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        顆粒簾換熱器顆粒均流裝置的設(shè)計與實驗

        2014-09-22 04:05:42陳冬林王甘泉
        關(guān)鍵詞:布孔余熱孔徑

        陳冬林,王甘泉,王 安

        (長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,湖南 長沙 410076)

        中國各行業(yè)化石燃料轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)煤達4 000多萬噸[1-2],但目前因受技術(shù)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(shù)的研究開發(fā)與應(yīng)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(nèi)外用于余熱回收利用的主要裝置——管殼式空氣預(yù)熱器受到換熱原理及結(jié)構(gòu)等方面的限制,長期存在漏風(fēng)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(yù)器換熱效率高出3~5倍,并且具有換熱特性實時調(diào)節(jié)等技術(shù)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(guān)鍵技術(shù),針對顆粒均勻裝置進行設(shè)計與實驗研究。

        1 顆粒均流裝置結(jié)構(gòu)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(shè)計成錐形漏斗,相應(yīng)地,連接儲料漏斗的均流裝置頂部入口處設(shè)計為圓形。而顆粒在換熱室內(nèi)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(nèi)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(yīng)當(dāng)設(shè)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(nèi)部由3塊多孔板構(gòu)成,如圖2所示,3塊多孔板呈等腰三角形布置,當(dāng)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(shè)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(guān)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?qū)嶒炑b置Figure 3 Device for uniforming experiment

        2.2 多孔板結(jié)構(gòu)

        多孔板采用厚度5mm的鋼板沖孔而成,其設(shè)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(shè)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(yīng)至少大于1.05mm。實驗設(shè)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(shè)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(nèi)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(zhì)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(zhì)量流量方差為顆粒下落均勻性指標(biāo)。若樣本顆粒質(zhì)量流量方差=0,則說明所有空間內(nèi)顆粒流量相同,整個區(qū)域內(nèi)顆粒均勻下落,越小表示整個區(qū)域內(nèi)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(jié)果與分析

        3.1 多孔板孔徑對顆粒分布均勻性影響

        當(dāng)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(zhì)量流量由1kg/s上升至1.84kg/s,這是由于孔徑增大導(dǎo)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(zhì)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(dāng)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(dāng)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(zhì)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(dǎo)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(zhì)量流量方差,如圖8所示,可以看出,當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(jié)語

        1)對于以錯列方式布孔的多孔板,當(dāng)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(zhì)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(yīng)的顆粒質(zhì)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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