陳冬林，楊建波，程松青，吳秀珍

(1.長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖南 長沙 410076;2.株洲新時代環(huán)?？萍加邢薰?，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、換熱能力實時可調(diào)等諸多優(yōu)點在工業(yè)爐窯及電站鍋爐煙氣余熱回收領(lǐng)域具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢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，實際爐窯出口煙氣進入顆粒簾換熱器時需首先調(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入換熱通道時在通道入口斷面上實現(xiàn)均勻分布?；诖?，筆者設(shè)計一種基于填充填料(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

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物料，該實驗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，該實驗中規(guī)整填料選用鋁蜂窩芯，其孔格邊長分別為3，4，5 mm，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示;實驗用方形孔板的結(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層孔格邊長為5 mm的規(guī)整填料。2#和3#裝置中，均填充有孔格邊長分別為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#裝置中孔格邊長為3 mm的設(shè)置2層、孔格邊長為5 mm的設(shè)置1層;5#，6#裝置中規(guī)整填料孔格邊長均為4 mm，設(shè)置2層，孔格邊長為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規(guī)整填料設(shè)置在前，小孔格邊長規(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 實驗研究

2.1 實驗裝置及流程

實驗裝置為基于單級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換熱室寬度方向等間距開有Y1－Y3共3個直徑為15 mm的測孔;距換熱通道入口30 cm處的換熱室側(cè)壁上沿換熱室高度方向等間距的開有X1－X3共3個直徑為15 mm的測孔，測孔所在換熱通道斷面的測點布置如圖4所示。實驗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)計的6種不同形式的變徑均流裝置，對各均流裝置出口氣流的均勻分布性能逐一測試，采用熱線風(fēng)速儀測量各設(shè)定測點位置處的氣流流速，采用液柱式U型管差壓計測量各均流裝置對氣流的流動阻力。

圖3 基于單級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向斷面測點布置示意Figure 4 Schematic diagram of measurement points in cross-section in C-C

2.2 氣流分布均勻性評價標(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氣流在換熱通道斷面的均勻分布程度，引入相對均方根值［6］作為評價氣流均勻分布性能的指標(biāo)，其計算公式為

式中 σ為相對均方根值;Vi為測試斷面上各測點流速值，m/s;V0為測試斷面上平均流速，m/s;n為測試斷面總測點數(shù)。

相對均方根值以通過計算斷面上各測點氣流速度值與該斷面氣流速度平均值間的波動幅度來反映氣流在斷面上的均勻分布程度，其值越小表明各測點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。參考國內(nèi)外電站鍋爐電除塵器入口斷面氣流均勻分布性評判標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)σ≤0.25時認為氣流均勻分布程度合格，0.1＜σ≤0.25時氣流均勻分布程度良好，σ≤0.1時氣流均勻分布程度優(yōu)秀［7］。

3 實驗結(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，其氣流分布相對均方根值分別達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，這是因為散亂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。實驗測得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優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。此外，對比分析該兩裝置出口氣流的縱向與橫向分布相對均方根值發(fā)現(xiàn)，其氣流橫向分布平均相對均方根值分別為0.034和0.038 6，較之縱向分布的相對均方根值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點各行間的均勻分布相對均方根值差距較大，如:第1行各測點間氣流分布相對均方根值0.052遠大于第2、第3行的0.021和0.022，波動幅度達136%，而5#裝置出口氣流橫向測點各行間的相對均方根值波動幅度值為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的能耗大小。實驗測得氣流流經(jīng)各變徑均流裝置前、后的壓差變化如圖10所示，由圖可知，各變徑均流裝置對氣流流動的阻力差異較大，具體表現(xiàn)為變徑均流裝置出口氣流分布越均勻則其對氣流的流動阻力越大，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。這是因為變徑均流裝置在調(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)整過程需要氣流通過消耗自身的能量來實現(xiàn)，因此，變徑均流裝置出口氣流均勻分布性能越好則其對氣流的流動阻力越大［8］。此外，對比2#，3#裝置和5#，6#裝置的氣流流動阻力值可發(fā)現(xiàn)，變徑均流裝置中填充入散裝填料后，其對氣流流動的阻力值大大增大，不利于顆粒簾換熱器的連續(xù)正常運行。

圖10 變徑均流裝置對氣流的流動阻力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)同時具備較高的出口氣流均勻分布性能與較低的流動阻力，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幅度和流動阻力均小于4#裝置，因此，5#變徑均流裝置是該實驗的最優(yōu)變徑均流裝置。

3.3 氣流流動特性對均流裝置的均流效果

為分析入口氣流流動特性對變徑均流裝置的均流效果，實驗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，實驗結(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，這是因為在氣流入口通道截面固定的情況下，Re數(shù)增大表現(xiàn)為入口氣流流速增大，使得氣流流經(jīng)變徑均流裝置的時間相對縮短，相當(dāng)于減小了調(diào)整氣流分布的時間，因此出口氣流均勻分布性能下降。

圖11 氣流流動特性對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

通過對設(shè)計的顆粒簾換熱器中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阻力的實驗研究，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，滿足實驗要求。實驗證明采用筆者設(shè)計的氣體變徑均流裝置對于實現(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，還會增大其對氣流的流動阻力，因此實際過程中應(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。

［1］Chrestella Wardjiman，Andrew Lee，Madoc Sheehan，et al.Behavior of a curtain of particles falling through a horizontally-flowing gas stream［J］.Power Technology，2008，188(2):110-118.

［2］陳冬林，王甘泉，王安.顆粒簾換熱器顆粒均流裝置的設(shè)計與實驗［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2014，29(1):75-80.CHEN Dong-lin，WANG Gan-quan，WANG An.Design and experimental investigation of the uniforming device of particles from particle curtain heat exchanger［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2014，29(1):75-80.

［3］陳冬林，鄒嬋，杜洋.顆粒簾換熱單元的穩(wěn)態(tài)換熱特性研究［J］.熱力發(fā)電，2014，43(3):37-42.CHEN Dong-lin，ZOU Chan，DU Yang.Steady heat transfer characteristics of a particle curtain based heat exchanger［J］.Thermal Power Generation，2014，43(3):37-42.

［4］Chrestella Wardjiman，Andrew Lee，Madoc Sheehan，et al.Shape of a particle curtain falling in stagnant air［J］.Powder Technology，2009，192(3):384-388.

［5］Chrestella Wardjiman，Rhodes，Martin.Heat transfer in a particle curtain falling through a horizontally-flowing gas stream［J］.Powder Technology，2009，191(3):247-253.

［6］邵毅敏，周儉基，熊紹武，等.電除塵器進氣煙箱參數(shù)對氣流分布影響的仿真研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2012，6(2):577-583.SHAO Yi-min，ZHOU Jian-ji，XIONG Shao-wu，et al.A simulation study on the effect of inlet eave structural parameters on airflow distribution in electrostatic precipitation［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2012，6(2):577-583.

［7］趙勇凱，蔣蓬勃.電除塵器氣流分布均勻性試驗評判標(biāo)準(zhǔn)探討［J］.電站系統(tǒng)工程，2008，24(3):68.ZHAO Yong-kai，JIANG Peng-bo.Electric precipitator air distribution uniformity experiment standard discussion［J］.Power System Engineering，2008，24(3):68.

［8］廖強，陳蓉，朱恂.規(guī)則結(jié)構(gòu)多孔填料塔兩相流動特性實驗研究［J］.工程熱物理學(xué)報，2003，24(2):277-279.LIAO Qiang，CHEN Rong，ZHU Xun.Experimental investigation of two-phase flow friction in a regular porous structure［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2003，24(2):277-279.