李 恒， 陳冬林， 程松青， 吳秀珍， 葉 托， 文 聰， 熊 穎

(1． 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410114；2． 株洲新時(shí)代環(huán)?？萍加邢薰荆?湖南株洲 412007 )

?

顆粒簾換熱器中顆?？障堵实挠?jì)算方法與實(shí)驗(yàn)研究

李 恒1， 陳冬林1， 程松青2， 吳秀珍2， 葉 托1， 文 聰1， 熊 穎1

(1． 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410114；2． 株洲新時(shí)代環(huán)?？萍加邢薰荆?湖南株洲 412007 )

運(yùn)用流動(dòng)過程能量守恒原理與Ergun公式，推導(dǎo)出基于顆粒簾工況條件與運(yùn)行參數(shù)的顆?？障堵视?jì)算公式，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到各工況條件對(duì)顆?？障堵实挠绊懸?guī)律.結(jié)果表明：顆?？障堵恃叵侣湫谐坛尸F(xiàn)先減小后增大的規(guī)律；顆?？障堵孰S進(jìn)氣速度及顆粒簾初始厚度的增大而增大，隨顆粒粒徑及顆粒質(zhì)量流量的增大而減??；進(jìn)氣速度、顆粒簾初始厚度對(duì)顆?？障堵实挠绊懘笥陬w粒粒徑、顆粒質(zhì)量流量對(duì)顆?？障堵实挠绊?

顆粒簾換熱器； 顆粒空隙率； 計(jì)算公式； 實(shí)驗(yàn)研究

基于氣固兩相快速熱平衡原理的顆粒簾換熱器[1-5]以其系統(tǒng)布置靈活、換熱性能卓越和換熱能力實(shí)時(shí)可調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn)日益受到關(guān)注.該換熱器以微米級(jí)粒徑的硅砂作為載熱體，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(shí)現(xiàn)煙氣余熱用于預(yù)熱燃燒用空氣的深度回收.

顆?？障堵适茄芯款w粒簾換熱器中氣固兩相間動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞和熱量傳遞的重要參數(shù)之一[6-9].但由于顆粒下落過程中具有隨機(jī)性，且顆粒粒度在同一橫截面上往往呈現(xiàn)不同的分布狀態(tài)，顆?？障堵蕼y(cè)試?yán)щy且復(fù)雜，國內(nèi)外相關(guān)研究報(bào)道較少.筆者推導(dǎo)了顆粒簾換熱器中顆粒空隙率的數(shù)學(xué)計(jì)算公式，并通過對(duì)顆?？障堵蔬M(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了各實(shí)驗(yàn)工況對(duì)顆?？障堵实挠绊?，得到顆粒簾換熱器中顆粒簾橫截面平均空隙率的分布規(guī)律，為顆粒簾換熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化操作提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

顆粒簾換熱器冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，該裝置主要由換熱單元本體、顆粒給料系統(tǒng)、顆粒收集系統(tǒng)和氣體變徑均流裝置等組成，其中換熱室通道為長(zhǎng)×寬×高=2 000 mm×800 mm×1 000 mm的矩形通道.顆粒簾換熱器中，顆粒空隙率分布實(shí)驗(yàn)采用3種粒徑硅砂顆粒，其特性參數(shù)如表1所示.

圖1 基于單級(jí)換熱單元的顆粒簾換熱器示意圖

Fig.1 Schematic diagram of the particle curtain heat exchanger based on single-stage unit

表1 硅砂顆粒的特性參數(shù)

1.2 顆?？障堵实挠?jì)算

顆粒空隙率ε[10]定義為顆粒簾中某一橫截面內(nèi)顆粒間的空隙總面積(即自由截面)與整個(gè)橫截面積之比，可由下式計(jì)算：

(1)

式中：qm,s為下落顆粒的質(zhì)量流量，kg/s；ρs為顆粒密度，kg/m3；Vs，i為i點(diǎn)高度位置處顆粒簾橫截面上的顆粒運(yùn)動(dòng)速度，m/s；Ai為i點(diǎn)高度位置處的顆粒簾橫截面積，m2.

由于同一高度位置處顆粒簾橫截面上各顆粒的運(yùn)動(dòng)速度難以測(cè)量或計(jì)算出來，式(1)也未考慮不同高度位置處的顆粒簾橫截面顆粒濃度變化規(guī)律，因此，使用式(1)來計(jì)算顆?？障堵蕰r(shí)會(huì)與實(shí)際情況相差較大.

如圖2所示，取某一高度位置顆粒簾橫截面處的微元作為研究對(duì)象，微元長(zhǎng)度取顆粒簾厚度Δb，寬度取換熱室寬度W.定義氣流與顆粒簾最后(最先)接觸的顆粒簾邊界線分別為顆粒簾前(后)沿，根據(jù)能量守恒原理[11-12]有：

(2)

式中：V1g為氣流穿越顆粒簾前的水平速度，m/s；V2g為氣流穿越顆粒簾后的水平速度，m/s；V1s為氣流穿越顆粒簾前顆粒運(yùn)動(dòng)水平速度，m/s；V2s為氣流穿越顆粒簾后顆粒運(yùn)動(dòng)水平速度，m/s；ρ1g為顆粒簾前部氣體密度,kg/m3；ρ2g為顆粒簾后部氣體密度,kg/m3；ρ1s為顆粒簾前部顆粒密度,kg/m3；ρ2s為顆粒簾后部顆粒密度,kg/m3；p1為氣流穿越顆粒簾前壓力，Pa；p2為氣流穿越顆粒簾后壓力，Pa；Δps為因顆粒存在而造成的附加壓力損失，Pa；Δpg為純氣流流動(dòng)時(shí)的壓力損失，Pa.

(a)換熱室內(nèi)顆粒簾流動(dòng)示意圖(b)A?A剖面圖

圖2 顆粒簾微元示意圖

Fig.2 Schematic diagram of the particle curtain micro-element

由于換熱室內(nèi)紊流運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，可認(rèn)為同一時(shí)刻同一顆粒簾橫截面上的顆粒運(yùn)動(dòng)速度沿?fù)Q熱室水平方向變化很小，則可近似認(rèn)為：

(3)

(4)

Δpg包括摩擦損失和氣流的重力壓頭，可由下式[11]計(jì)算得出：

(5)

式中：fg為純氣流時(shí)的摩擦阻力因數(shù)；ρg為氣體密度；Vg為氣流速度；W為顆粒簾橫截面當(dāng)量直徑，即換熱室寬度；g為重力加速度.

Δps的表達(dá)式[11]為

(6)

(7)

式中：Δpsg為固體顆粒重力引起的壓力損失;Δpsf為物料與壁面接觸沖擊和摩擦引起的壓力損失；Δpss為物料顆粒彼此之間摩擦和碰撞造成的壓力損失.根據(jù)文獻(xiàn)[13]記載：

(8)

式中：fs為考慮顆粒存在時(shí)的阻力因數(shù)；qm,g為氣體質(zhì)量流量，kg/s.

將式(5)～式(8)代入式(4)可得：

(9)

在已知實(shí)驗(yàn)工況條件和物料特性的情況下，由所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算表明，物料重力引起的壓降比其他各項(xiàng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，則可近似忽略其他各項(xiàng).故氣流穿越顆粒簾前后的壓差Δp可簡(jiǎn)化為

(10)

利用上述公式進(jìn)行計(jì)算比較復(fù)雜，影響因素較多，且實(shí)驗(yàn)中顆粒簾前后氣流壓差Δp難以準(zhǔn)確測(cè)量.筆者試圖通過建立Δp分布與顆粒空隙率分布的另一關(guān)系式，將其與式(10)聯(lián)立來研究顆粒空隙率的分布.

顆粒簾換熱器中氣流與顆粒呈錯(cuò)流形式穿過顆粒簾，經(jīng)計(jì)算，在本實(shí)驗(yàn)中換熱室通道氣流Re>1 000，氣流穿越顆粒簾的壓降可參考?xì)饬魍ㄟ^顆粒移動(dòng)床時(shí)的壓降計(jì)算方法Ergun公式[14-17]：

(11)

式中：Ф為顆粒球形度，本實(shí)驗(yàn)中取Ф=0.8；dm為顆粒當(dāng)量直徑，m；H為顆粒層高度，本實(shí)驗(yàn)為顆粒簾厚度Δb，m；Ure為氣體與固體顆粒之間表觀相對(duì)速度，m/s，可由下式[18]計(jì)算.

(12)

式中：ug為水平方向上氣體實(shí)際速度，本實(shí)驗(yàn)中ug即為V1g；us為水平方向上顆粒實(shí)際速度，由于顆粒簾換熱器中水平方向上固體顆粒之間的相互位移很小，故us可忽略不計(jì)，則可認(rèn)為：

(13)

聯(lián)立式(10)和式(13)，得到式(14)，在已知實(shí)驗(yàn)工況條件和物料特性的情況下測(cè)得相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過迭代求解即可得出各實(shí)驗(yàn)工況下的顆粒簾橫截面顆?？障堵师牛?/p>

(14)

1.3 測(cè)量方法

如圖3所示，在距換熱室入口250 mm和出口850 mm的直線上分別設(shè)置5個(gè)直徑為25 mm的測(cè)孔，各測(cè)孔間距為166 mm.各測(cè)點(diǎn)設(shè)置在換熱室斷面寬度方向的中心線上.實(shí)驗(yàn)時(shí)在換熱室前壁的玻璃窗口粘貼透明格子薄膜，并用彩色筆記錄各測(cè)點(diǎn)高度位置處顆粒簾前后沿邊界點(diǎn)，測(cè)量其距離，即為此高度位置處的顆粒簾厚度.同時(shí)，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可信性，使用1 076幀/s的高速數(shù)碼相機(jī)對(duì)下落顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉成像，將照片中處理提取出的顆粒簾厚度值與實(shí)測(cè)值加權(quán)平均即得本實(shí)驗(yàn)工況下的顆粒簾厚度值.實(shí)驗(yàn)時(shí)用熱線風(fēng)速儀測(cè)量并記錄測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)5處的氣流速度，用皮托管測(cè)量并記錄測(cè)點(diǎn)6～測(cè)點(diǎn)10處的氣流速度(測(cè)點(diǎn)離測(cè)孔深度400 mm).

(a)換熱室側(cè)壁測(cè)孔示意圖(b)B?B剖面圖

圖3 換熱室側(cè)壁測(cè)孔及測(cè)點(diǎn)布置示意圖

Fig.3 Schematic diagram of measurement holes and points on side wall of the heat chamber

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 進(jìn)氣速度對(duì)顆粒空隙率的影響

實(shí)驗(yàn)中進(jìn)氣速度V0的調(diào)節(jié)是通過變頻器調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)配套電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，不同進(jìn)氣速度下的顆粒簾沿程厚度和顆粒簾后部氣流速度分別如圖4和圖5所示，根據(jù)式(14)計(jì)算得出不同進(jìn)氣速度下的顆粒簾橫截面顆?？障堵?見圖6),其中dp為顆粒粒徑,b0為顆粒簾初始厚度.由圖6可知，當(dāng)進(jìn)氣速度由1.45 m/s增大到1.88 m/s時(shí)，顆?？障堵室搽S之增大，且最大增幅出現(xiàn)在距換熱室頂部垂直距離為166 mm處，達(dá)16.76%.其原因在于，隨著進(jìn)氣速度的增大，顆粒與顆粒間的團(tuán)聚數(shù)量減少，使得氣泡通過顆粒的頻率增大，氣泡總體積增大，顆粒簾橫截面上顆粒濃度減小，反映為顆粒簾橫截面顆?？障堵试龃?

圖4 不同進(jìn)氣速度下的顆粒簾沿程厚度

Fig.4 Curtain thickness along longitudinal direction at different inlet velocities

圖5 不同進(jìn)氣速度下的顆粒簾后部氣流速度

Fig.5 Downstream gas velocity of particle curtain at different inlet velocities

圖6 不同進(jìn)氣速度下的顆?？障堵?/p>

2.2 顆粒簾初始厚度對(duì)顆?？障堵实挠绊?/p>

顆粒簾初始厚度b0即為顆粒剛進(jìn)入換熱室通道時(shí)的寬度，實(shí)驗(yàn)中通過改變顆粒均流裝置中最下面一層篩網(wǎng)的有效下落寬度來改變顆粒簾初始厚度.不同顆粒簾初始厚度下的顆粒簾沿程厚度和顆粒簾后部氣流速度分別如圖7和圖8所示，根據(jù)式(14)計(jì)算得出不同顆粒簾初始厚度下的顆粒簾橫截面顆?？障堵?見圖9).由圖9可知，當(dāng)顆粒簾初始厚度由60 mm增大到140 mm時(shí)，顆粒簾橫截面的顆粒空隙率也隨之增大，且最大增幅出現(xiàn)在距換熱室頂部垂直距離為500 mm處，達(dá)32.43%.其原因在于，在保持下落顆粒質(zhì)量流量不變的情況下，隨著顆粒簾初始厚度的增大，顆粒與顆粒間分布越稀疏，顆粒簾橫截面上顆粒濃度減小，故顆粒簾橫截面顆?？障堵试龃?

圖7 不同顆粒簾初始厚度下的顆粒簾沿程厚度

Fig.7 Longitudinal thickness of particle curtain at different initial thicknesses

圖8 不同顆粒簾初始厚度下的顆粒簾后部氣流速度

Fig.8 Downstream gas velocity of particle curtain at different initial thicknesses

圖9 不同顆粒簾初始厚度下的顆?？障堵?/p>

Fig.9 Particle voidage at different initial thicknesses of particle curtain

2.3 顆粒粒徑對(duì)顆粒空隙率的影響

實(shí)驗(yàn)中不同顆粒粒徑(取顆粒平均粒徑)dp的硅砂顆粒通過不同孔徑的篩網(wǎng)來分級(jí)獲得.不同顆粒粒徑下的顆粒簾沿程厚度和顆粒簾后部氣流速度分別如圖10和圖11所示，根據(jù)式(14)計(jì)算得出不同顆粒粒徑下的顆粒簾橫截面顆?？障堵?見圖12).由圖12可知，當(dāng)顆粒粒徑dp由215 μm增大到310 μm時(shí)，顆?？障堵食蕼p小趨勢(shì)，且最大減幅出現(xiàn)在距換熱室頂部垂直距離為500 mm處，達(dá)13.9%.其原因在于,當(dāng)顆粒粒徑增大時(shí)，顆粒比表面積隨之減小，使得氣固兩相相互作用的面積減小，兩相間動(dòng)量交換程度減弱，顆粒水平方向速度分量減小，顆粒簾橫截面上顆粒濃度增大，表現(xiàn)為顆粒簾橫截面顆粒空隙率減小.

圖10 不同顆粒粒徑下的顆粒簾沿程厚度

Fig.10 Longitudinal thickness of particle curtain at different particle sizes

圖11 不同顆粒粒徑下的顆粒簾后部氣流速度

Fig.11 Downstream gas velocity of particle curtain at different particle sizes

2.4 顆粒質(zhì)量流量對(duì)顆?？障堵实挠绊?/p>

顆粒質(zhì)量流量qm,s的調(diào)節(jié)是通過控制位于給料料罐和顆粒均流裝置之間的放料蝶閥開度來實(shí)現(xiàn)的.不同顆粒質(zhì)量流量下的顆粒簾沿程厚度和顆粒簾后部氣流速度分別如圖13和圖14所示，根據(jù)式(14)計(jì)算得出不同顆粒質(zhì)量流量下的顆粒簾橫截面顆?？障堵?見圖15).由圖15可知，當(dāng)顆粒質(zhì)量流量qm,s由550 g/s增大到1 650 g/s時(shí)，顆粒空隙率呈減小趨勢(shì)，且最大減幅出現(xiàn)在距換熱室頂部垂直距離為666 mm處，達(dá)7.61%.其原因在于，在保持顆粒簾初始厚度不變且顆粒沿下落截面分布均勻的情況下，隨著顆粒質(zhì)量流量的增大，下落顆粒簾橫截面上顆粒數(shù)量越多且顆粒簾中顆粒之間的致密程度也增加，表現(xiàn)為顆粒簾橫截面平均空隙率減小.

圖13 不同顆粒質(zhì)量流量下的顆粒簾沿程厚度

Fig.13 Longitudinal thickness of particle curtain at different mass flow rates of particles

圖14 不同顆粒質(zhì)量流量下的顆粒簾后部氣流速度

Fig.14 Downstream gas velocity of particle curtain at different mass flow rates of particles

圖15 不同顆粒質(zhì)量流量下的顆?？障堵?/p>

由圖6、圖9、圖12和圖15可知，各實(shí)驗(yàn)工況下的顆粒簾橫截面顆粒空隙率隨顆粒簾下落高度的增加先減小后增大，越接近換熱室底部，顆粒簾橫截面顆?？障堵试酱?這是因?yàn)轭w粒在下落過程中綜合運(yùn)動(dòng)速度的逐漸增大使得顆粒簾橫截面上顆粒濃度逐漸增大，盡管顆粒簾下落過程中顆粒簾沿程厚度在逐漸增大，但顆粒簾下落初期顆粒簾沿程厚度增加較緩慢，此時(shí)顆粒濃度的增幅超出顆粒簾沿程厚度的增幅，因此顆粒簾橫截面顆?？障堵手饾u減小；當(dāng)顆粒簾下落至某一高度位置處(距換熱室頂部約650 mm)時(shí)顆粒簾橫截面的顆粒空隙率減小至最小值，此后顆粒簾沿程厚度的增幅大大超出顆粒濃度的增幅，因而顆?？障堵视挚焖僭龃?

3 結(jié) 論

(1) 在一定的操作條件下，顆粒簾換熱器中顆?？障堵孰S進(jìn)氣速度及顆粒簾初始厚度的增大而增大，隨顆粒粒徑及顆粒質(zhì)量流量的增大而減小.

(2) 隨著下落高度的增加，顆?？障堵氏葴p小后增大.

(3) 進(jìn)氣速度、顆粒簾初始厚度對(duì)顆?？障堵实挠绊懘笥陬w粒粒徑、顆粒質(zhì)量流量對(duì)顆?？障堵实挠绊?

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Calculation Method and Experimental Study of Particle Voidage in Particle Curtain Heat Exchanger

LI Heng1, CHEN Donglin1, CHENG Songqing2, WU Xiuzhen2,YETuo1,WENCong1,XIONGYing1

(1.School of Energy and Power Engineering, Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114, China; 2. Zhuzhou New Times Environmental Protection Technology Co., Ltd.,Zhuzhou 412007, Hunan Province, China)

A calculation formula of particle voidage was deduced using energy conservation principle and Ergun formula based on particle curtain working conditions and operation parameters, while the effects of various working conditions on the voidage were studied according to the experimental data of a particle curtain heat exchanger. Results show that the voidage in particle curtain first decreases and then increases along the descending direction, which increases with rising inlet velocity and initial curtain thickness, and with reducing particle size and mass flow rate. Both the inlet gas velocity and initial curtain thickness affects more on the voidage than the particle size and mass flow rate.

particle curtain heat exchanger; partical voidage; calculation formula; experimental study

2015-12-11

2016-03-26

湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013KG3193)；湖南省教育廳科學(xué)研究基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(10A004)

李 恒(1991-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事節(jié)能原理與技術(shù)方面的研究. 陳冬林(通信作者)，男，教授，博士生導(dǎo)師，電話(Tel.)：13974837965;E-mail:chendl_01@sina.com.

1674-7607(2016)12-0970-06

TK172

A 學(xué)科分類號(hào)：470.20