新一代加熱爐燃燒器

在混合氣體中，用新的嵌入式計算機輔助設(shè)計軟件，優(yōu)方法就是用計算流體力學(xué)分析在廣泛的應(yīng)用中，對混合氣體的研究是很重要的。例如，在煙道里，混合氣體常常到達排放控制系統(tǒng)的臨界狀態(tài)。在填料塔和其他類型的化學(xué)反應(yīng)器，混合氣體影響過程的吞吐量和可變性?；旌蠚怏w對用于處理危險廢物的回轉(zhuǎn)窯焚燒爐的運行，有很大的影響。在航空呼吸氣體中，混合氣體對霧化吸入藥物的性能有影響?；旌蠚怏w的效率僅提高百分之幾，就可以大大減少能源消耗和低液化氮加熱爐燃燒器的排放量。 

優(yōu)化燃氣和空氣混合，以滿足特殊應(yīng)用的要求是一項具有挑戰(zhàn)性的過程，它通常涉及一個非常昂貴和費時的建設(shè)和測試樣機的過程。大多數(shù)公司利用計算流體力學(xué)（ CFD ）模擬混合氣體，但其使用到現(xiàn)在還主要限于研究或解決現(xiàn)有設(shè)計的問題，因為使用CFD 技術(shù)需要投入相當(dāng)?shù)馁Y金、時間和具備知識。 

但是，在過去幾年里，新的CFD 工具已經(jīng)研發(fā)出來，它完全嵌入主流機械環(huán)境設(shè)計，這使這種新的工具操作起來更容易，更快，因此應(yīng)用它的成本更低。新的工具提供了在設(shè)計早期階段評估大量潛在設(shè)計替代方案性能的能力。早期的分析使我們能夠在更短的時間以較低的成本改善產(chǎn)品的性能和解決設(shè)計問題。 

本論文為在設(shè)計的早期階段使用計算流體力學(xué)改善混合氣體提供了指導(dǎo)。本文特別關(guān)注了燃燒中的氣體混合過程，但對于其他各種各樣的混合氣體應(yīng)用，優(yōu)化原則是一致的。 

燃燒氣體和空氣混合的重要性 

競爭和監(jiān)管壓力，迫使制造商的燃燒設(shè)備，提高能源利用效率，減少向環(huán)境中的排放量，改善燃料控制能力，并提高燃料應(yīng)用的靈活性。解決這個挑戰(zhàn)的鑰匙就是改善加熱爐燃燒器性能，因為加熱爐燃燒器是所有燃燒系統(tǒng)中一個主要組成部分。即使加熱爐燃燒器性能發(fā)生很小的改進，也能對持續(xù)運營、消耗大量能源的系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。 

燃料和空氣混合幾乎在每個加熱爐燃燒器的設(shè)計中起著關(guān)鍵作用。很多應(yīng)用中的一個主要設(shè)計難題是氣體的注入，盡量實現(xiàn)氣體的混合達到理想狀態(tài)?；旌鲜侵匾?，因為空氣和燃料的濃度不均勻可以大大提高排放水平，降低燃燒效率。燃料和空氣非常透徹的混合消除熱冷點不均的火焰，火焰決定著氮氧化物的排放量。 

燃料和空氣混合變化的設(shè)計方法 

直到近，認為合適的混合氣體設(shè)計是藝術(shù)而不是科學(xué)的人更多，反應(yīng)出控制氣體混合的難度之大。傳統(tǒng)的做法是建立一個樣機或修改現(xiàn)有的產(chǎn)品，再檢驗產(chǎn)品，然后根據(jù)結(jié)果，修改樣機或產(chǎn)品，直到取得理想的結(jié)果。這種方法存在的問題是，建立、修改和測試的樣機往往昂貴，可能需要相當(dāng)長的時間。值得關(guān)注的是，制造樣品的設(shè)計方法可能昂貴到關(guān)閉一個產(chǎn)品，像那些持續(xù)運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，比如修改或測試發(fā)電系統(tǒng)。近，實驗和分析工具的改進，使人們有可能用虛擬樣機取代物理模型樣機，虛擬樣機準確地篩選選擇的設(shè)計方案的性能。工程師使用的CFD 在能夠代表產(chǎn)品運營環(huán)境的邊界條件設(shè)置下仿真產(chǎn)品。 

CFD 軟件仿真通常提供的信息遠遠超過實驗測試所能提供的信息量，如流體速度和方向，壓力，溫度，各種物質(zhì)濃度值。分析過程中，設(shè)計師可以改變系統(tǒng)的幾何形狀或邊界條件，設(shè)置不同流體流動模式。正是由于這些原因，CFD 使得分析師能在較短的時間和較低的成本下評估不同應(yīng)用的大量不同參數(shù)設(shè)計的性能。 

集成CAD 的趨勢 

目前 CFD 軟件的應(yīng)用趨勢是集成在CAD 系統(tǒng)中，從而使得在設(shè)計階段檢查更多替代設(shè)計方案成為可能，這樣能減少在物理測試階段制造的樣品數(shù)目。集成在CAD 中的CFD 工具使用原始的三維CAD 數(shù)據(jù)，自動定義流體區(qū)域，自動基于對象調(diào)節(jié)流動參數(shù)，無需工程師對CFD 計算部分知識的了解，而是讓他們把放在產(chǎn)品設(shè)計上，設(shè)計產(chǎn)品是結(jié)構(gòu)工程師的本職，是他們已經(jīng)掌握的知識。 

新一代的CFD 軟件包含了復(fù)雜的自動控制功能，能確保在幾乎每一個應(yīng)用中達到收斂，其中重要的功能也許是自動控制網(wǎng)格的質(zhì)量，這是影響收斂重要的因素。因此，操作新一代CFD 軟件所需的技能僅僅是CAD 系統(tǒng)知識和產(chǎn)品的物理知識，這兩者是絕大多數(shù)設(shè)計工程師已經(jīng)擁有的知識。將這些步驟自動化，大大減少了分析所需的時間，能在修改設(shè)計之前給出參考結(jié)果。 

氣體混合仿真的準則 

多個佳做法可以幫助確保燃氣和空氣混合的CFD 分析準確性。利用原始三維數(shù)據(jù)確保實體模型質(zhì)量。內(nèi)部流動模型配置少網(wǎng)格，要求形成一個密封的內(nèi)部流場。永遠記得幾何模型微小細節(jié)應(yīng)當(dāng)刪除，CFD 分析用模型尺寸盡可能的小。導(dǎo)入模型后，在CFD 軟件中用“check geometry”功能檢查模型。執(zhí)行初始網(wǎng)格生成的功能，通過生成的網(wǎng)格，檢查薄壁面上的孔導(dǎo)致的不正常的網(wǎng)格單元，并用后處理功能將這些不正常的網(wǎng)格單元可視化。不正常的網(wǎng)格單元就可通過加密局部網(wǎng)格，得到修正。 

在混合仿真中，湍流是非常重要的，因為大多數(shù)企業(yè)不會投資購買強大到足以捕捉微小的湍流細節(jié)的計算機。選擇合適湍流模型的關(guān)鍵是求解器中設(shè)置了與之相匹配的流動特征。K 湍流模型是非常常用的二元湍流模式，包含兩個額外的輸運方程， 代表流動的湍流特性。 

設(shè)計工程師要驗證他們的模型準確預(yù)測了實際混合過程中的物理和化學(xué)反應(yīng)。辦法一就是模擬現(xiàn)有產(chǎn)品，確定模型預(yù)測了產(chǎn)品的性能。然后，設(shè)計工程師可以修改模型，并對預(yù)測新設(shè)計的性能胸有成竹。如果中斷現(xiàn)有產(chǎn)品的運作來做預(yù)測產(chǎn)生的費用過大，則可以制造一個小尺寸的模型，對比這個模型和仿真模型的性能。 

現(xiàn)實案例 

下面的案例，說明如何用這些方法設(shè)計新一代Eclipse Linnox 加熱爐燃燒器。這種加熱爐燃燒器的目的是要大幅度減少風(fēng)機將空氣注入天然氣加熱爐燃燒器時所消耗的能量，同時能效以及排放指數(shù)與現(xiàn)有設(shè)計相同。為了實現(xiàn)這個目標，工程師們需要簡化設(shè)計，消除在之前設(shè)計版本中達到高水準混合程度的功能，但是仍然在所有管道內(nèi)燃燒氣體與空氣的比率為7.5 ％ ± 0.5 ％。 Eclipse 設(shè)計師們在Inventor 內(nèi)畫好加熱爐燃燒器的原始模型，然后在集成在CAD 軟件中的FloEFD 軟件中分析他們的模型。 

原始模型的模擬結(jié)果顯示了空氣和燃料在所有管道內(nèi)的混合濃度，需要改進混合濃度的區(qū)域。

圖 1 ：仿真已有產(chǎn)品顯示：基于中等壓力空氣渦流和天然氣注入產(chǎn)生了良好質(zhì)量的混合濃度

設(shè)計工程師們對混合器做了一系列的修改。每次更改后，他們執(zhí)行一次仿真分析，確定設(shè)計更改的影響，特別注意在整個腔體內(nèi)不同物質(zhì)的分布和壓降。對每一次重大的變化，他們還進行了一系列的參數(shù)研究，評估改變設(shè)計的主要參數(shù)所產(chǎn)生的影響。 

觀察這些變化對兩種物質(zhì)分布的影響，他們了解了設(shè)計中的敏感參數(shù)，而根據(jù)物理實驗，這樣的信息可能永遠也不可能獲取到。工程師鎖定一個設(shè)計并執(zhí)行進一步優(yōu)化。模擬結(jié)果顯示，終的設(shè)計方案壓降只有300 帕斯卡， 與現(xiàn)有的加熱爐燃燒器壓降相比減少了900 ％ （ 減小 10 倍）。到了這一階段，Eclipse 才制造了個新設(shè)計樣品。樣品的性能和仿真所預(yù)測到的很接近，然而他們卻地縮減了創(chuàng)造一個升級產(chǎn)品所需要的設(shè)計時間和成本（目前新產(chǎn)品還沒有上市）。 

總之，在涉及到氣體混合的應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計的早期階段開始使用CFD 仿真能節(jié)省時間和金錢。優(yōu)方法順應(yīng)了特殊行業(yè)的要求，幫助設(shè)計工程師避免分析錯誤。遵照具體的流程，任何工程師都可通過稍微修改設(shè)計或無額外成本產(chǎn)生的情況下優(yōu)化設(shè)計。

圖 2 ：仿真新的設(shè)計顯示：基于低壓力空氣渦流和天然氣注入產(chǎn)生了更的混合濃度

補充：不進行分析的成本 

不理想的燃氣和空氣混合會對Linnox 加熱爐燃燒器性能產(chǎn)生顯著影響。從加熱爐燃燒器排放的有害物質(zhì)以及不均衡的熱量分布均會對應(yīng)用產(chǎn)生負面影響，比如在紙張干燥，石膏板干燥，食品加工，空氣凈化等應(yīng)用中。關(guān)于工程仿真對公司盈利的影響方面，已經(jīng)有相當(dāng)多的研究。Aberdeen Group 發(fā)布了數(shù)個該主題的報告。近的報告發(fā)現(xiàn)“”公司趨向于測試虛擬樣機（見表1 ） ，而不是測試物理樣機。與此相反，那些歸類到“落后企業(yè)”類的公司很少在虛擬樣機上花費時間，而是執(zhí)行更多輪的物理實驗：

這種影響可能是的。根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜性，開發(fā)流程可以從一個星期至20 年之間的任意一種。大多數(shù)氣體混合相關(guān)產(chǎn)品，被認為要么是中等復(fù)雜性水平，要么是高復(fù)雜性水平，因此，研發(fā)可能需要從1年到20 年之間的任意一種：

有趣的是，在中等或高復(fù)雜性水平上，建立一個實物樣品成本可能是天文數(shù)字：

因此，即使能夠少建立一個樣品也可以對公司成本底線有重大影響的：

生物質(zhì)燃燒機；木屑顆粒機；模板破碎機；撕碎機；生物質(zhì)氣化站；鍘草機；烘干機

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