生物质热风炉传热过程的数值分析及结构优化

生物质热风炉传热过程的数值分析及结构优化

李先涛

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摘要：随着社会的不断进步，生物质热风炉主要由燃烧室、换热室、除尘器及离心风机等装置组成,热风炉内热交换器的热传导性能直接影响着热风炉的使用寿命、可靠性及经济实用性。因此,掌握换热室内的烟气和空气的换热情况,是保证生物质热风炉正常运行的必要条件。

关键词：生物质热风炉；传热过程；数值分析；结构优化

引言

生物质能是指可以进行光合作用的生命体，将太阳能以化学能的形式固定在其体内的能量形式和太阳能一样都属于可再生能源。从广义范围来讲，生物质涵盖所有的植物、微生物及将其作为食物的动物以及其生产出的废物。

1工作原理

生物质热风炉的储料仓筒壁上遍布有筛孔结构,使得要焚烧的秸秆与空气充分接触得到气化下落在第一燃烧室进行燃烧;在热交换器内过火口旁安装二次燃烧供风管,由风机口进入换热腔体的部分冷风气流,通过供风管进风口进入到热交换器过火口处,使得未燃尽的秸秆大颗粒物再经过过火口进入热交换器的过程中,在第二燃烧室进行二次充分燃烧且整个燃烧过程中产生的高温烟气在热交换器中向上流动。热交换器外部均匀且规律的遍布有散热片,前后的散热片呈竖直排列,两侧的散热片呈横向排列,有着散热和气流的导向作用,使得冷空气由风机口进入热交换系统后在散热片的作用下均匀遍布并汇聚到出风孔。热交换器过风孔中安装有中腔管,热交换中腔管呈圆柱状,内部呈扩散状焊接有散热片,由风机口进入的气流,经热交换器散热片的间隙,再通过中腔管的散热片到达出风口排出。温控器对热交换器出风口温度进行实时监测,根据日光温室所需的温度控制风机的启停及转速,从而调节热风炉热风出口的流速和温度。

1生物质热风炉传热过程数值模拟

1.1ANSYS工作计算平台

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件,涵盖Workbench、Multiphysics、DesignSpace、FSI和HPC等众多内置平台,在流体分析、结构分析、耦合场分析、热分析、电磁分析等方面功能十分强大,是融流体、热、结构、声学、电磁学的计算机辅助工程软件,共分为预处理、分析计算、后处理三大模块。本文主要使用流体和传热模块,在ANSYSWork-bench平台中,依次按照实体模型建模、网格划分、求解器设置以及后处理模块来进行。

1.2实体模型的建立

如果完整地按照本生物质热风炉实际尺寸进行三维建模,建模及求解难度较大,故对生物质热风炉三维模型进行了简化处理,只保留了热交换系统部分,而且忽略了倒角、圆角等结构细节。

1.3网格划分

由于结构复杂,网格均采用四面体非结构化网格划分方法,由Meshing软件进行自动生成,再对进出口以及中腔管部分进行网格细化。空气进出口以及烟气进出口均采用构造边界层网格的方式,以保证求解精度,并在计算机运行速度允许的条件下共生成1888432个网格单元,平均网格质量为0.795。

3结构优化设计

3.1试验设计与仪器

选用“天粉二号”番茄为试验对象,以生物质热风炉供热日光温室为试验温室,普通燃煤热风炉供热日光温室为对照温室,两个温室面积均为640m2。定植前,深翻、覆膜、膜下滴灌栽培。试验在2020年9月12日播种,2020年10月15日进行定植。番茄整个生长期间两个试验日光温室需制定相同的田间制度进行管理,每4天进行一次相同流速、时间的灌溉,并采用水肥一体化施用相同种类、质量的肥料,统一病虫害管理。在定植后的40~90天,每间隔10天测量一次番茄的株高、茎粗;番茄开花坐果期间,选择晴朗无云、有较强直射阳光的上午11—12点之间,在试验日光温室和对照日光温室自南向北的前、中、后3个区域测定群体朝外见光的壮龄叶片的净光合速率,重复进行3次,以减小试验误差;从番茄第1穗果实完全成熟开始进行产量测定,直至第5果序番茄完全成熟,记录番茄果实个数,分5次测产,并测算总产量和平均番茄单果质量;在试验日光温室和对照日光温室分别选取质量、体积、色泽相近的果实做进一步的品质检测分析。

3.2热风炉检修

热风炉检修期间，检查要第一时间开展，要定期对油压站进行确认，判断是否出现漏油。检修时需明确备用设备是否出现异常，查看泵的工作状况，认真检查油位及油质，以定期或不定期形式对风机进行检查，在对热风炉进行检修时，要认真观察轴承温度。检查螺栓有没有出现松动，工作中无振动。还应定期查看阀门应用状况，检查热风阀行程有没有异常，水温是否改变，牵引机能否正常运行。针对热风炉本体，确定其是否存在红热泄漏。在开启风机时，保证畅通，在进行换炉时，首先要开启风机，观察风量的改变，做好对设备与平台的清洁工作。合理加注润滑油，在气体系统发生异常的情况下，要第一时间沟通处理。助燃风机异常停风，要第一时间按停烧程序操作，通过烟窗抽气超过10min，启动风机放散阀，在系统满足检修要求的前提下，方可开启风机。热风炉设备相对简单，被损概率较小，检修也不复杂，通常是考虑其大中修。首先，大修周期一般超过20年，在大修间隔期间可结合热风炉状况开展一两次中修。其次，大中修依据为燃烧率下降超过25%，极大影响温度及进风量，炉子被极大破坏，造成生产难以安全开展时要大修；拱顶受损，燃烧室烧损显著，或者燃烧率明显下降时，要开展中修。再次，大修范围一般是对拱顶、支柱等进行更换处理。如果大墙难以再被使用时，可根据大修更换所有砖衬；对所有阀门进行更换处理。最后，中修范围通常是更换1/3的格子砖、拱顶及局部大墙。对受损阀门进行更换，对法兰位置跑风进行处理；做好对油箱的清理工作，对液压系统零件进行更换。

6热风炉维护

（1）每班以定期的形式对液压站进行查看，判断是否存在漏油，备用系统有没有出现异常，油泵运行有没有出现异常，对于油位以及油箱等，是否处于要求的范围。（2）每班以定期的形式对风机运行状况进行查看，判断运行是否良好，有没有出现剧烈振动，轴承温度有没有出现异常，且认真进行记录。（3）法兰衔接螺栓紧固，避免形成振动。（4）每班以定期的形式对阀门应用状况进行检查：对于热风阀，其水温有没有出现波动，阀杆有没有跑风情况，卷烟机运行有没有出现异常。对于冷风阀，其开关是否灵活，是否出现跑风情况，有没有出现内漏。每班以定期的形式对热风炉进行检查，判断是否存在泄漏烧红情况。当风机开启时，针对吸风口以及风机位置，需要认真进行检查，判断是否存在障碍物，油位有没有出现异常。在进行换炉工作时，应该先开启风机放散，防止风量改变进而减小叶轮寿命。针对全部设备以及平台，应该定期进行清扫，保证有着较高的清洁度，并且针对润滑点，也应该定期进行加油。在煤气系统出现问题的情况下，要第一时间联系处理。

结语

生物质资源的能源化利用对于解决化石能源日趋紧张和环境污染日益严重问题具有重大意义，国家大力推行生物质能源的综合利用是一项“功在当代、利在千秋”的政治性战略，从而彻底改变使用传统燃煤锅（窑）炉给粮食收储企业进行粮食烘干的历史。

参考文献

[1]张江勇.生物质燃料加热设备的设计分析及试验研究[D].太原:太原理工大学,2020.

[2]吴照斌.燃用生物质粮食烘干热风炉优化设计及实验研究[D].合肥:合肥工业大学,2020.

[3]高强.生物质热风炉调试优化试验研究及其换热器温度场模拟[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2021.