发展生物质气化工艺是解决能源紧张与环境污染的一项有效措施^{[1, 2]}.在生物质气化工艺中需在气化间与净化间之间设防火墙^[3]来消除因净化间泄漏带来的火灾爆炸隐患，但设置防火墙会阻止气化间热量向净化间传递.农村生物质气化站缺乏供暖，净化间的湿式净化装置在温度达到0 ℃以下时会发生冻裂现象，致使系统漏气导致气化站无法运行甚至引发火灾爆炸或中毒事故.因此部分生物质气化站采用了成本较高的电暖气，而大部分则在冬季无法开工.法国的Boulard等^[4]提出了一种对温室热环境进行模拟的方法；You等^[5]研究了盘管的传热强化；日本的Boadi等^[6]对盘管采暖的效果进行了分析.本文提出一种利用盘管将气化装置的余热用于生物质气化站湿式净化间供暖的方法，使用风机从室外向盘管内通入空气，利用干式除尘器表面的热量对盘管内的空气进行加热后通入净化间，从而可在设置防火墙后为净化间供暖.该方法可以防止湿式净化装置冻裂，避免因燃气泄漏而导致的事故.因为利用反应余热进行采暖，所以可达到节能减排的目的.

热量从干式除尘器经盘管外壁传至盘管内壁，然后盘管内壁与盘管内流动的空气通过热对流与热辐射将热量传递给空气，从而使得空气的温度升高.

盘管外壁的温度可以直接测量，盘管壁上的热流密度由式(1)求得^[7].

1) 按式(2)求得盘管内空气流动的雷诺数.

2) 计算管流摩擦系数.若Re≤2×10⁴，则f=0.316Re-0.25；若Re≥2×10⁴，则f=0.184Re^-0.2.

3) 求得盘管内空气对流换热系数.首先采用文献^[8]给出的由湍流边界层三层速度分布模型推出的式(3)计算斯坦顿数St^[9].

又St≡h_c/(ρcu_m)，其中ρ，c，u_m分别为盘管内空气的密度(kg/m³)、热容比(kJ/(kg·K))、盘管内空气流速(m/s)，由此求得h_c.根据以上步骤求得盘管壁的热流密度，然后根据式(4)求得盘管内壁的温度T_w2.

盘管内壁温度为T_w2(K)，通入的室外空气温度为T_f1(K)，加热后盘管内空气温度为T_f2(K)，通入空气体积流量为q_V(m³/s)，盘管内径为d(m)，盘管的长度为L(m).盘管长度L由式(5)求得，

建立该段盘管能量平衡方程如式(6)^[7]所示，

稳定后净化间通过盘管内热空气获得的热功率等于净化间围护耗散的热功率，即

同时需要设置回风口，回风温度可视为等于T₃.因此盘管热空气提供的热功率通过式(8)得出，

而围护耗热功率Q_围护则根据式(9)计算得出，

围护耗热系数U_i为采用如下方法得出.

1)围护耗热系数U_i根据式(10)求得^[10]，

2)外(内)表面换热系数等于外(内)表面的对流换热系数与辐射换热系数之和^[10].

外表面对流换热系数根据式(12)^[10]求得，

若围护处于迎风面，且风速v＞2 m/s，v_c=0.25 v；风速v＜2 m/s，v_c=0.50v.若围护处于背风面，则v_c=0.3+0.05v^[10].而室内可视为静风，静风条件下对流换热系数h_ic可以取为6 W/(m²·K)^[10].

3)外表面辐射换热系数根据式(13)求得，

内表面辐射换热系数根据式(14)求得，

假设T₂=T_sur，T₁=T₃，这样在计算中只含有一个未知数T₃.根据以上步骤，最终将围护耗热系数表示为一个含有未知数T₃的变量，而T₃也就是最终需要求得的净化间温度，再联立式(7)~式(9)即可求得供暖后的净化间内的温度.

按以下步骤对采暖后的净化间温度进行计算.

1) 根据式(3)可得盘管内壁对流换热系数h_c的解，联立式(1)，式(4)和式(6)可以消去未知数T_w2最终得出T_f2的解，其线性方程如式(15)所示.

2) 由t_f2及式(8)，式(9)，可将Q_盘管及Q_围护均用含有未知数T₃的代数式表示出来.再根据式(7)列出含有未知数T₃的非线性方程为

采用Excel进行迭代计算，最终求得T₃.

本文对沈阳周边某生物质气化站在加设防火墙采用盘管采暖后进行计算.气化站净化间长4 m、宽4 m、高3 m，共有3扇窗户与1扇门，处于迎风面的墙上没有窗户与门，其中墙由0.30 m厚的砖与两边各厚0.01 m的水泥砂浆组成，门窗的主要部分为玻璃.室外温度取沈阳历年冬季最低温度240.15 K(2001年沈阳历史记录最低气温).相应的其余各物性取值如表1所示.根据干式除尘器高度H(m)与外径D(m)、盘管缠绕螺旋升角α以及盘管内径d(m)与壁厚δ(m)可得盘管可缠绕的最大圈数n，如式(17)所示,

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 各物性取值 Table 1 Value of each physical property 符号 数值 符号 数值 符号 数值 ρ 1.453 c 1.013 Pr 0.723 ν 1.08E-05 D 0.5 H 0.5 λ 60 δ 0.003 α 7.5° σ 5.67E-08 Tf1 240.15 Tw1 400 v 3.2 εw 0.9 Tsur 240.15 λw1 0.69 δw1 0.30 λw2 0.72 δw2 0.02 εwd 0.95 λwd 0.78 δwd 0.005

表 1 各物性取值 Table 1 Value of each physical property

本文假设了3种盘管内径尺寸0.08，0.10，0.12 m进行计算，由式(17)得出最大缠绕圈数分别为5圈、4圈、2圈，分别对缠绕1圈至最大圈数在不同空气流速下盘管出口空气温度T_f2与采暖后净化间温度T₃进行计算，共得到11组数据.根据《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019—2003)(以下简称规范)4.6.6条，出风口风速一般采用5.0~15.0 m/s，因此将u_m取值范围定为0.1~15.0 m/s，以0.1 m/s为间隔，由此计算不同内径、不同缠绕圈数盘管在不同空气流速下采暖效果，如图1所示.根据规范4.6.3条，净化间的温度需要至少达到5 ℃(278.15 K).同时根据规范3.1.1条，净化间内采暖后的最高温度不宜超过21 ℃(294.15 K)，所以T₃的取值范围为[278.15，294.15]；同时又根据规范4.6.6条，热风采暖送风温度应在35 ℃(308.15 K)~70 ℃(343.15 K)之间，所以T_f2的取值范围为[308.15，343.15].因此采用内径0.08 m的盘管，在缠绕1圈并且空气流速为10.9~15.0 m/s时，缠绕2圈并且空气流速为9.1~15.0 m/s时可满足要求；采用内径0.10 m的盘管，在缠绕1圈并且空气流速为7.2~15.0 m/s时，缠绕2圈并且空气流速为6.1~12.9 m/s时，缠绕3圈并且空气流速为7.7~10.8 m/s时可满足要求；采用内径0.12 m的盘管，在缠绕1圈并且空气流速为5.1~11.2 m/s时，缠绕2圈并且空气流速为5.0~9.3 m/s时可满足要求.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 采用不同内径盘管后在不同空气流速下盘管出口空气温度与净化间温度 Fig. 1 The temperature of coil outlet air and clean room in different wind speed by using coil with different inner diameter(a)—盘管内径0.08 m； (b)—盘管内径0.10 m; (c)—盘管内径0.12 m.

盘管出口空气温度T_f2与盘管内空气流速u_m的关系可以直接通过式(15)中的线性方程得出.而采暖后净化间温度T₃与空气流速u_m的关系则是通过式(16)中的非线性方程得出.本文利用软件Origin根据图1中的曲线对T₃与u_m的关系进行线性拟合，拟合结果表明，T₃为u_m的对数函数，即

对本文中的T₃计算值按照式(18)进行线性拟合，全部11组数据拟合度均达到了0.998以上.图2为内径0.08 m盘管缠绕2圈的T₃拟合结果.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 内径0.08 m盘管缠绕2圈后T3值的拟合结果 Fig. 2 Fitting result of T3 value by using 0.08 m inner diameter coil convolved with 2 circles

因此式(18)为关于u_m的单调递增函数，而式(15)为关于u_m的单调递减函数.所以随着空气流速的增大，T_f2不断降低，T₃不断升高，当空气流速达到一定值时，会出现式(19)的情况：

最终计算得出u_m=76.7 m/s.该值远超规范要求的最大值15.0 m/s，所以在这里空气流速最大值按照规范要求取15.0 m/s.但根据气化站尺寸与物性条件、环境条件、盘管材质的不同以及盘管尺寸、盘管缠绕圈数不同可能会出现满足式(20)情况时的u_m值小于15.0 m/s，那么此时空气流速所能取的最大值则要根据计算出来的确定.

联立式(8),式(15),式(16)可计算出单位时间内不同盘管内径、盘管长度、空气流速条件下从气化间进入净化间的热量，本文称为产热功率，计算得出满足采暖要求的最小产热功率与最大产热功率分别为4 112.8 W与5 965.8 W.

按照式(21)计算风量q_V(m³/min)，

由此计算内径分别为0.08,0.10,0.12 m盘管所需风量范围为4.0~6.6,4.2~10.3,4.9~11.0 m³/min，也就是在满足采暖要求的条件下，所需最大风量为11.0 m³/min，最小风量为4.0 m³/min.现在市售轴流风机达到11.0 m³/min风量所需功率一般为65 W；达到4.0 m³/min风量所需功率一般为32 W，所以轴流风机消耗的电功率远低于产热功率.又因为最高产热功率与最低产热功率相差1 853.0 W，而轴流风机所需的最小功率与最大功率也只相差33 W，所以空气流速的增加导致轴流风机消耗的电功率增加也远低于产热功率的增加，采暖成本低廉.

1) 本文提出一种在冬季利用气化装置余热为净化间供暖的方法，该方法可防止湿式净化装置冻裂，从而避免燃气泄漏，进而避免火灾、爆炸或中毒事故的发生.以沈阳市周边某生物质气化站为例进行建模计算，验证了该方法的可行性；并通过计算得出采暖所需能耗远低于采暖的产热量，证明该采暖方法成本低廉，符合节能减排的要求.

2) 推导出了盘管出口空气温度T_f2的线性方程以及采暖后的净化间温度T₃的非线性方程.并对T₃的计算结果进行线性拟合，得出T₃关于u_m的线性关系一般形式为T₃=d+a ln(bum+c).

3) 一定范围内提高空气流速u_m可提高采暖效果，得出空气流速u_m的取值范围.u_m最小值等于规范要求最小值，最大值等于规范要求最大值与求解方程T₃=T_f2所得u_m值这两者中较小者.