电厂锅炉设计中的辐射传热仿真分析

Caty Fairclough 2017年 3月 6日

提升电厂锅炉设计热效率的方法之一是改进能量转化过程中最关键的设备——炉膛。然而,要想有效研究电厂锅炉的炉膛,工程师必须正确地解释辐射特性,而辐射很难进行解析求解,实验研究也很昂贵。COMSOL Multiphysics® 软件是一个可选方案,我们可以借助它分析电厂锅炉炉膛内的辐射传热,并借此改进产品设计。

研究炉膛辐射,优化电厂锅炉设计

在设计发电厂和其他厂房的锅炉时,找到能延长设备寿命、提高热效率并减少污染物排放的方法具有重要的意义。例如优化大型发电厂锅炉的性能便是一个热门的研究领域。今天,我们将重点探讨锅炉的一个设计元素:炉膛。在炉膛内,化学能被转化为热能,这一过程的能量转化效率会直接影响到锅炉的热效率。

苏格兰船用锅炉的照片。
一台已报废的、带有两个燃煤炉膛的苏格兰船用锅炉。图像由 Andy Dingley 自行拍摄,已获 CC BY-SA 3.0 许可,通过 Wikimedia Commons 共享。

辐射是锅炉内的主导传热机制,因此在研究这些装置时,必须准确地解释诸如燃烧室炉壁上的辐射热通量等辐射特性。辐射难以预测,它自身的复杂性和对炉膛外壳几何的依赖性意味着解析求解的方法只适用于十分简单的问题。此外,炉膛外壳的实验模型造价很高。

作为替代方案,工程师可以通过构建数值模型正确地分析炉膛外壳,并评估其热效率。在下一节中,我们将介绍专用于研究电厂锅炉炉膛内的辐射传热的模型设计案例。

模拟电厂锅炉,计算辐射传热

首先,我们观察一下电厂锅炉模型的内部。它内含五个极薄的障碍物,这一构造考虑到了现实情况:电厂锅炉内常常装有薄薄的障碍物,比如炉膛内悬挂的围板。在仿真中,我们将障碍物模拟为厚度为零的挡板,目的是减少网格,降低计算成本。每个障碍物都包含一种辐射-吸收介质。在这些表示过热器围板的挡板四周,包围着模型的三维外壳,它们充当了电厂锅炉的燃烧室和炉壁。

带障碍物的电厂锅炉模型示意图。
电厂锅炉模型中的障碍物。

在做出假设时,我们借鉴了 P.J. Coelho、J.M. Goncalves 和 M.G. Carvalho 的现有研究成果,论文标题为“在带障碍物的壳体内模拟辐射传热”(模型文档中的参考文献 1)。针对体积和表面层区域内,模型的主要假设使用了现有的温度和特性,如下表所示。

坐标(M) 吸收系数(1/M) 温度(K)
z ≤ 5 0.20 1600
5 < z ≤ 10 0.25 2000
10 < z ≤ 20 0.20 1600
20 < z ≤ 30 0.18 1200

为了求解模型,我们使用了离散坐标法(discrete-ordinates method,简称 DOM)。此方法十分适合求解光学厚度适中的腔体内部的辐射吸收和散射问题。我们利用 S4 DOM 计算炉膛内入射辐射强度的分布和壳体侧壁上的向外辐射热通量。最后,我们使用了一组 24 个离散方向来表示辐射强度的传递情况。

关于如何构建模型的更多细节,包括辐射传递方程(radiative transfer equation,简称 RTE)的使用、边界条件和在模型中使用的不同物理量,请参考模型文档。

预测炉膛内的温度和热通量

使用上文描述的模型,我们可以很容易获得炉膛内部和表面的辐射热通量特性,并计算参与介质内的辐射强度。根据下图可以发现,入射辐射强度的最大值出现在介质温度和吸收系数的最高点处(锅炉的燃烧器标高)。

绘图显示了锅炉内部的入射辐射。
COMSOL Multiphysics® 仿真结果显示了锅炉正面的入射辐射。

锅炉内部(左)和正面(右)的入射辐射。

除此之外,我们可以将仿真结果与各种配置的参考数据进行对比。举例来说,下图仿真所示的向外辐射热通量仿真结果与已发布数据吻合良好。对比的方法有助于确认仿真分析的有效性。

绘图显示了锅炉壁上的向外辐射热通量。
锅炉壁上的向外辐射热通量。

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