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陶瓷蓄热体换热性能和阻力性能的实验研究

    [摘要]介绍一种结合高频换向技术的新型陶瓷蓄热式换热器的工作原理,在几种不同工况下 对蓄热体的换热性能和阻力性能进行实验测试,并比较安装方孔蜂窝体、六边形蜂窝体和球体的换热器在同种工况下的性能差异。
    [关键词]节能;蜂窝陶瓷蓄热体;换热系数
    [中图分类号] TK16 [文献标识码] A [文章编号] 1006-3986(2007)02-0022-03
    1 引言
    目前电站锅炉安装的空气预热器多采用回转蓄热式或钢管式,前者有转动装置,功率消耗大,制造精度要求高,空气侧向烟气侧漏风问题严重;后者体 积大,钢材耗量大,在低温区受热面的露点腐蚀和积灰堵塞比较严重。
    本文参考在玻璃炉窑等设备上采用的格子砖蓄热式换热器的工作原理,以一种新型材料—蜂窝陶瓷作为蓄热体,结合高频换向阀设计一种蓄热式空 气换热器。在该换热器中,烟气和空气在换向阀的 控制下交替流经蓄热体,烟气流过时热量被蓄热体吸收并蓄积,一段时间后阀门切换,冷空气流入,在蓄热体中得到预热(如图1)[1]。它具有传热面结构紧凑、比表面积大、流通性能好、耐高温、耐腐蚀、不易积灰堵塞,冷、热流体掺混少,即使蓄热体产生裂纹也不会对换热有大的影响等优点。与格子砖蓄热式换热器比较,其切换周期短,经过换热器预热后的 空气温度比较均匀。本文就目前常见的三种蓄热体———陶瓷球、正六边形孔蜂窝陶瓷(以下简称六边蜂窝)、正方形孔蜂窝陶瓷(以下简称方孔蜂窝) 在传热和阻力两方面的性能通过实验进行比较其优缺点。

 2 实验装置和操作流程
    2.1 蓄热材料介绍
    三种蓄热体结构参数见表1。

    比表面积指单位体积的蓄热体所拥有的换热面积,通过率指在垂直气体流动方向的截面上,通流面积占总截面的百分比。当量直径dm=4A/C(A为蓄热体横截面上任一孔隙的面积,C孔隙周长)。
    2.2 实验装置介绍
    实验装置如图2。A, B为流量调节阀,手动控 制。C-J为换向阀,由装在各阀上气动执行器带动。 1和5分别送热风和冷风。2为电加热管,长1. 5 m 直径50 mm,加热管两端焊上电极与加热电源相连。 3为电流互感器, 2和3合为加热装置。4为蓄热 室,内放蓄热体。6为空压机,与气动执行器相连提供压缩空气。7为脉冲发生器,与气动执行器上的电磁阀相连,定期发送脉冲。电磁阀每接收到一个脉冲就使换向阀动作一次。8为变频器,与风机 相连。9为微压计,两端与蓄热室的进出口管路上的静压孔相连。10为转子流量计,保证装置气密性和绝热性良好。

    2.3 待测参数和测量点布置
    实验需要测量的参数有:热、冷空气流量Gf, Ga;空气流过蓄热体前后静压差ΣΔp=p1-p2;热、 冷空气出入蓄热体的温度tf、tf′、ta、ta′。 测量点布置如图3。流量通过转子流量计读出 温度用热电偶测量。
    2.4 实验流程
    以方孔蜂窝蓄热体为例,六边蜂窝和球体测量与方孔蜂窝相同,但放入球体时,应保证球体在蓄热室内紧密堆积,两蓄热室内球体数量尽可能相等。
    2. 4. 1 不同蓄热体的阻力测量
    打开阀B,启动风机5、空压机6,控制脉冲发生器使阀CFHI保持常开,DEGJ保持常关。通过调节阀B开度得到不同的冷风量。实验时空气温度 ta=24℃。
    2. 4. 2 不同蓄热体换热系数测量
    阻力系数测量完成后,启动风机1,加热器2,电 流互感器3,并开阀门A。调节脉冲发生器7使换向阀C-J每间隔一定时间T(换向周期)后动作一次, 冷、热空气交替流经每个蓄热室,通过蓄热体进行换 热。热空气进口温度tf通过调节加热电流来控制。 冷空气温度ta即环境温度。通过变频器和阀门A、B 可以调节冷,热空气流量,测出从换热器出来的空气 温度tf′、ta′。由于它们随时间周期性变化,每隔T 5记录一次。计算时采用它们对时间的平均值。

   3 试验结果和理论分析
   3.1 不同蓄热体阻力特性分析
    换热器阻力ΣΔp由五部分组成:空气流入蓄热体时,由于流通截面缩小产生的阻力Δp1,空气流过蓄热体时的阻力Δp,空气流出蓄热体时因截面突扩 的阻力Δp1′。空气流入和流出蓄热室和管道连接的 渐扩渐缩段时,因蓄热室横截面积与管道横截面积 不相等产生的阻力Δp2、Δp2′,如图4。

    空气在蓄热体内流动受到的阻力按照管内流动阻力公式Δp =λLρu2/(2dm)计算,蓄热体进出口的阻力可以用文献[2]的公式计算,气体流经渐扩渐缩段的阻力可用文献[3]的公式计算。计算结果见表2。
    通过对蓄热体内空气Re数计算得知,球体内部是层流和过渡流(Re =1 888~4 813),而在蜂窝体内是层流(Re =162~746)。在Ga和蓄热体高度L 相同情况下,三种换热器的阻力损失为:球体>方孔蜂窝>六边蜂窝。原因如下:

    (1)球体截面通过率为蜂窝体的1/6,流量相同的情况下,球体内空气流速大约为蜂窝体的6倍,流速增大也就增大了阻力。球体内部流道截面呈现不规则的交替缩放,气流经过时形成旋涡,使流体能量进一步耗散。蜂窝体内流道平滑,气流处于层流状态,因此阻力较小。
    (2)气流内部粘性力和气流与蓄热体的摩擦力是阻力产生的根源。方孔蜂窝孔隙直径只有六边蜂窝的1/2,两者的截面通过率(58%对62% )相差无几,空气在两者内的流速可认为相等,但由于方孔蜂 窝当量直径小,孔内横截面上速度沿半径方向上的 梯度du/dr大于六边蜂窝,根据粘性力公式τ= μdu/dr可知方孔蜂窝内空气的粘性力和摩擦力大于六边蜂窝。
    3.2 蓄热体导热特性分析 各点的温度见表3。

    蓄热体导热系数用单位面积的导热系数KS和单位体积的导热系数KV表示。
KS=Q /(βVΔt),KV=βKS。Δt为对数平均温差,V为蓄热体体积,Q为单位时间内冷空气吸收的热量,β为蓄热体比表面积,根据表3的结果可计算换热系数的实验值。 气流在蓄热室内换热可看成管内受迫对流换热,可根据文献[4]提供的方法计算,而空气和蓄热体之间的对流换热系数用小直径管内层流换热公式 计算。结果见表4。

    在流量相同的情况下,三种换热器传热系数 KS:陶瓷球>六边蜂窝≈方孔蜂窝。安装陶瓷球的换热器内部流速远大于装蜂窝体的换热器,并且球体内截面突变的地方多,在这些地方会产生旋涡,加强了流体的掺混和扰动,热量以对流传递方式为主, 导热传递为辅。而蜂窝体内为平稳的层流流动,热传递主要通过导热方式进行。但方孔蜂窝的比表面积最大,如按照单位体积计算的换热系数KV方孔蜂窝较优,六边蜂窝和球体均是方孔蜂窝体的60%。
    4 结论
    (1)陶瓷球阻力损失较大,在管路较长,弯头较多的场合,球体就不适用了。在蓄热体高度相同的情况下,安装六边蜂窝的换热器具有最好的流动性能。
    (2)陶瓷球具有很高的表面换热系数,但是方孔蜂窝陶瓷具有很大的比表面积,在换热强度相同的情况下,采用方孔蜂窝的换热器体积最小,这对场地的要求,设备的安装都是有利的。

 
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