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陶瓷蓄熱體換熱性能和阻力性能的實驗研究

    [摘要]介紹一種結合高頻換向技術的新型陶瓷蓄熱式換熱器的工作原理,在幾種不同工況下 對蓄熱體的換熱性能和阻力性能進行實驗測試,并比較安裝方孔蜂窩體、六邊形蜂窩體和球體的換熱器在同種工況下的性能差異。
    [關鍵詞]節能;蜂窩陶瓷蓄熱體;換熱系數
    [中圖分類號] TK16 [文獻標識碼] A [文章編號] 1006-3986(2007)02-0022-03
    1 引言
    目前電站鍋爐安裝的空氣預熱器多采用回轉蓄熱式或鋼管式,前者有轉動裝置,功率消耗大,制造精度要求高,空氣側向煙氣側漏風問題嚴重;后者體 積大,鋼材耗量大,在低溫區受熱面的露點腐蝕和積灰堵塞比較嚴重。
    本文參考在玻璃爐窯等設備上采用的格子磚蓄熱式換熱器的工作原理,以一種新型材料—蜂窩陶瓷作為蓄熱體,結合高頻換向閥設計一種蓄熱式空 氣換熱器。在該換熱器中,煙氣和空氣在換向閥的 控制下交替流經蓄熱體,煙氣流過時熱量被蓄熱體吸收并蓄積,一段時間后閥門切換,冷空氣流入,在蓄熱體中得到預熱(如圖1)[1]。它具有傳熱面結構緊湊、比表面積大、流通性能好、耐高溫、耐腐蝕、不易積灰堵塞,冷、熱流體摻混少,即使蓄熱體產生裂紋也不會對換熱有大的影響等優點。與格子磚蓄熱式換熱器比較,其切換周期短,經過換熱器預熱后的 空氣溫度比較均勻。本文就目前常見的三種蓄熱體———陶瓷球、正六邊形孔蜂窩陶瓷(以下簡稱六邊蜂窩)、正方形孔蜂窩陶瓷(以下簡稱方孔蜂窩) 在傳熱和阻力兩方面的性能通過實驗進行比較其優缺點。

 2 實驗裝置和操作流程
    2.1 蓄熱材料介紹
    三種蓄熱體結構參數見表1。

    比表面積指單位體積的蓄熱體所擁有的換熱面積,通過率指在垂直氣體流動方向的截面上,通流面積占總截面的百分比。當量直徑dm=4A/C(A為蓄熱體橫截面上任一孔隙的面積,C孔隙周長)。
    2.2 實驗裝置介紹
    實驗裝置如圖2。A, B為流量調節閥,手動控 制。C-J為換向閥,由裝在各閥上氣動執行器帶動。 1和5分別送熱風和冷風。2為電加熱管,長1. 5 m 直徑50 mm,加熱管兩端焊上電極與加熱電源相連。 3為電流互感器, 2和3合為加熱裝置。4為蓄熱 室,內放蓄熱體。6為空壓機,與氣動執行器相連提供壓縮空氣。7為脈沖發生器,與氣動執行器上的電磁閥相連,定期發送脈沖。電磁閥每接收到一個脈沖就使換向閥動作一次。8為變頻器,與風機 相連。9為微壓計,兩端與蓄熱室的進出口管路上的靜壓孔相連。10為轉子流量計,保證裝置氣密性和絕熱性良好。

    2.3 待測參數和測量點布置
    實驗需要測量的參數有:熱、冷空氣流量Gf, Ga;空氣流過蓄熱體前后靜壓差ΣΔp=p1-p2;熱、 冷空氣出入蓄熱體的溫度tf、tf′、ta、ta′。 測量點布置如圖3。流量通過轉子流量計讀出 溫度用熱電偶測量。
    2.4 實驗流程
    以方孔蜂窩蓄熱體為例,六邊蜂窩和球體測量與方孔蜂窩相同,但放入球體時,應保證球體在蓄熱室內緊密堆積,兩蓄熱室內球體數量盡可能相等。
    2. 4. 1 不同蓄熱體的阻力測量
    打開閥B,啟動風機5、空壓機6,控制脈沖發生器使閥CFHI保持常開,DEGJ保持常關。通過調節閥B開度得到不同的冷風量。實驗時空氣溫度 ta=24℃。
    2. 4. 2 不同蓄熱體換熱系數測量
    阻力系數測量完成后,啟動風機1,加熱器2,電 流互感器3,并開閥門A。調節脈沖發生器7使換向閥C-J每間隔一定時間T(換向周期)后動作一次, 冷、熱空氣交替流經每個蓄熱室,通過蓄熱體進行換 熱。熱空氣進口溫度tf通過調節加熱電流來控制。 冷空氣溫度ta即環境溫度。通過變頻器和閥門A、B 可以調節冷,熱空氣流量,測出從換熱器出來的空氣 溫度tf′、ta′。由于它們隨時間周期性變化,每隔T 5記錄一次。計算時采用它們對時間的平均值。

   3 試驗結果和理論分析
   3.1 不同蓄熱體阻力特性分析
    換熱器阻力ΣΔp由五部分組成:空氣流入蓄熱體時,由于流通截面縮小產生的阻力Δp1,空氣流過蓄熱體時的阻力Δp,空氣流出蓄熱體時因截面突擴 的阻力Δp1′。空氣流入和流出蓄熱室和管道連接的 漸擴漸縮段時,因蓄熱室橫截面積與管道橫截面積 不相等產生的阻力Δp2、Δp2′,如圖4。

    空氣在蓄熱體內流動受到的阻力按照管內流動阻力公式Δp =λLρu2/(2dm)計算,蓄熱體進出口的阻力可以用文獻[2]的公式計算,氣體流經漸擴漸縮段的阻力可用文獻[3]的公式計算。計算結果見表2。
    通過對蓄熱體內空氣Re數計算得知,球體內部是層流和過渡流(Re =1 888~4 813),而在蜂窩體內是層流(Re =162~746)。在Ga和蓄熱體高度L 相同情況下,三種換熱器的阻力損失為:球體>方孔蜂窩>六邊蜂窩。原因如下:

    (1)球體截面通過率為蜂窩體的1/6,流量相同的情況下,球體內空氣流速大約為蜂窩體的6倍,流速增大也就增大了阻力。球體內部流道截面呈現不規則的交替縮放,氣流經過時形成旋渦,使流體能量進一步耗散。蜂窩體內流道平滑,氣流處于層流狀態,因此阻力較小。
    (2)氣流內部粘性力和氣流與蓄熱體的摩擦力是阻力產生的根源。方孔蜂窩孔隙直徑只有六邊蜂窩的1/2,兩者的截面通過率(58%對62% )相差無幾,空氣在兩者內的流速可認為相等,但由于方孔蜂 窩當量直徑小,孔內橫截面上速度沿半徑方向上的 梯度du/dr大于六邊蜂窩,根據粘性力公式τ= μdu/dr可知方孔蜂窩內空氣的粘性力和摩擦力大于六邊蜂窩。
    3.2 蓄熱體導熱特性分析 各點的溫度見表3。

    蓄熱體導熱系數用單位面積的導熱系數KS和單位體積的導熱系數KV表示。
KS=Q /(βVΔt),KV=βKS。Δt為對數平均溫差,V為蓄熱體體積,Q為單位時間內冷空氣吸收的熱量,β為蓄熱體比表面積,根據表3的結果可計算換熱系數的實驗值。 氣流在蓄熱室內換熱可看成管內受迫對流換熱,可根據文獻[4]提供的方法計算,而空氣和蓄熱體之間的對流換熱系數用小直徑管內層流換熱公式 計算。結果見表4。

    在流量相同的情況下,三種換熱器傳熱系數 KS:陶瓷球>六邊蜂窩≈方孔蜂窩。安裝陶瓷球的換熱器內部流速遠大于裝蜂窩體的換熱器,并且球體內截面突變的地方多,在這些地方會產生旋渦,加強了流體的摻混和擾動,熱量以對流傳遞方式為主, 導熱傳遞為輔。而蜂窩體內為平穩的層流流動,熱傳遞主要通過導熱方式進行。但方孔蜂窩的比表面積最大,如按照單位體積計算的換熱系數KV方孔蜂窩較優,六邊蜂窩和球體均是方孔蜂窩體的60%。
    4 結論
    (1)陶瓷球阻力損失較大,在管路較長,彎頭較多的場合,球體就不適用了。在蓄熱體高度相同的情況下,安裝六邊蜂窩的換熱器具有最好的流動性能。
    (2)陶瓷球具有很高的表面換熱系數,但是方孔蜂窩陶瓷具有很大的比表面積,在換熱強度相同的情況下,采用方孔蜂窩的換熱器體積最小,這對場地的要求,設備的安裝都是有利的。

 
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