發(fā)布時間：2020-09-28 17:10

　　 我國工業(yè)領域中高溫固體物料蘊藏著巨大的余熱,若這些能量能夠有效地利用對降低能耗、提高能源利用率具有積極推動作用。在高溫固體物料余熱回收過程中,由于固體物料具有形狀不規(guī)則、表面粗糙、流動性差的特點,導致顆粒之間的相互摩擦與擠壓碰撞會產生空穴,空穴的存在增加了顆粒堆的傳熱熱阻,降低了余熱回收效率。與此同時,由于顆粒的不規(guī)則運動,空穴隨之出現(xiàn)不規(guī)則變化,空穴的數(shù)量具有不確定性,位置具有隨機性,形狀具有不規(guī)則性,這增加了高溫固體顆粒傳熱研究的難度。本文基于一次換熱的余熱回收方法,以存在單缺位空穴的顆粒堆為研究對象,利用Fluent軟件對顆粒堆傳熱特性進行了數(shù)值模擬研究。文章建立了簡單立方堆積下存在單缺位空穴的顆粒堆傳熱模型,并對所建傳熱模型進行了獨立性驗證,利用自行搭建的顆粒堆傳熱實驗臺對傳熱模型進行了可用性驗證。計算并分析了單缺位空穴的存在對其周圍顆粒層傳熱的影響機制,系統(tǒng)地研究了顆粒特性參數(shù)(導熱系數(shù)、粒徑)及顆粒堆特性參數(shù)(顆粒堆溫度梯度、顆粒間接觸面積系數(shù))對存在單缺位空穴顆粒堆溫度場等傳熱特性的影響規(guī)律,主要研究成果如下:(1)通過計算并分析基本工況發(fā)現(xiàn):缺位空穴的存在使顆粒堆傳熱性能降低,并且距離缺位空穴位置越近,顆粒層溫度場和熱量場波動變化越明顯;缺位空穴周圍的熱量傳遞方式主要包括:垂直于主熱流方向(沿X傳熱方向)的固/固導熱、平行于主熱流方向(沿Y傳熱方向)的固/固導熱、通過氣/固接觸面的氣/固導熱及輻射傳熱,其中沿Y傳熱方向的固/固導熱為主導傳熱方式;缺位空穴存在時,相較于無缺位空穴工況,壁面總傳熱量減小0.63%,壁面固相傳熱貢獻度增加0.0006%,顆粒堆整體表觀熱阻增加0.71%;X方向上,缺位空穴對其左、右兩側的傳熱影響區(qū)域相等,均為1.79倍粒徑,Y方向上,缺位空穴對其上游的傳熱影響區(qū)域為4.03倍粒徑,對其下游的傳熱影響區(qū)域為3.81倍粒徑。(2)隨著缺位空穴的位置由冷壁面向熱壁面移動,缺位空穴的傳熱影響區(qū)域隨著缺位空穴一起移動;顆粒堆與熱壁面間總傳熱量呈現(xiàn)先減小后不變最后增加的變化趨勢,壁面固相傳熱貢獻度不變,顆粒堆表觀熱阻呈現(xiàn)先增加后不變最后減小的變化趨勢。在缺位空穴中心距離冷壁面2.81倍粒徑的范圍內,缺位空穴的存在會對顆粒堆同冷壁面的傳熱產生影響,在缺位空穴中心距離熱壁面2.94倍粒徑的范圍內,缺位空穴的存在會對顆粒堆同熱壁面的傳熱產生影響。(3)隨著固相顆粒的導熱系數(shù)由0.5 W/(m·K)增至50 W/(m·K),顆粒堆與熱壁面間總傳熱量由0.43W增至36.95W,壁面固相傳熱貢獻度由72.24%增至99.53%,顆粒堆整體表觀熱阻由863.58℃/W降至10.15℃/W。缺位空穴在X方向的傳熱影響區(qū)域由0.61倍粒徑增至1.82倍粒徑,在空穴位置的上游傳熱影響區(qū)域由1.61倍粒徑增至3.91倍粒徑,在空穴位置的下游傳熱影響區(qū)域由1.69倍粒徑增至3.93倍粒徑。(4)隨著固相顆粒粒徑由5.36mm增至23.04mm,顆粒堆與熱壁面間總傳熱量由11W增至47.37W,壁面固相傳熱貢獻度由99.41%降至99.37%,顆粒堆整體表觀熱阻由34.08℃/W降至7.92℃/W。缺位空穴在X方向的傳熱影響區(qū)域由1.81倍粒徑降至1.79倍粒徑,在空穴位置的上游傳熱影響區(qū)域由4.06倍粒徑降至4.01倍粒徑,在空穴位置的下游傳熱影響區(qū)域由3.84倍粒徑降至3.79倍粒徑。(5)隨著顆粒堆溫度梯度由175℃增至975℃,顆粒堆與熱壁面間總傳熱量由16.28W增至70.78W,壁面固相傳熱貢獻度由99.63%降至97.91%,顆粒堆整體表觀熱阻由10.75℃/W增至13.78℃/W。缺位空穴在X方向的傳熱影響區(qū)域由1.83倍粒徑降至1.71倍粒徑,在空穴位置的上游傳熱影響區(qū)域由3.94倍粒徑增至4.16倍粒徑,在空穴位置的下游傳熱影響區(qū)域由3.94倍粒徑降至3.48倍粒徑。(6)隨著顆粒間接觸面積系數(shù)由0.062增至0.234,顆粒堆與熱壁面間總傳熱量由27.76W增至39.83W,壁面固相傳熱貢獻度由98.94%增至99.69%,顆粒堆整體表觀熱阻由13.51℃/W降至9.41℃/W。缺位空穴在X方向的傳熱影響區(qū)域由1.81倍粒徑降至1.75倍粒徑,在空穴位置的上游傳熱影響區(qū)域由4.09倍粒徑降至3.95倍粒徑,在空穴位置的下游傳熱影響區(qū)域由3.86倍粒徑降至3.67倍粒徑。
【學位單位】：山東理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TK124
【部分圖文】：

圖 1.2 我國余熱資源結構圖Fig.1.2 Structural chart of waste heat resources of China我國工業(yè)能耗占總能耗的 70%以上，其中至少 50%轉化為載體不同、溫度不同的工業(yè)余熱，我國的余熱資源結構如圖 1.2 所示。余熱資源可分為氣相余熱、液相余熱及固相顆粒余熱。在氣相和液相余熱利用方面，高、中、低溫的

（a）鋼渣 （b）煅后焦 （c）蘭炭 （d）冶金焦圖 1.3 典型固體物料Fig.1.3 Solid particle在高溫固體物料余熱回收過程中，由于固體物料具有形狀不規(guī)則、表面粗糙、流動性差的特點，導致顆粒之間的相互摩擦與擠壓碰撞會產生空穴，空穴

缺位空穴實現(xiàn)形式Fig.2.4 Experimental material Fig.2.5 Realization form of vacancy本實驗系統(tǒng)的實驗物料選用直徑為 16mm、長度為 300mm 的圓鋼（如圖2.4 所示），材料代號為 Q235。同時為了模擬顆粒間的熱阻從而更好的接近實際情況下顆粒間的傳熱，遂將實驗物料沿周向每間隔 90o磨去 0.5mm 以保證實驗物料之間實現(xiàn)面接觸，并且滿足物料間接觸面積系數(shù)為 0.121。本文主要研

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本文編號：2829038