用于空心砖型蓄热式加热器的蓄热阵换热设计方法

摘要

本发明公开了用于空心砖型蓄热式加热器的蓄热阵换热设计方法，包括：建立蓄热阵的一维换热分析模型，将多个换热通道的蓄热阵简化为当量流通面积圆管模型；推导一维换热的控制方程与定解条件；构建控制方程的差分格式；求解蓄热阵和气体的温度分布；给定蓄热阵的热力学参数和工作条件，求解蓄热阵以及气体在不同的几何参数时的温度分布，以对比分析蓄热阵在不同的几何参数下的换热性能，进而确定出具备所须换热性能的蓄热阵的布局。本发明简便实用，仅需按照预定的步骤，代入蓄热阵的热力学参数、工作条件参数及几何参数，在几秒内即可获得一组参数对应的蓄热阵的换热性能。对比不同几何参数对应的蓄热阵换热性能，即可筛选出较佳的几何布局方案。

主权项

用于空心砖型蓄热式加热器的蓄热阵换热设计方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤一、建立空心砖型蓄热式加热器的蓄热阵的一维换热分析模型，将具有多个换热通道的蓄热阵简化为当量流通面积圆管模型；步骤二、推导一维换热的控制方程与定解条件，控制方程为$\left\{\begin{array}{c}\frac{\partial T}{\partial x}=\frac{4Ah}{{\mathrm{dMC}}_p}(\theta -T)\\ \frac{\partial \theta }{\partial \tau }=\frac{4\eta }{d(1-\eta )}\frac{h}{{\rho }_b{C}_b}(T-\theta )\end{array}\right.,$定解条件为其中，θ(x，τ)、T(x，τ)分别为蓄热阵的温度和气体的温度，x、τ分别为轴向位置和运行时间，η、d分别为蓄热阵的孔隙率和单个换热通道的直径，ρ_b、C_b分别为蓄热阵材料的密度和比热，C_p为气体的定压比热，h为对流换热系数，T_in为入口处气体温度，为起始时刻蓄热阵的轴向温度分布，当量流通面积圆管的流通面积A＝M/(ρU)，ρ、U和M分别为该当量流通面积圆管内气体的密度、流速和流量；步骤三、利用步骤二中的控制方程构建控制方程的差分格式，控制方程的差分格式由以下3个公式Eq.1、Eq.2和Eq.3组成，其中τ＝mΔτ，x＝pΔx，θ_m，p＝θ(mΔτ，pΔx)，T_m，p＝T(mΔτ，pΔx)：$\left\{\begin{array}{cc}{\theta }_{m,p}=\frac{E}{1+E}(T_{m,p}+T_{m-1,p})+\frac{1-E}{1+E}{\theta }_{m-1,p}& Eq.1\\ T_{m,p}=\frac{F}{1+F}({\theta }_{m,p}+{\theta }_{m,p-1})+\frac{1-F}{1+F}{T}_{m,p-1}& Eq.2\\ {\theta }_{m,p}=\frac{(1-E)(1+F)}{1+E+F}{\theta }_{m-1,p}+\frac{E(1+F)}{1+E+F}{T}_{m-1,p}+\frac{E(1-F)}{1+E+F}{T}_{m,p-1}+\frac{EF}{1+E+F}{\theta }_{m,p-1}& Eq.3\end{array}\right.;$步骤四、利用步骤三的控制方程的差分格式求解蓄热阵和气体的温度分布，以蓄热阵的温度分布代表蓄热阵的换热性能，具体过程为：步骤(1)给定蓄热阵初始温度分布步骤(2)给定气体入口温度T_m，0＝T_in(p＝0)；步骤(3)由Eq.2知气体的初始温度分布$T_{0,p}=\frac{F}{1+F}({\theta }_{0,p}+{\theta }_{0,p-1})+\frac{1-F}{1+F}{T}_{0,p-1}(m=0);$步骤(4)由Eq.1确定蓄热阵温度分布${\theta }_{1,0}=\frac{E}{1+E}(T_{1,0}+T_{0,0})+\frac{1-E}{1+E}{\theta }_{0,0}(m=1,p=0);$步骤(5)由Eq.3确定蓄热阵温度分布${\theta }_{1,1}=\frac{(1-E)(1+F)}{1+E+F}{\theta }_{0,1}+\frac{E(1+F)}{1+E+F}{T}_{0,1}+\frac{E(1-F)}{1+E+F}{T}_{1,0}+\frac{EF}{1+E+F}{\theta }_{1,0}(m=1,p=1);$步骤(6)由Eq.2确定气体温度$T_{1,1}=\frac{F}{1+F}({\theta }_{1,1}+{\theta }_{1,0})+\frac{1-F}{1+F}{T}_{1,0}(m=1,p=1);$步骤(7)重复步骤(5)与步骤(6)，求出τ＝Δτ时刻蓄热阵和气体的温度分布θ_1，p、T_1，p(m＝1，p≥2，且p为整数)；步骤(8)重复步骤(4)～步骤(7)即可求出所有时刻蓄热阵和气体的温度分布；步骤五、给定蓄热阵的热力学参数和工作条件，重复执行步骤四，求解蓄热阵以及气体在不同的几何参数时的温度分布，以对比分析蓄热阵在不同的几何参数下的换热性能，进而确定出具备所须换热性能的蓄热阵的布局，其中，热力学参数包括ρ_b、C_b和h，工作条件包括T_in、C_p、和A，几何参数包括η和d。