兰炭 （d）冶金焦图 1.3 典型固体物料Fig.1.3 Solid particle在高温固体物料余热回收过程中，由于固体物料具有形状不规则、表面粗糙、流动性差的特点，导致颗粒之间的相互摩擦与挤压碰撞会产生空穴，空穴

缺位空穴实现形式Fig.2.4 Experimental material Fig.2.5 Realization form of vacancy本实验系统的实验物料选用直径为 16mm、长度为 300mm 的圆钢（如图2.4 所示），材料代号为 Q235。同时为了模拟颗粒间的热阻从而更好的接近实际情况下颗粒间的传热，遂将实验物料沿周向每间隔 90o磨去 0.5mm 以保证实验物料之间实现面接触，并且满足物料间接触面积系数为 0.121。本文主要研

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本文编号：2829038