闫放, 许开立, 姚锡文, 张秀敏
东北大学 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819
收稿日期: 2015-07-07
基金项目: 农业部农村能源综合建设项目(2015-36); 辽宁省自然科学基金资助项目(2013020137).
作者简介: 闫 放(1989-)，男，湖南长沙人，东北大学博士研究生;
许开立(1965-)，男，山东郓城人，东北大学教授，博士生导师。

摘要: 为保障我国北方的生物质气化站在冬季可以安全运行，提出一种利用轴流风机与套管将生物质气化反应的余热送入净化间进行采暖的方法.采用计算流体力学(CFD)方法对采暖后的生物质气化站净化间热环境进行模拟，并使用Fluent进行计算，得出在沈阳市冬季温度最低(243.15 K)的情况下可将净化间的温度提升至254 K以上；若对净化间围护采取保温措施，则可使温度继续提高，使净化间内温度达到278 K以上，进而满足防冻要求.从而证明套管采暖方案的可行性，并为我国北方生物质气化站防冻改造提供参考.
关键词：生物质气化防冻套管计算流体力学
Numerical Simulation of Thermal Environment for Double-tube Heating of Biomass Gasification
YAN Fang, XU Kai-li, YAO Xi-wen, ZHANG Xiu-min
School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: XU Kai-li, E-mail: kaili_xu@aliyun.com
Abstract: In order to guarantee safety operation of the biomass gasification station in the north of China in winter, a method which makes the waste heat of biomass gasification reaction go into purification room by using axial flow fan and double-tube is proposed. Simulation is performed for heat environment of the heated purification room of the biomass gasification station by computational fluid dynamics (CFD) approach using Fluent. The temperature of purification room can reach to 254 K when the situation temperature in Shenyang is 243.15 K. The temperature of purification room will continue to enhance to 278 K when the heat measures are taken to envelope. And the requirement of freeze prevention is met and the feasibility of double-tube heating is proved. It provides some references for the transformation of freeze prevention of biomass gasification station in northern China.
Key Words: biomass gasificationfreeze preventiondouble-tubecomputational fluid dynamics(CFD)
我国北方农村地区的小型生物质气化站由于冬季严寒并缺乏集中供暖，使得净化间内的湿式净化装置在气温低于0 ℃时会出现冻裂现象，进而导致生物质燃气泄漏，带来火灾、爆炸或中毒等隐患^[1].本文提出了一种利用套管将生物质气化反应余热送入净化间进行采暖的方法.套管换热器作为一种热交换装置在各领域均有应用.Nelson等分析了套管内为多孔介质情况下空气的热交换^[2].Han等研究了内管为波纹管的套管传热^[3]；张俊霞等研究了流体为水的套管换热器换热特性.本文根据计算流体力学(CFD)方法，对套管采暖系统及采暖后净化间内的温度场进行模拟，以及不同围护保温效果下的温度场进行模拟研究，对比了外墙、房顶、门在不同保温效果下的采暖效果.近年来随着计算机技术与CFD技术的发展，CFD技术广泛地应用在室内采暖模拟领域，Rodrigues等对地热采暖的室内热环境进行了模拟研究^[5]；王谦等模拟了采用风机盘管热风系统采暖后的温室热环境^[6].但对基于套管采暖系统的生物质气化站热环境分析还未见报道，本文通过对套管系统采暖后的净化间热环境进行模拟，得出了在采取一定保温措施下可达到防冻要求，证明了该方法的可行性，并为生物质气化站的防冻改造提供参考.
1 套管采暖系统1.1 套管采暖生物质气化站结构生物质气化站由气化间与净化间构成：气化间包括气化装置、干式除尘器与喷淋式除尘器，而净化间则包括其余的湿式净化装置.两房间由防火墙分隔.位于气化间内的气化装置在生产过程中由于生物质气化反应会产生大量的热，高温气体直到进入喷淋式除尘器后才会冷却，所以处于干式除尘器与喷淋式除尘器之间的管道在生产过程中因为高温气体会使得其管壁处于持续高温状态，经测量其外壁温度可达到600 K.如图 1所示，本研究将套管设置在该段管道上，然后通过室外的轴流风机将冷空气经由进气管通入套管内，利用高温管道的外壁进行加热，加热后的空气经由出气管送入净化间内.
图 1(Fig. 1)

图 1 带有套管采暖系统的生物质气化站Fig.1 Biomass gasification station with double-tube heating system

1.2 简化后的模拟区域由于气化间与净化间之间的防火墙隔热性能非常好，以及出气管采用了岩棉保温材料，因此这两部分均可简化为完全隔热的部分；气化间内一般为室温，对进气管内的来自于室外的冷空气可视为没有影响.所以模拟区域可略去气化间其余部分，只保留进气管、套管、出气管及净化间.本文以沈阳市闫家村生物质气化站为例进行研究，该站净化间布局、尺寸及套管采暖系统尺寸如图 2所示.
图 2(Fig. 2)

图 2 模拟区域及各部分尺寸Fig.2 Simulation area and size of each part

其中：湿式净化装置简化为立方体；进气管与出气管的管径均为0.1 m；出气管有0.1 m长的部分位于净化间内；净化间的南北墙有两扇对称的窗户；门位于南墙；两个回风口位于北墙.
2 套管采暖系统CFD模拟模型2.1 基本控制方程该采暖系统通过轴流风机将室外的空气通入套管内加热后再通入净化间采暖，在净化间内是通过强迫对流的方式来进行热量的传递，因此在模拟区域内不可避免会引起湍流.所以选择在涉及湍流相关计算时具有较好收敛性与较高精确度的k-ε模型.在模拟区域内的空气流动与传热满足以下方程^[7]：
连续性方程

(1)

动量方程

(2)

能量方程

(3)

湍流能量耗散方程

(4)

湍流能量耗散率方程

(5)

2.2 求解设置与网格划分本文采用Fluent6.3软件进行生物质气化站套管采暖的模拟仿真，并使用Gambit2.4.6作为前处理软件进行网格划分.采用二阶迎风格式离散偏微分方程组，压力速度耦合使用SIMPLE算法.采用四面体网格进行建模，将模拟区域分为2个部分，进气管、套管与出气管为第一部分，净化间为第二部分.第一部分区域内空气流速大、流动复杂，故对该部分网格进行加密，采用0.009 m的网格，第二部分采用0.075 m的网格.最终第一部分共生成928 528个体网格，第二部分共生成1 766 058个体网格，全部模拟区域共计2 694 586个体网格.
2.3 边界条件与初始条件将进气管的进气口面设为velocity inlet，两个回风口设置为outflow，出气管末端的出风口与净化间相交的面设置为interface，其余面均设置为wall.如1.2节所述，套管内管管壁视为恒温发热壁面；进气管、套管、出气管的壁面、防火墙与地板可视为绝热；东墙、南墙、北墙、房顶、门、窗在模拟时考虑热量由这些围护向室外传递，并同时考虑该壁面外表面也就是室外的对流及辐射对热耗散的影响.为保障模拟结果的实际应用，参数设置参照沈阳市闫家村生物质气化站的实际情况，该站墙体采用一般建筑用砖，无保温层，房顶为单层铁板，无保温层，门为普通卷闸门，窗为单层玻璃窗.气象条件取沈阳冬季平均风速及历年冬季最低气温.主要参数如表 1所示^[8-10].
表 1(Table 1)

表 1 主要参数设置Table 1 Basic parameters settings 参数 数值 ρ/(kg·m-3) 墙 房顶 门 窗 1 600 7 854 7 900 2 700 发射率 墙 房顶 门 窗 0.95 0.8 0.2 0.9 厚度/m 墙 房顶 门 窗 0.38 0.03 0.005 0.01 c/(J·kg-1·K-1) 墙 房顶 门 窗 840 434 477 840 λ/(W·m-1·K-1) 墙 房顶 门 窗 0.69 60.5 14.9 0.78 室外温度/K 243.15 套管内管壁温度/K 600 室外对流换热系数/(W·m-2·K-1) 17.48

表 1 主要参数设置 Table 1 Basic parameters settings

由于整个模拟区域内温度变化较大，而空气的大部分参数也会随着温度的变化而变化.因为模拟区域的温度变化区间在243.15~600 K之间，查表可知在该范围内空气的比热容c基本保持不变，可设置为常数；密度ρ,导热系数λ,动力黏度μ则可根据查表数据^[8]拟合成用温度T的多项式来表示，如表 2所示.
表 2(Table 2)

表 2 空气参数设置Table 2 Parameters settings of air 参数 数值 ρ/(kg·m-3) 3.72-1.42×10-2T+2.32×10-5T2-1.38×10-8T3 c/(J·kg-1·K-1) 1 013 λ/(W·m-1·K-1) 1.17×10-3+9.11×10-5 T-2.26×10-8 T2 -1.88×10-6+9.17×10-8 T- μ/(Pa·s) 9.44×10-11 T2+5.28×10-14 T3

表 2 空气参数设置 Table 2 Parameters settings of air

初始条件为进气管进气口处空气流速10 m/s，方向平行于进气管；室外空气温度243.15 K；净化间初始温度为243.15 K.
3 数值模拟结果与分析文献^{[4, 6]}的模拟与实验结果证明了本文所用模拟方法对于净化间热环境模拟结果的可靠性.本文所解决问题为生物质气化站冬季防冻问题，因此在模拟结果中只考虑温度场的分布.
3.1 未采取保温措施的净化间采暖效果分析生物质气化站净化间防冻涉及到的是装置的防冻问题，所以在温度场分布的区域选取上主要考虑净化装置附近区域，这里选取xoz面，并将y=-1.5 m，y=0，y=1.5 m三处的面作为参考，该三个面的温度场如图 4所示.
图 4(Fig. 4)

图 4 未采取保温措施的温度场分布Fig.4 Distribution of temperature field without adopting heat preservation measures (a)—y=1.5 m； (b)—y=0； (c)—y=-1.5 m.

由图 4可知，采暖后净化间内的温度得到了显著提高，但均不能达到273.15 K以上的防冻要求.由图 4b可知，房间顶部区域比房间底部区域的温度要高，这是因为顶部区域正对着出风口，而净化装置又位于房间底部区域，因此净化装置所在的区域反而是房间内温度相对较低的部分.但根据《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019—2003)第4.6.6条规定，出风口高度不宜低于3.5 m，因此不能通过调整出风口的位置来提高净化装置附近的温度.而导致温度低的另一个原因是该房间并未采取任何保温措施，由图 4a，图 4c可知，房间左下侧的温度偏低，这是因为净化间的门设置在房间的中部 (如图 2所示).而门采用的是普通卷闸门，隔热效果很差，导致净化间整体温度较低，并且净化装置附近温度更低.另外，图 4a相较于图 4c的低温区域范围更加靠近房间的东侧是由于在房间北侧的墙上设置了回风口.因此，需要改善净化间的保温效果来提高采暖后的温度以达到采暖要求.
3.2 采取保温措施的净化间采暖效果分析对于该生物质气化站净化间的外部围护采取如下保温措施：外墙与房顶外装设厚度为0.1 m的保温层；门改为双开式保温门.采取保温措施后的围护参数如表 3所示^[8-10].
表 3(Table 3)

表 3 采取保温措施后的参数设置Table 3 Settings of parameters after adopting heat preservation measures 参数 数值 ρ/(kg·m -3) 墙 房顶 门 1 277 1 851 1 373 发射率 墙 房顶 门 0.9 0.9 0.3 厚度/m 墙 房顶 门 0.48 0.13 0.074 c/(J·kg-1·K-1) 墙 房顶 门 936 1 100 1 256 λ/(W·m-1·K-1) 墙 房顶 门 0.13 0.04 0.15

表 3 采取保温措施后的参数设置 Table 3 Settings of parameters after adopting heat preservation measures

将相关参数按照表 3进行修改后，得出计算结果，同样将xoz面y=-1.5 m,y=0,y=1.5 m三处的平面作为参考.其温度分布如图 5所示.
图 5(Fig. 5)

图 5 采取保温措施后的温度场分布Fig.5 Distribution of temperature field with adopting heat preservation measures (a)—y=1.5 m; (b)—y=0; (c)—y=-1.5 m.

由图 5可知采取保温措施后，净化间内温度显著提高，最低温度达到278 K以上，由于采用了保温门，使得房间内的温度分布较未采取保温措施时更加均匀，净化装置附近温度更加接近房间顶部的温度.使得净化间温度可达到防冻要求，保障了生物质气化站在沈阳地区冬季极寒条件下的安全运行.
4 结 论1) 本文提出了一种利用轴流风机与套管将生物质气化站气化间内气化反应产生的余热送入净化间进行采暖的方法.并采用CFD计算软件Fluent对采暖后净化间内的温度场进行模拟，预测了采暖后净化间内的温度分布，对为解决我国北方地区生物质气化站冬季防冻问题提供了一种可行性方案.
2) 当进气口管径为0.1 m，风速为10 m/s时，采暖后的净化间内温度可由243.15 K提高至254 K以上；若对净化间的外墙、门、房顶采取保温措施可使温度进一步提高到278 K以上，达到防冻要求.采用本方案进行采暖要同时考虑房屋的保温性能才可使最终采暖效果达到防冻要求.
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