氣固兩相流表觀發(fā)射率的實(shí)驗(yàn)研究

張瑞卿，楊定華，呂俊復(fù)，王啟民

(1.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120; 2.清華大學(xué) 熱能工程系，北京 100084; 3.沈陽(yáng)工程學(xué)院 科技處，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

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氣固兩相流表觀發(fā)射率的實(shí)驗(yàn)研究

張瑞卿1，楊定華2，呂俊復(fù)2，王啟民3

(1.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120; 2.清華大學(xué) 熱能工程系，北京 100084; 3.沈陽(yáng)工程學(xué)院 科技處，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

氣固兩相流的輻射換熱是其傳熱的主要方式之一，準(zhǔn)確計(jì)算氣固兩相流的輻射換熱需要掌握其發(fā)射率。結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)搭建了固相顆粒群表觀發(fā)射率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)，提出了一種氣固兩相流發(fā)射率的簡(jiǎn)便測(cè)試方法。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了顆粒溫度、顆粒濃度及顆粒粒徑等因素對(duì)固相表觀發(fā)射率的影響。測(cè)試結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，氣固兩相流的表觀發(fā)射率與固體濃度正相關(guān)；顆粒群的表觀發(fā)射率隨顆粒溫度的升高而降低，顆粒粒徑的影響可以忽略。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了考慮顆粒濃度、溫度的顆粒群表觀發(fā)射率經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，表明其具有良好的可靠性。

氣固兩相流；輻射換熱；發(fā)射率

氣固兩相流與壁面的換熱在工業(yè)過(guò)程中的應(yīng)用十分廣泛，比較常見(jiàn)的流型主要有填充床、鼓泡床以及快速床等[1]。當(dāng)氣固兩相流溫度較高時(shí)，輻射換熱的作用就變得很重要[2-4]。對(duì)于不同流型中的輻射換熱計(jì)算，已有學(xué)者通過(guò)理論推導(dǎo)給出了詳細(xì)機(jī)理模型[5-8]。在工程應(yīng)用中，對(duì)于氣固兩相流與壁面的輻射換熱，一般假設(shè)為兩塊無(wú)限大平行平板間的輻射換熱。在此假設(shè)下，計(jì)算輻射換熱系數(shù)，需要的已知參數(shù)包括顆粒溫度、壁面溫度、氣固兩相流發(fā)射率以及壁面發(fā)射率。其中，氣固兩相流發(fā)射率相比于其他參數(shù)，不易獲得且計(jì)算方法相對(duì)復(fù)雜，因此準(zhǔn)確獲得氣固兩相流發(fā)射率是輻射換熱計(jì)算的難點(diǎn)和關(guān)鍵。

已有研究提出了循環(huán)流化床鍋爐中氣固兩相流發(fā)射率的計(jì)算方法[9]，其核心思路是將氣固兩相流發(fā)射率分解為固相發(fā)射率和氣相發(fā)射率，并將固相發(fā)射率與空間顆粒濃度等參數(shù)關(guān)聯(lián)。值得注意的是，顆粒群組成的固相發(fā)射率與顆粒的本征發(fā)射率有所不同，顆粒群發(fā)射率需要考慮顆粒濃度、顆粒本征發(fā)射率甚至光學(xué)厚度等參數(shù)[10-14]。因此，提出了一種相對(duì)簡(jiǎn)便的測(cè)試方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同濃度顆粒群固相發(fā)射率的間接測(cè)量，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了顆粒溫度、顆粒濃度及顆粒粒徑等因素對(duì)發(fā)射率的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了固相發(fā)射率的預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，為工程實(shí)際中氣固兩相流的輻射換熱計(jì)算提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

測(cè)量固相發(fā)射率的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是固體表面溫度和輻射強(qiáng)度的測(cè)量，根據(jù)輻射熱流與理論輻射熱流的比值即可得到被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率[15]。以建立固相發(fā)射率的相關(guān)關(guān)聯(lián)式為目的，為工程實(shí)際計(jì)算提供依據(jù)，據(jù)此提出了一種不同濃度顆粒群固相發(fā)射率的間接測(cè)量方法。

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。爐體為垂直管電加熱爐，加熱功率為2 kW，最高加熱溫度可達(dá)1 200 ℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將固體顆粒在馬弗爐中預(yù)熱，達(dá)到某設(shè)定溫度后裝入石英玻璃管中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求精確調(diào)整，加熱到實(shí)驗(yàn)溫度。石英玻璃管內(nèi)徑為80 mm，有效高度為400 mm。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，調(diào)整固體排空閥的開(kāi)度，高溫顆粒從管中下落，在固體排空閥出口處布置有K型熱電偶，用以測(cè)量下落顆粒的瞬時(shí)溫度。為了提高該熱電偶的響應(yīng)速度，熱電偶采用較小的直徑，為0.25 mm。固體排空閥下面設(shè)置與計(jì)算機(jī)相聯(lián)的在線稱重裝置，以測(cè)量顆粒的質(zhì)量流量。在線稱重裝置的量程為10 kg，精度為1 g。

輻射熱流計(jì)型號(hào)為Medtherm，其量程為50 kW/m2，其位置利用光學(xué)升降臺(tái)將輻射熱流傳感器在固體排空閥出口附近調(diào)整。測(cè)溫?zé)犭娕技盁崃饔?jì)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡連接到計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡的型號(hào)為USB-2408-2AO，采集速度1 kHz。為了保護(hù)熱流計(jì)，設(shè)置了冷卻輻射熱流計(jì)的水循環(huán)系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)的固體物料采用窄篩分石英砂，其平均粒徑分別為200 μm、330 μm、500 μm。

1.2 輻射熱流傳感器

實(shí)驗(yàn)的核心測(cè)量設(shè)備為輻射熱流計(jì)。輻射熱流計(jì)的測(cè)量精度受到視窗材料的影響[3]。實(shí)驗(yàn)中，溫度范圍為873～1 173 K，該溫度范圍內(nèi)輻射的主要波長(zhǎng)范圍為1～20 μm。為了提高輻射熱流的測(cè)量精度，輻射熱流傳感器特別選擇了在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有較高透射率的鋅化硒作為窗口材料。

1-固體進(jìn)口；2-爐管(石英玻璃)；3-加熱爐；4-溫度控制器；5-計(jì)算機(jī)；6-數(shù)據(jù)采集卡；7-固體排空閥；8-輻射熱流計(jì)；9-水箱；10-水泵；11-料斗；12-在線稱重裝置；13-熱電偶；14-冷卻水進(jìn)口；15-冷卻水出口；16-熱流信號(hào)；17-固體出口；18-固體排空閥詳圖；19-保溫層

1.3 顆?？臻g濃度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)通過(guò)特別設(shè)計(jì)的石英玻璃固體排空閥以控制測(cè)點(diǎn)處的固體顆粒濃度。若石英玻璃固體排空閥出口處的橫截面積為A[m2]、在線稱重系統(tǒng)得到的顆粒質(zhì)量流量為Gs[kg/s]、顆粒在出口處的下落速度為up[m/s]，則該處對(duì)應(yīng)的固體顆粒懸浮濃度ρsus[kg/m3]為

(1)

為獲得顆粒下落速度，首先進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，以確定石英閥門開(kāi)度與顆粒下落速度的關(guān)系。冷態(tài)實(shí)驗(yàn)中，固體排空閥出口的顆粒下落速度采用中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研發(fā)的PV6D型顆粒濃度速度分析儀測(cè)量。采用不同粒徑的床料進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果可匯總為如圖2所示的標(biāo)定曲線。由圖2可見(jiàn)，閥門開(kāi)度與顆粒下落速度具有線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)比對(duì)固定閥門開(kāi)度下冷熱兩種狀態(tài)的流量發(fā)現(xiàn)，在該實(shí)驗(yàn)裝置條件下，顆粒在出口處的流動(dòng)狀態(tài)與溫度關(guān)聯(lián)并不大。所以，將以圖2所示的閥門開(kāi)度與顆粒下落速度的關(guān)系作為依據(jù)，確定熱態(tài)實(shí)驗(yàn)相應(yīng)工況下的顆粒下落速度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的顆粒質(zhì)量流率及顆粒下落速度，即可得到平均顆粒濃度。

圖2 顆粒質(zhì)量流量/顆粒下落速度與閥門開(kāi)度的關(guān)系

2 數(shù)據(jù)處理方法

熱態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，輻射熱流計(jì)與氣固兩相流動(dòng)之間的幾何關(guān)系如圖3所示。氣固兩相流動(dòng)的高溫顆粒群向周圍空間的輻射是三維各個(gè)方向均存在的，其中的部分輻射能將被輻射熱流計(jì)的熱敏元件吸收。假設(shè)向空間的輻射各向同性，則熱敏元件吸收的能量占高溫顆粒群發(fā)射的全部能量的比例，完全取決于二者的幾何關(guān)系。輻射換熱的計(jì)算中，這類問(wèn)題通常通過(guò)角系數(shù)來(lái)解決。

圖3 輻射熱流計(jì)與氣固兩相流動(dòng)之間的幾何關(guān)系

根據(jù)角系數(shù)定義以及相關(guān)性質(zhì)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置的幾何結(jié)構(gòu)特征，即可求得顆粒群對(duì)傳感器的角系數(shù)Fst，根據(jù)角系數(shù)互換性，就可得到傳感器對(duì)顆粒群的角系數(shù)Fts。如果被測(cè)顆粒群的平均溫度為Ts，輻射熱流計(jì)測(cè)得的熱流密度值為qt，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)得到的角系數(shù)為Fst，假設(shè)顆粒群為灰體，則其理論發(fā)射熱流即顆粒群?jiǎn)挝粫r(shí)間及單位面積向半球空間所有方向輻射出去的全部波長(zhǎng)的能量的總和為

(2)

按照各向輻射均勻的假設(shè)，則這些能量中被傳感器吸收的輻射熱流密度為

(3)

式(3)中，As為顆粒群有效輻射面積、At為傳感器接收面積，可以根據(jù)傳感器接收到的熱流密度估算出顆粒群的發(fā)射率為

(4)

以上便是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的理論依據(jù)。由此可以看出，根據(jù)熱流計(jì)傳感器對(duì)顆粒群的角系數(shù)、顆粒群的表面溫度和輻射熱流密度，即可得出顆粒群的發(fā)射率。

3 結(jié)果分析與討論

不論傳感器對(duì)應(yīng)什么位置，理論上均可根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)得到相應(yīng)的角系數(shù)，進(jìn)而可以測(cè)量出相應(yīng)的顆粒群發(fā)射率。為了提高測(cè)量精度，盡量增大測(cè)量信號(hào)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固體顆粒直徑為d1=2 mm條件下信號(hào)較強(qiáng)，此時(shí)Fts=0.43。

填充床和流化床一般運(yùn)行在800～1 200 K的溫度區(qū)間內(nèi)，此實(shí)驗(yàn)即在該溫度區(qū)間進(jìn)行。根據(jù)維恩位移定律可知，800～1 200 K溫度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在0.6～15.0 μm范圍內(nèi)，因此實(shí)驗(yàn)所得到的發(fā)射率并不是嚴(yán)格意義上的本征光譜發(fā)射率，而是波長(zhǎng)在0.6～15.0 μm范圍內(nèi)的平均發(fā)射率，這一波段涵蓋了可見(jiàn)光和紅外范圍。為保證概念的嚴(yán)謹(jǐn)性，統(tǒng)一稱之為表觀發(fā)射率。

3.1 顆粒群表觀發(fā)射率與溫度的關(guān)系

圖4是平均粒徑分別為200 μm、330 μm和500 μm的顆粒群在不同顆粒濃度的條件下，溫度對(duì)表觀發(fā)射率的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖4可以看出，不論顆粒大小，相同顆粒濃度條件下，隨溫度的提高，顆粒群的表觀發(fā)射率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果是一致的[16]。實(shí)驗(yàn)中的溫度是顆粒群的平均溫度。值得特別說(shuō)明的是，固體顆粒的發(fā)射率在更廣的溫度范圍內(nèi)并不是隨溫度單調(diào)變化的，而是呈現(xiàn)比較復(fù)雜的變化規(guī)律，因此表觀發(fā)射率隨溫度提高而下降的結(jié)果僅在800～1 200 K 有意義。

圖4 顆粒平均溫度對(duì)其表觀發(fā)射率的影響

3.2 顆粒群表觀發(fā)射率與顆粒濃度的關(guān)系

顆粒群濃度對(duì)表觀發(fā)射率的影響如圖5所示。由圖 5可知，無(wú)論顆粒大小，隨著顆粒濃度的增加，顆粒群的表觀發(fā)射率從0迅速提高。當(dāng)顆粒群的濃度達(dá)到200 kg/m3以后，濃度增加度對(duì)表觀發(fā)射率的影響趨于平緩。這一變化趨勢(shì)可以理解為：當(dāng)顆粒濃度很小的時(shí)候，由于氣固兩相流的氣相為空氣，而空氣是透明介質(zhì)，其輻射效應(yīng)可以忽略，因此輻射熱流計(jì)傳感器接收到的輻射主要源于固體顆粒，顆粒濃度增加將導(dǎo)致更多的輻射熱量投射到傳感器上。顆粒下落過(guò)程中，顆粒之間充滿有一定氣相，但傳感器的視角中，當(dāng)顆粒濃度增大到一定程度后，顆粒群在輻射熱流計(jì)傳感器上的投影占據(jù)了主要部分，此時(shí)再增加顆粒濃度，輻射熱流計(jì)傳感器接收到的輻射熱量不再顯著增加，接收到的輻射熱量變化逐漸趨于平緩。由于在固定的幾何條件下，即角系數(shù)恒定時(shí)，只有表觀發(fā)射率影響輻射熱流，因此顆粒濃度對(duì)表觀發(fā)射率的影響與其對(duì)輻射熱流的影響基本類似?？梢?jiàn)，顆粒濃度是影響顆粒群表觀發(fā)射率的重要因素之一。

3.3 顆粒群表觀發(fā)射率與顆粒粒徑的關(guān)系

三種典型顆粒濃度下，不同粒徑顆粒群的表觀發(fā)射率與溫度的關(guān)系如圖6所示。由圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，顆粒粒徑對(duì)顆粒群的表觀發(fā)射率的影響似乎沒(méi)有明確的關(guān)系。顆粒粒徑的影響主要體現(xiàn)在一定的空間內(nèi)，不同粒徑對(duì)應(yīng)的空隙率有所不同，而如上所述，顆粒群的狀態(tài)相對(duì)于熱流計(jì)的傳感器來(lái)說(shuō)接近于連續(xù)介質(zhì)；顆粒群有一定厚度，顆粒之間存在輻射的折射和反射作用，最終向外輻射的能量(包括熱流計(jì)的傳感器接受的能量)實(shí)際上是這些顆粒的折射、反射的綜合疊加結(jié)果，顆粒群空隙的影響對(duì)此折射、反射的疊加最終效果不產(chǎn)生決定性影響，因此顆粒粒徑對(duì)氣固兩相流的輻射熱量傳遞中的地位不是非常重要。圖6中不同粒徑顆粒群的表觀發(fā)射率差異較小，且無(wú)明顯的規(guī)律，無(wú)法獲得發(fā)射率與粒徑的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)的固體顆粒是窄篩分，但也有一定的粒徑范圍，并非單粒徑，各種粒徑顆粒相互作用，因此從平均意義上講，在氣固兩相流的發(fā)射率計(jì)算時(shí)，顆粒粒徑的影響可以忽略。

圖5 顆粒濃度對(duì)表觀發(fā)射率的影響

4 顆粒群表觀發(fā)射率模型

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以得到考慮溫度和濃度影響的顆粒群表觀發(fā)射率經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

(5)

式中，Cpp為空間顆粒濃度，kg/m3；Tp為顆粒溫度，K；k、n、m均為實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合功能可以得到：k=0.02～0.04，n=0.7～0.8，m=1.2～1.4。特別地，式(5)的適用范圍即實(shí)驗(yàn)中的顆粒溫度范圍為800～1 200 K，對(duì)于顆粒低于800 K的情況，則推薦采用800 K時(shí)的發(fā)射率作為參考值。

上述模型并不能直接應(yīng)用于求解氣固兩相流中的固相發(fā)射率。實(shí)際上，測(cè)試得到的顆粒群的表觀發(fā)射率與氣固兩相流中的固相發(fā)射率有所區(qū)別，由于實(shí)驗(yàn)被測(cè)對(duì)象的顆粒群厚度非常薄，可認(rèn)為是“單層”顆粒群，其表觀發(fā)射率反映了顆粒濃度和顆粒溫度對(duì)于輻射的影響，而利用式(5)計(jì)算得到的也是“單層”顆粒群的等效發(fā)射率。而對(duì)于實(shí)際氣固兩相流輻射的計(jì)算，會(huì)經(jīng)常引入“無(wú)限厚”粒子層的概念，也即認(rèn)為顆粒層的厚度對(duì)輻射換熱的影響不可忽略。與換熱面直接相對(duì)的一層顆粒對(duì)換熱面的輻射并不是該層顆粒的單一作用，而是始終受到其背后“無(wú)限厚”的顆粒的背景作用，因此最后的換熱效果相比單層顆粒有明顯增強(qiáng)。如果引入Brewster的模型[11]，即可將式(5)中所計(jì)算的“單層”顆粒群的發(fā)射率修正為“無(wú)限厚”顆粒群的發(fā)射率，計(jì)算結(jié)果即可認(rèn)為是固相發(fā)射率：

(6)

根據(jù)已有研究[9]中提出的氣固兩相流發(fā)射率計(jì)算方法，氣固兩相流發(fā)射率可由下式求解：

εb=εg+εs-εgεs

(7)

式中，εb、εg分別為氣固兩相流發(fā)射率和氣相發(fā)射率。

截至目前，關(guān)于氣固兩相流顆粒群發(fā)射率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，研究十分有限。利用前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[17]，對(duì)上述建立的模型進(jìn)行檢驗(yàn)。圖7為上述模型與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的比較。由于原文獻(xiàn)中沒(méi)有區(qū)分實(shí)驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，僅提供了顆粒溫度的大致范圍為473～843 K。圖7中給出溫度為473 K和843 K時(shí)，利用提出的模型的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯撃Ｐ团cHan的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得比較好。

圖6 顆粒群表觀發(fā)射率與顆粒粒徑的關(guān)系

圖7 文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該模型預(yù)測(cè)結(jié)果比較

5 結(jié) 論

結(jié)合工程實(shí)際，搭建了顆粒群表觀發(fā)射率實(shí)驗(yàn)臺(tái)，提出了一種相對(duì)簡(jiǎn)便的固相顆粒群表觀發(fā)射率的測(cè)量方法，并針對(duì)這一發(fā)射率與顆粒粒徑、顆粒溫度、顆粒濃度等因素的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，顆粒濃度越大，表觀發(fā)射率越大；隨顆粒溫度的升高，顆粒群的表觀發(fā)射率降低，而顆粒粒徑對(duì)顆粒群的表觀發(fā)射率的影響并不顯著。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了考慮顆粒濃度、溫度的顆粒群表觀發(fā)射率經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，進(jìn)而可將經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算得到的“有限厚”顆粒群的表觀發(fā)射率修正為床層中“無(wú)限厚”顆粒群的發(fā)射率，進(jìn)一步計(jì)算得到氣固床層發(fā)射率，與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，該模型具有良好的可靠性。

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(責(zé)任編輯張凱校對(duì)魏靜敏)

ExperimentalStudyonApparentEmissivityofGas-solidFlow

ZHANG Rui-qing1,YANG Ding-hua2,LV Jun-fu2,WANG Qi-min3

(1.Electric Power Planning & Engineering Institute,Beijing 100120; 2.Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084;3.Science and Technology Department,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

The emissivity of the gas-solid two-phase bed is critical to accurate calculation of the radiation heat transfer in the high-temperature gas-solid two-phase flow.In this paper,an experimental platform for testing the apparent emissivity of solid particles was constructed and an indirect measurement method of the apparent emissivity of solid particles at different concentrations was carried out.The effects of particle temperature,particle concentration and particle size on the apparent emissivity were studied systematically.The experimental results showed that the larger the particle concentration was,the higher the apparent emissivity would be,while the apparent emissivity decreased with the increase of particle temperature,but the effect of particle size on the emissivity was not significant.Based on the experimental data,the empirical correlation of the apparent emissivitywas established,whichwas the function of temperature and the suspension density of solid.The comparison between the empirical correlation and the data from literature confirms its availability.

Gas solid two phase flow; radiation heat transfer; emissivity

2017-05-22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0600205)

張瑞卿(1986-)，男，甘肅嘉峪關(guān)人，工程師，博士，主要從事能源電力規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.004

TK124

： A

： 1673-1603(2017)03-0210-07