顆粒簾換熱器氣體變徑均流裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

陳冬林，楊建波，程松青，吳秀珍

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410076;2.株洲新時(shí)代環(huán)保科技有限公司，湖南 株洲 412007)

當(dāng)前，基于氣固兩相快速熱平衡原理的顆粒簾換熱器［1－3］以換熱效率高、漏風(fēng)量及阻力損失低、換熱能力實(shí)時(shí)可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)爐窯及電站鍋爐煙氣余熱回收領(lǐng)域具有無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)而日益受到研究人員的關(guān)注。顆粒簾換熱器典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，它使用微米級(jí)粒徑的硅砂顆粒等材料作為載熱體，根據(jù)氣固兩相快速熱平衡原理，將煙氣余熱傳遞給載熱體，再由載熱體將熱量傳遞給燃燒用空氣，實(shí)現(xiàn)深度回收煙氣余熱用于預(yù)熱燃燒用空氣的過程。

研究表明，顆粒簾換熱器中為使換熱顆粒不被氣流夾帶離開換熱通道，換熱通道中氣流流速一般要求低于2 m/s［4－5］，而現(xiàn)役典型工業(yè)爐窯的尾部煙道中煙氣流速約為7～10 m/s，因此，實(shí)際爐窯出口煙氣進(jìn)入顆粒簾換熱器時(shí)需首先調(diào)節(jié)其流速至允許值范圍。此外，顆粒簾換熱器中確保氣流與換熱顆粒的均勻充分接觸是實(shí)現(xiàn)氣粒兩相快速熱平衡、體現(xiàn)卓越換熱性能的基礎(chǔ)，為此需確保氣流在進(jìn)入換熱通道時(shí)在通道入口斷面上實(shí)現(xiàn)均勻分布?；诖?，筆者設(shè)計(jì)一種基于填充填料(包括散裝和規(guī)整填料)與孔板組合形式的氣體變徑均流裝置，并對(duì)安裝該變徑均流裝置的顆粒簾換熱器氣體均勻分布性能進(jìn)行研究。

圖1 顆粒簾換熱器結(jié)構(gòu)示意Figure 1 Schematic diagram of particle curtain heat exchanger

1 氣體變徑均流裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)顆粒簾換熱器的結(jié)構(gòu)，氣體變徑均流裝置內(nèi)通過填充不同組合形式的填料與孔板來實(shí)現(xiàn)氣流在換熱通道入口的均勻分布與流速調(diào)節(jié)，所選填料由散裝和規(guī)整填料組成，采用方形孔板。散裝填料是指具有一定幾何形狀與尺寸的單個(gè)物料，該實(shí)驗(yàn)中散裝填料選用鮑爾環(huán)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。規(guī)整填料是指具有整齊幾何結(jié)構(gòu)與規(guī)則排列流道的蜂窩式氣流流通通道，該實(shí)驗(yàn)中規(guī)整填料選用鋁蜂窩芯，其孔格邊長(zhǎng)分別為3，4，5 mm，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示;實(shí)驗(yàn)用方形孔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表1 散裝填料結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of bulk packing

表2 規(guī)整填料結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structure parameters of structured packing

表3 方形孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Structure parameters of square plate

根據(jù)不同填料間的組合形式設(shè)計(jì)6種氣體變徑均流裝置，如圖2所示，可以看出，各氣體變徑均流裝置中均設(shè)置有方形孔板，此外，在1#裝置中，還填充有散裝填料和1層孔格邊長(zhǎng)為5 mm的規(guī)整填料。2#和3#裝置中，均填充有孔格邊長(zhǎng)分別為4，5 mm的規(guī)整填料各1層，不同的是，3#裝置中還填充有散裝填料。4#，5#，6#裝置中，規(guī)整填料填充層數(shù)均為3層，不同的是，4#裝置中孔格邊長(zhǎng)為3 mm的設(shè)置2層、孔格邊長(zhǎng)為5 mm的設(shè)置1層;5#，6#裝置中規(guī)整填料孔格邊長(zhǎng)均為4 mm，設(shè)置2層，孔格邊長(zhǎng)為5 mm的均設(shè)置1層，另外，6#裝置中還填充有散裝填料。各氣體變徑均流裝置中，散裝填料的填充形式均為散亂堆積，多層規(guī)整填料間的填充形式為大孔格邊長(zhǎng)規(guī)整填料設(shè)置在前，小孔格邊長(zhǎng)規(guī)整填料設(shè)置在后，各層規(guī)整填料間的間隔均為35mm。

圖2 氣體變徑均流裝置結(jié)構(gòu)示意Figure 2 Schematic diagram of reducing uniform distribution devices

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置為基于單級(jí)換熱單元的顆粒簾換熱器，如圖3所示。換熱通道是2 000×800×1 000 mm的方形通道，在距換熱室入口30 cm處的換熱室頂部壁面沿?fù)Q熱室寬度方向等間距開有Y1－Y3共3個(gè)直徑為15 mm的測(cè)孔;距換熱通道入口30 cm處的換熱室側(cè)壁上沿?fù)Q熱室高度方向等間距的開有X1－X3共3個(gè)直徑為15 mm的測(cè)孔，測(cè)孔所在換熱通道斷面的測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)過程中保持變徑均流裝置入口氣體流量為4 000 m3/h不變，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的6種不同形式的變徑均流裝置，對(duì)各均流裝置出口氣流的均勻分布性能逐一測(cè)試，采用熱線風(fēng)速儀測(cè)量各設(shè)定測(cè)點(diǎn)位置處的氣流流速，采用液柱式U型管差壓計(jì)測(cè)量各均流裝置對(duì)氣流的流動(dòng)阻力。

圖3 基于單級(jí)換熱單元的顆粒簾換熱器示意Figure 3 Schematic diagram of the particle curtain heat exchangers based on the single-stage units

圖4 C-C向斷面測(cè)點(diǎn)布置示意Figure 4 Schematic diagram of measurement points in cross-section in C-C

2.2 氣流分布均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為便于定量分析各結(jié)構(gòu)形式的變徑均流裝置對(duì)氣流在換熱通道斷面的均勻分布程度，引入相對(duì)均方根值［6］作為評(píng)價(jià)氣流均勻分布性能的指標(biāo)，其計(jì)算公式為

式中 σ為相對(duì)均方根值;Vi為測(cè)試斷面上各測(cè)點(diǎn)流速值，m/s;V0為測(cè)試斷面上平均流速，m/s;n為測(cè)試斷面總測(cè)點(diǎn)數(shù)。

相對(duì)均方根值以通過計(jì)算斷面上各測(cè)點(diǎn)氣流速度值與該斷面氣流速度平均值間的波動(dòng)幅度來反映氣流在斷面上的均勻分布程度，其值越小表明各測(cè)點(diǎn)氣流流速值與截面平均流速間的差距越小，即氣流分布越均勻。參考國(guó)內(nèi)外電站鍋爐電除塵器入口斷面氣流均勻分布性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)σ≤0.25時(shí)認(rèn)為氣流均勻分布程度合格，0.1＜σ≤0.25時(shí)氣流均勻分布程度良好，σ≤0.1時(shí)氣流均勻分布程度優(yōu)秀［7］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 均流裝置出口氣流分布

1)縱向分布。

不同氣體變徑均流裝置出口氣流縱向分布如圖5所示，其縱向分布相對(duì)均方根值如圖6所示，可以看出，各變徑均流裝置出口氣流縱向分布的均勻性差異較大，如:1#，3#裝置的出口氣流縱向分布均勻性較差，其氣流分布相對(duì)均方根值分別達(dá)0.44和0.165，2#，6#裝置次之，4#，5#裝置出口氣流的縱向分布均勻性最好，其氣流縱向分布相對(duì)均方根值僅為0.070 9和0.072 1，鑒于該兩值均小于0.1，表明該兩變徑均流裝置的出口氣流縱向分布均勻程度達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 變徑均流裝置出口氣流縱向分布曲線Figure 5 Vertical distribution curves of the outlet air flow in uniform distribution device

此外，根據(jù)圖6，7中的2#，3#裝置的均流效果與5#，6#裝置的均流效果可知，在變徑均流裝置中填充散裝填料后，變徑均流裝置出口氣流的均勻分布性能不增反降，這是因?yàn)樯y堆積的散裝填料雖能通過改變流道結(jié)構(gòu)來調(diào)整氣流流向與分布，但由于各次填充時(shí)采用隨意的散亂堆積方式使得散裝填料間孔隙形狀、大小、位置等常發(fā)生變化而導(dǎo)致氣流流向不穩(wěn)定，進(jìn)而使得氣流分布均勻性能降低。

2)橫向分布。

圖6 變徑均流裝置出口氣流縱向分布相對(duì)均方根值Figure 6 Relative RMSvertical distribution of outlet air flow in uniform distribution device

根據(jù)6種不同結(jié)構(gòu)形式的變徑均流裝置出口氣流縱向分布效果，4#，5#裝置出口氣流縱向分布的均勻性明顯優(yōu)于其他變徑均流裝置。實(shí)驗(yàn)測(cè)得4#，5#裝置出口氣流橫向分布如圖7，8所示，其氣流橫向分布相對(duì)均方根值如圖9所示，可以看出，4#，5#裝置出口氣流橫向分布相對(duì)均方根值均低于0.1，說明兩裝置出口氣流橫向分布均勻程度均達(dá)優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。此外，對(duì)比分析該兩裝置出口氣流的縱向與橫向分布相對(duì)均方根值發(fā)現(xiàn)，其氣流橫向分布平均相對(duì)均方根值分別為0.034和0.038 6，較之縱向分布的相對(duì)均方根值0.070 9和0.072 1減小幅度約48%，說明該兩變徑均流裝置出口氣流的橫向分布均勻程度均優(yōu)于縱向分布約1倍。

圖7 4#裝置出口氣流橫向分布曲線Figure 7 Horizontal distribution curves of outlet airflow in device 4#

圖8 5#裝置出口氣流橫向分布曲線Figure 8 Horizontal distribution curves of outlet airflow in device 5#

圖9 變徑均流裝置出口氣流橫向分布相對(duì)均方根值Figure 9 Relative RMShorizontal distribution of outlet flow in uniform distribution device

另外，由圖9可知，4#裝置出口氣流橫向測(cè)點(diǎn)各行間的均勻分布相對(duì)均方根值差距較大，如:第1行各測(cè)點(diǎn)間氣流分布相對(duì)均方根值0.052遠(yuǎn)大于第2、第3行的0.021和0.022，波動(dòng)幅度達(dá)136%，而5#裝置出口氣流橫向測(cè)點(diǎn)各行間的相對(duì)均方根值波動(dòng)幅度值為39%，較4#裝置大大減小?？傮w而言，盡管4#，5#裝置出口氣流的橫向與縱向分布均勻程度均達(dá)優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，但5#裝置出口氣流橫向各行間分布均勻波動(dòng)幅度小于4#裝置，說明5#裝置出口氣流橫向分布均勻平穩(wěn)程度優(yōu)于4#裝置。

3.2 均流裝置的流動(dòng)阻力

氣流通過變徑均流裝置前、后的壓差反應(yīng)了氣流通過該變徑均流裝置前后所需克服的阻力，它直接揭示了氣流通過該變徑均流裝置時(shí)的能耗大小。實(shí)驗(yàn)測(cè)得氣流流經(jīng)各變徑均流裝置前、后的壓差變化如圖10所示，由圖可知，各變徑均流裝置對(duì)氣流流動(dòng)的阻力差異較大，具體表現(xiàn)為變徑均流裝置出口氣流分布越均勻則其對(duì)氣流的流動(dòng)阻力越大，4#裝置前、后的氣流壓差值637 Pa大于5#裝置前、后的氣流壓差值590 Pa。這是因?yàn)樽儚骄餮b置在調(diào)整氣流分布的過程中，氣流分布越均勻說明氣流流向調(diào)整幅度越大，而這一調(diào)整過程需要?dú)饬魍ㄟ^消耗自身的能量來實(shí)現(xiàn)，因此，變徑均流裝置出口氣流均勻分布性能越好則其對(duì)氣流的流動(dòng)阻力越大［8］。此外，對(duì)比2#，3#裝置和5#，6#裝置的氣流流動(dòng)阻力值可發(fā)現(xiàn)，變徑均流裝置中填充入散裝填料后，其對(duì)氣流流動(dòng)的阻力值大大增大，不利于顆粒簾換熱器的連續(xù)正常運(yùn)行。

圖10 變徑均流裝置對(duì)氣流的流動(dòng)阻力Figure 10 Flow resistance imposed on airflow in uniform distribution device

綜上所述，根據(jù)最優(yōu)的氣體變徑均流裝置應(yīng)同時(shí)具備較高的出口氣流均勻分布性能與較低的流動(dòng)阻力，綜合比較發(fā)現(xiàn)，盡管4#裝置出口氣流均勻分布性能略優(yōu)于5#裝置，但該兩裝置出口氣流均勻分布程度仍均達(dá)優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，且5#裝置出口氣流橫向分布各行間均勻程度的波動(dòng)幅度和流動(dòng)阻力均小于4#裝置，因此，5#變徑均流裝置是該實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)變徑均流裝置。

3.3 氣流流動(dòng)特性對(duì)均流裝置的均流效果

為分析入口氣流流動(dòng)特性對(duì)變徑均流裝置的均流效果，實(shí)驗(yàn)研究了不同入口氣流Re數(shù)下5#裝置出口氣流的縱向分布均勻程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖可知，隨著入口氣流Re數(shù)的增大，5#裝置出口氣流的縱向分布均勻程度略有下降，這是因?yàn)樵跉饬魅肟谕ǖ澜孛婀潭ǖ那闆r下，Re數(shù)增大表現(xiàn)為入口氣流流速增大，使得氣流流經(jīng)變徑均流裝置的時(shí)間相對(duì)縮短，相當(dāng)于減小了調(diào)整氣流分布的時(shí)間，因此出口氣流均勻分布性能下降。

圖11 氣流流動(dòng)特性對(duì)5#變徑均流裝置的均流效果Figure 11 Averaging current effects of airflow characteristics on the current adjustable device 5#

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)設(shè)計(jì)的顆粒簾換熱器中6種不同結(jié)構(gòu)形式的變徑均流裝置出口氣流均勻分布性能及其流動(dòng)阻力的實(shí)驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論。

1)5#變徑均流裝置出口氣流縱向與橫向分布的均勻程度均達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，且橫向分布的均勻程度優(yōu)于縱向分布約一倍，滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)證明采用筆者設(shè)計(jì)的氣體變徑均流裝置對(duì)于實(shí)現(xiàn)氣流在換熱通道入口斷面的均勻分布是可行的。

2)變徑均流裝置中，填充散裝填料不僅不能改善變徑均流裝置出口氣流的均勻分布程度，還會(huì)增大其對(duì)氣流的流動(dòng)阻力，因此實(shí)際過程中應(yīng)不考慮填充散裝填料。

3)變徑均流裝置出口氣流均勻分布程度隨入口氣流Re數(shù)增大而減小。

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