氧气浓度与定向表面结构对自预热辐射管温度均匀性的作用机制研究
批准号:
51704072
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
伊智
依托单位:
学科分类:
E0415.资源循环利用
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
李国军、刘慧、王成立、张效鹏、王晓东、杨晓晰
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中文摘要
自预热辐射管是一种重要的间接加热设备。针对目前该设备普遍存在的换热效率低及辐射管表面温度均匀性差等问题,本项目提出富氧燃烧式自预热定向辐射管。其技术创新之处在于烟气再循环的结构形式及辐射管的定向辐射表面结构。项目围绕氧气浓度-火焰-辐射管温度分布之间的关系开展深入的机理研究。通过研究氧气浓度对最高燃烧温度及火焰稳定性的影响规律,寻找合理的氧气浓度范围。通过分析定向辐射表面结构形式对边界热流分布的作用机制,探寻有效的定向表面结构。通过实验和数值模拟相结合的方式揭示定向辐射表面结构和位置,以及氧气浓度对辐射管表面温度均匀性的影响规律。在机理研究过程中,申请者拟自主开发多场耦合的热过程数学模型,着重考虑气体非灰辐射特性,及湍流燃烧与辐射传热的耦合作用(TRI)。本研究结果可为自预热辐射管的设计及操控提供理论指导,也可弥补商业软件在传热机理方面的不足。
英文摘要
Self-recuperative radiant tube is an important indirect heating device. In consideration of the problem of the low heat recovery efficiency and the poor radiant tube surface temperature uniformity, the self-recuperative directional radiant tube structure by oxy-fuel combustion way is proposed in the project. Its technological innovation lies in the structural form of flue gas recirculation and the directional radiation surface structure of the radiant tube. Mechanism research on the oxygen concentration-flame- radiant tube temperature distribution will be carried out in the project. By exploring the effect of oxygen concentration on the maximum combustion temperature and flame stability, a reasonable range of oxygen concentration will be obtained. By exploring the effect of the directional radiation surface structure on the boundary heat flux distribution, an effective directional surface structure will be obtained. The relationship to oxygen concentration, directional radiation surface position, and the uniformity of radiant tube surface temperature will be investigated by means of experiment and model. In the process of mechanism research, a multi-field coupling thermal process mathematical model will be developed independently by the applicant. The model would take into account the non-gray radiation characteristics of gas, and the coupling effect of turbulent combustion and radiation heat transfer (TRI). The results of this study can provide theoretical guidance for the design and operation of self-recuperative directional radiant, and can also make up for the shortage of commercial software in heat transfer mechanism.
自预热燃烧-加热装置是一种重要的间接加热设备,它由自预热燃烧器和辐射管两部分组成。间接加热可有效避免物料加热过程中氧化、脱碳等缺陷,而相对于电炉,其生产成本又较低,因此,该设备被广泛应用于金属热处理、钢坯加热等工艺环节。目前,该设备主要存在两方面问题,一是换热器热效率低,导致热损失多、能耗大;二是辐射管表面温度不均匀,导致加热质量差、辐射管热应力大、寿命短。为解决这两方面问题,本项目提出基于富氧燃烧技术与定向辐射技术的新型自预热燃烧-加热系统,并围绕该系统的热工及结构开展深入研究。主要包括:(1)对灰气体加权和模型进行改进,扩大浓度比使用范围,使模型适用于富氧燃烧工况。同时考虑气体温度变化对浓度的影响,以及烟灰对气体辐射特性的影响,从而提高了模型精度。(2) 提出适用于富氧条件下的非灰-TRI耦合计算模型,并开发了圆柱轴对称坐标系下CH4湍流扩散燃烧程序。本程序具有更高的精度及更广泛的适用性(适于CO2和H2O比例变化情况),弥补了CFD商业软件的不足。(3) 通过模拟风管加热实验探寻氧气浓度对炉内温度场的影响,并以炉子热效率最高为目标,寻找最佳的氧气浓度。结果表明,在燃料量及O2量不变时(通过改变N2或CO2量来改变O2浓度),O2浓度为0.45的O2/CO2氛围是最好的选择。(4) 通过热工计算设计开发了适用于富氧燃烧的新型自预热燃烧器。(5) 构建新型自预热燃烧-加热系统,分析氧气浓度对辐射管温度均匀性的影响,从而获得最佳氧气浓度。结果表明,O2浓度为0.5时,辐射管温度均匀性最好。(6) 考察不同形式的辐射管温度分布,从而获得最佳表面结构形式。结果表明,辐射管尾部为波纹管形式时,表面温度均匀性最好。研究过程中,共发表SCI检索文章5篇,申请发明专利2项,培养研究生4名,本科生10名。这些成果是更快更好地向企业推广新型自预热燃烧-加热系统的有力支撑。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Study of the non-gray-TRI effect on the turbulent methane combustion under O-2/CO2 atmosphere
O-2/CO2气氛下甲烷湍流燃烧非灰-TRI效应研究
DOI:10.1016/j.applthermaleng.2017.11.045
发表时间:2018
期刊:Applied Thermal Engineering
影响因子:6.4
作者:Yi Zhi;Su Zhenggang;Yang Qiangda;Li Guojun;Zhang Weijun
通讯作者:Zhang Weijun
DOI:https://doi.org/10.1080/13647830.2020.1739335
发表时间:2020
期刊:Combustion Theory and Modelling
影响因子:--
作者:Liu Hui;Kang Liusheng;Yi Zhi;Yang Xiaoxi;Wang Duo
通讯作者:Wang Duo
Investigation of flame characteristic in porous media burner with pores step distribution in radial direction
径向孔隙阶梯分布多孔介质燃烧器火焰特性研究
DOI:10.1080/13647830.2020.1739335
发表时间:2020-03
期刊:Combustion Theory and Modelling
影响因子:1.3
作者:Liu Hui;Kang Liusheng;Yi Zhi;Yang Xiaoxi;Wang Duo
通讯作者:Wang Duo
Modeling and determination of total heat exchange factor of regenerative reheating furnace based on instrumented slab trials
基于仪表化板坯试验的蓄热式加热炉总换热系数建模与确定
DOI:10.1016/j.csite.2021.100838
发表时间:2021-01-19
期刊:CASE STUDIES IN THERMAL ENGINEERING
影响因子:6.8
作者:Ji, Wenchao;Li, Guojun;Yi, Zhi
通讯作者:Yi, Zhi
Chebyshev collocation spectral method for radiative transfer in participating media with variable physical properties
具有可变物理性质的参与介质中辐射传输的切比雪夫搭配谱方法
DOI:10.1016/j.infrared.2017.11.004
发表时间:2018
期刊:Infrared Physics & Technology
影响因子:3.3
作者:Li Guo-jun;Wei Lin-Yang;Li GJ
通讯作者:Li GJ
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