電廠鍋爐設(shè)計(jì)中的輻射傳熱仿真分析

發(fā)布時(shí)間：2023-06-15 11:11:22

提升電廠鍋爐設(shè)計(jì)熱效率的方法之一是改進(jìn)能量轉(zhuǎn)化過程中最關(guān)鍵的設(shè)備——爐膛。然而，要想有效研究電廠鍋爐的爐膛，工程師必須正確地

提升電廠鍋爐設(shè)計(jì)熱效率的方法之一是改進(jìn)能量轉(zhuǎn)化過程中最關(guān)鍵的設(shè)備——爐膛。然而，要想有效研究電廠鍋爐的爐膛，工程師必須正確地解釋輻射特性，而輻射很難進(jìn)行解析求解，實(shí)驗(yàn)研究也很昂貴。COMSOL Multiphysics? 軟件是一個(gè)可選方案，我們可以借助它分析電廠鍋爐爐膛內(nèi)的輻射傳熱，并借此改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

研究爐膛輻射，優(yōu)化電廠鍋爐設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)發(fā)電廠和其他廠房的鍋爐時(shí)，找到能延長設(shè)備壽命、提高熱效率并減少污染物排放的方法具有重要的意義。例如優(yōu)化大型發(fā)電廠鍋爐的性能便是一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域。今天，我們將重點(diǎn)探討鍋爐的一個(gè)設(shè)計(jì)元素：爐膛。在爐膛內(nèi)，化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為熱能，這一過程的能量轉(zhuǎn)化效率會(huì)直接影響到鍋爐的熱效率。

一臺(tái)已報(bào)廢的、帶有兩個(gè)燃煤爐膛的蘇格蘭船用鍋爐。圖像由 Andy Dingley 自行拍攝，已獲 CC BY-SA 3.0 許可，通過 Wikimedia Commons 共享。

輻射是鍋爐內(nèi)的主導(dǎo)傳熱機(jī)制，因此在研究這些裝置時(shí)，必須準(zhǔn)確地解釋諸如燃燒室爐壁上的輻射熱通量等輻射特性。輻射難以預(yù)測，它自身的復(fù)雜性和對爐膛外殼幾何的依賴性意味著解析求解的方法只適用于十分簡單的問題。此外，爐膛外殼的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮靸r(jià)很高。

作為替代方案，工程師可以通過構(gòu)建數(shù)值模型正確地分析爐膛外殼，并評估其熱效率。在下一節(jié)中，我們將介紹專用于研究電廠鍋爐爐膛內(nèi)的輻射傳熱的模型設(shè)計(jì)案例。

模擬電廠鍋爐，計(jì)算輻射傳熱

首先，我們觀察一下電廠鍋爐模型的內(nèi)部。它內(nèi)含五個(gè)極薄的障礙物，這一構(gòu)造考慮到了現(xiàn)實(shí)情況：電廠鍋爐內(nèi)常常裝有薄薄的障礙物，比如爐膛內(nèi)懸掛的圍板。在仿真中，我們將障礙物模擬為厚度為零的擋板，目的是減少網(wǎng)格，降低計(jì)算成本。每個(gè)障礙物都包含一種輻射-吸收介質(zhì)。在這些表示過熱器圍板的擋板四周，包圍著模型的三維外殼，它們充當(dāng)了電廠鍋爐的燃燒室和爐壁。

電廠鍋爐模型中的障礙物。

在做出假設(shè)時(shí)，我們借鑒了 P.J. Coelho、J.M. Goncalves 和 M.G. Carvalho 的現(xiàn)有研究成果，論文標(biāo)題為“在帶障礙物的殼體內(nèi)模擬輻射傳熱”（模型文檔中的參考文獻(xiàn) 1）。針對體積和表面層區(qū)域內(nèi)，模型的主要假設(shè)使用了現(xiàn)有的溫度和特性，如下表所示。

為了求解模型，我們使用了離散坐標(biāo)法（discrete-ordinates method，簡稱 DOM）。此方法十分適合求解光學(xué)厚度適中的腔體內(nèi)部的輻射吸收和散射問題。我們利用 S4 DOM 計(jì)算爐膛內(nèi)入射輻射強(qiáng)度的分布和殼體側(cè)壁上的向外輻射熱通量。最后，我們使用了一組 24 個(gè)離散方向來表示輻射強(qiáng)度的傳遞情況。

關(guān)于如何構(gòu)建模型的更多細(xì)節(jié)，包括輻射傳遞方程（radiative transfer equation，簡稱 RTE）的使用、邊界條件和在模型中使用的不同物理量，請參考模型文檔。

預(yù)測爐膛內(nèi)的溫度和熱通量

使用上文描述的模型，我們可以很容易獲得爐膛內(nèi)部和表面的輻射熱通量特性，并計(jì)算參與介質(zhì)內(nèi)的輻射強(qiáng)度。根據(jù)下圖可以發(fā)現(xiàn)，入射輻射強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在介質(zhì)溫度和吸收系數(shù)的最高點(diǎn)處（鍋爐的燃燒器標(biāo)高）。