顆粒簾換熱器顆粒均流裝置的設計與實驗

陳冬林，王甘泉，王 安

（長沙理工大學 能源與動力工程學院，湖南 長沙 410076）

中國各行業(yè)化石燃料轉化與燃燒熱利用過程中存在巨量的余熱資源。據(jù)統(tǒng)計，中國每年可直接回收利用的工業(yè)余熱資源折合標準煤達4 000多萬噸［1－2］，但目前因受技術與成本等方面的限制僅回收34.9%左右。顯然，高效低成本新型余熱利用技術的研究開發(fā)與應用對提高中國的能源利用效率與“節(jié)能減排”具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，由于國內外用于余熱回收利用的主要裝置——管殼式空氣預熱器受到換熱原理及結構等方面的限制，長期存在漏風率大、易堵灰及低溫腐蝕等問題［3－4］。為了克服這些問題，提高余熱回收利用率，一種基于氣粒兩相流快速熱平衡理論［5－7］的余熱回收裝置被提出，稱之為顆粒簾換熱器，該種換熱器較傳統(tǒng)空預器換熱效率高出3～5倍，并且具有換熱特性實時調節(jié)等技術優(yōu)勢［8－9］，其工作原理如圖1所示，換熱器采用粒徑約0.15mm的硅砂顆粒作為載熱體進行熱傳遞，以實現(xiàn)余熱回收。

圖1 顆粒簾換熱器工作原理示意Figure 1 Schematic diagram of particle curtain heat exchanger

顆粒簾換熱器中，余熱回收主要發(fā)生在顆粒與氣流相接觸的過程中，要保證裝置的換熱效率，就需盡可能使氣流與顆粒均勻接觸。如何提高顆粒下落的均勻性是顆粒簾換熱器需要攻克的關鍵技術，針對顆粒均勻裝置進行設計與實驗研究。

1 顆粒均流裝置結構及工作原理

在顆粒簾換熱器中，均流裝置頂部與儲料漏斗連接，底部與換熱室連接，起到承上啟下的作用。為保證顆粒能夠連續(xù)地通過均流裝置進入換熱室，儲料漏斗設計成錐形漏斗，相應地，連接儲料漏斗的均流裝置頂部入口處設計為圓形。而顆粒在換熱室內下落過程必須均勻的充滿整個換熱室矩形橫截面，否則氣流將從顆粒簾與換熱室內壁的夾縫中流出，減少氣流與顆粒接觸的機會，降低氣流與顆粒熱交換的效率。因此，均流裝置底部出口應當設計為矩形，以保證顆粒能夠均勻充滿換熱室橫截面。

由此可以確定均流裝置的外型為方圓節(jié)，內部由3塊多孔板構成，如圖2所示，3塊多孔板呈等腰三角形布置，當顆粒進入均流裝置后顆粒會沿多孔板滑落，并從多孔板上的小孔下落，下落的顆粒最終通過均流裝置出口的多孔板進入下一級裝置，以此實現(xiàn)顆粒在矩形平面上的平均分布。

圖2 均流裝置示意Figure 2 Schematic diagram of uniforming device

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

為了探究顆粒均流效果，設計實驗裝置，如圖3所示，儲存漏斗為整個實驗裝置提供連續(xù)穩(wěn)定的顆粒來源；放料開關控制整個實驗的啟停，料槽起到收集實驗顆粒的作用，為了便于對下落過程中的顆粒分布情況進行觀察、記錄，采用支架將均流裝置抬高，使得顆粒在落入料槽前有一段觀察窗口。

圖3 均勻實驗裝置Figure 3 Device for uniforming experiment

2.2 多孔板結構

多孔板采用厚度5mm的鋼板沖孔而成，其設計主要包括布孔方式、孔徑以及孔間距。多孔板的布孔方式主要有正方形排列（順列）與正三角形排列（錯列）。由于顆粒均流裝置在工作過程中，大量顆粒下落，多孔板會承受較大壓力，從強度角度考慮錯列布孔具有較小的削弱系數(shù)［10］；從板面利用率角度考慮，錯列布孔同樣優(yōu)于順列布孔［11］，因此，多孔板設計選擇錯列布孔，如圖4所示。

圖4 多孔板示意（單位：mm）Figure 4 Schematic diagram of perforated plate（unit：mm）

為避免顆粒下落過程中發(fā)生堵塞現(xiàn)象，孔板開孔直徑與顆粒直徑之比要大于7［12］，實驗采用顆粒粒徑約0.15mm，因此多孔板的孔徑φ應至少大于1.05mm。實驗設計3種不同孔徑多孔板，孔徑分別為φ6，φ8，φ10mm，采用錯列布孔，孔間距為40 mm；實驗設計4種不同孔間距的多孔板，孔間距s分別為35，40，45，50mm，均采用錯列布孔，孔徑為10mm。

2.3 測量方法

將顆粒下落區(qū)域平均分成若干個空間（圖3），每個空間截面積為100mm×100mm，對每個空間內掉落中的顆粒進行“等速取樣”，即在對每個空間進行取樣過程中，采用相同的容器，停留相同的時間。通過計算可以得到每個取樣空間中顆粒質量流量。

方差能夠反映隨機變量與均值之間的偏離程度，定義樣本顆粒質量流量方差為顆粒下落均勻性指標。若樣本顆粒質量流量方差＝0，則說明所有空間內顆粒流量相同，整個區(qū)域內顆粒均勻下落，越小表示整個區(qū)域內顆粒下落越均勻。通過分析顆粒流量方差可以確定顆粒均流裝置的作用效果。

3 結果與分析

3.1 多孔板孔徑對顆粒分布均勻性影響

當多孔板孔徑分別為6，8，10mm時，顆粒下落區(qū)域流量分布如圖5所示，可以看出，隨著多孔板孔徑從6mm增大至10mm，顆粒下落的平均質量流量由1kg/s上升至1.84kg/s，這是由于孔徑增大導至多孔板開孔率增加，單位截面積上能夠使得更多的顆粒通過多孔板。

圖5 孔板孔徑對顆粒流量分布的影響Figure 5 Influence of pore diameter to particle flow distribution

分別計算顆粒質量流量方差，如圖6所示，可以看出，流量方差值較小，維持在0.005 5附近，說明顆粒均流裝置的作用效果較好。而當孔徑從6mm增大至10mm時，顆粒流量方差變化不到5%，由此可見孔徑變化對于顆粒均勻分布影響較小。

圖6 孔徑對顆粒流量方差影響Figure 6 Pore diameter’s influence on particle flow distribution

3.2 多孔板孔間距對顆粒分布均勻性影響

當多孔板孔間距s分別為50，45，40，35mm時，顆粒下落區(qū)域流量分布如圖7所示，可以看出，隨著多孔板孔間距的縮小，顆粒下落的平均質量流量增大，這是由于孔間距減小后，整個多孔板平面上孔數(shù)增多，導至開孔率增加使得顆粒流量增大。

圖7 孔板孔間距對顆粒流量分布的影響Figure 7 Influence of center distance to particle flow distribution

分別計算不同孔間距情況下顆粒質量流量方差，如圖8所示，可以看出，當孔間距由50mm減小至40mm的過程中，顆粒流量方差降低了75%，而當孔間距由40mm減小至35mm的過程中，顆粒流量方差僅減小了4%。這是由于孔間距的減小有利于顆粒平均分布，因此隨著孔間距減小顆粒均勻性增強；當孔間距減小到一定程度后，顆粒增加的均勻性在這一宏觀尺寸上產(chǎn)生的影響不大，因此導至顆粒流量方差變化不明顯。

圖8 孔間距對顆粒流量方差影響Figure 8 Center distance’s influence on particle flow distribution

4 結語

1）對于以錯列方式布孔的多孔板，當孔徑φ＝10mm，孔間距s＝40mm時，顆粒下落分布均勻性很好；

2）顆粒通過均流裝置的質量流量隨孔徑的增大而增加，對于孔徑φ6～12mm的多孔板，顆粒分布均勻性比較好；

3）隨著多孔板孔間距（大于40mm）的繼續(xù)增加，相應的顆粒質量流量方差大幅度增大，說明持續(xù)拉大孔間距對顆粒均流效果起到反作用。

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