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江西蜂窩陶瓷蓄熱體傳熱和阻力特性實驗研究
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江西蜂窩陶瓷蓄熱體傳熱和阻力特性實驗研究

2019-07-06      閱讀:
蜂窩陶瓷蓄熱體具有耐高溫耐腐蝕傳熱能力高和氣流阻力小等優點在余熱回收利用方面有著廣闊的應用前景根據蓄熱體的特點對兩種不同規格的蜂窩陶瓷蓄熱體進行實驗研究其傳熱與阻力特性通過對實驗結果的分析得出了蓄熱體結構和操作參數對蓄熱體傳熱系數摩擦因數阻力損失以及蓄熱室溫度效率和熱效率的影響規律.

蓄熱技術作為一種高效的余熱回收技術廣泛應用于石油化工熱力發電等工業中蓄熱體是蓄熱設備的關鍵部件之一工作過程如下蓄熱體在蓄熱室內直接與預熱空氣或高溫煙氣接觸進行周期性的吸熱與放熱從而達到提高能源利用率的作用其換熱過程包含對流輻射和熱傳導多種方式屬于非穩態過程影響因素多傳熱過程復雜,近年來的研究表明蓄熱體的傳熱和阻力特性對蓄熱室的結構設計和換熱效率的提高起到至關重要的作用不少學者在這兩方面做了大量研究.通過對蜂窩型陶瓷蓄熱體進行實驗研究得出該蓄熱體熱交換器的壓力損失隨著空氣流速以及蓄熱體長度的不同而變化,從蓄熱室的熱回收率和溫度效率考慮通過研究表明不同格孔結構與尺寸的蜂窩蓄熱體具有不同的最佳換向時間和在大量實驗研究的基礎上擬合出蓄熱體傳熱計算的準則關聯式,但是其適用范圍較為嚴格.
雖然很多學者對蓄熱體性能做了大量研究但在操作和結構參數的選取和優化方面的研究相對較少。

文中采用兩種不同規格的蜂窩陶瓷蓄熱體,對蓄熱室內的溫度分布、蓄熱體傳熱系數、阻力損失、溫度效率及熱效率等重要參數進行研究,為工業生產設計提供直接依據。

蜂窩陶瓷蓄熱體特點及熱力學分析
 
蜂窩陶瓷蓄熱體對蓄熱室性能的影響主要表現在兩個方面,一是對蓄熱室傳熱性能的影響,二是對蓄熱室阻力特性的影響。文中對蜂窩陶瓷蓄熱體的阻力和傳熱特性進行實驗研究,分析不同蓄熱室高度、蓄熱體形式以及蓄熱室操作參數對蓄熱體性能的影響。
 
1.1 阻力特性分析
蜂窩陶瓷蓄熱體傳熱和阻力特性實驗研究
蓄熱體傳熱系數
 
蓄熱體傳熱系數公式如下:
蜂窩陶瓷蓄熱體傳熱和阻力特性實驗研究
 
式中, 為傳熱系數,/( 2• ); 為蓄熱體熱流K Φ 量, ; 為蓄熱體的換熱面積,
2; 為流過蓄熱WA m qm 體氣體的質量流量,/;、 分別為進、出蓄熱體kgst1 t2 的氣體溫度, 為對數平均溫度, ; 、 分別為t cp1 cp2 進、出蓄熱體氣體的比定壓熱容,/( • )。kJ kg
1.3 溫度效率和熱效率
 
溫度效率ηt 是指被預熱氣體的出口溫度與入口溫度的差值和煙氣入口溫度的比值:
蜂窩陶瓷蓄熱體傳熱和阻力特性實驗研究
式中,t1′為煙氣的進口溫度,t2′、t2″分別為空氣的進口和出口溫度, 。熱效率ηe 又稱為熱回收率,是指蓄熱室中被預熱氣體得到的熱量和煙氣帶進熱量的比值:

式中, 、 分別為煙氣、空氣的質量流量,k/h;qm1 qm2 gcp1′為煙氣進口比定壓熱容,cp2′、cp2″分別為空氣的進、出口比定壓熱容,kJ/(kg• )。

實驗簡介
 
2.1 實驗對象2種不同規格的陶瓷蓄熱體作為實驗對象,外
 
形示意圖見圖1,主要尺寸見表1。

2.2 實驗裝置實驗裝置由供風系統、流量調節系統、蓄熱回收系統、測量系統及保溫層等幾部分構成,裝置示意圖見圖2。

供風系統包括冷風系統與熱風系統兩部分,鼓風機提供冷風,熱風機提供高溫氣體,兩側插入閥片的作用是改變流向。體積流量通過調節套管的開口來控制,蓄熱體前端的長流道有穩定流動形態的作用。蓄熱體布置在蓄熱室內,連續排列3塊,蓄熱室上蓋可以拆卸,利于蓄熱體的更換。保溫層作用是防止系統散熱過快。
 
2.3 實驗內容從阻力特性和傳熱特性兩方面分析蓄熱體性能,分別進行了冷態和熱態實驗,內容如下。
 
(1)體積流量。采用畢托管測流速間接測量流量,并為了使測量更準確,將 U 形管傾斜30°,測量位置在圖2右側流道的末端。
 
(2)壓降。采用 U 形管測量在不同的風速下不同長度蓄熱體間的壓差,測量位置在圖2中測溫熱電偶的位置。

(3)溫度。采用4支 K 型熱電偶,通過溫度變送儀顯示,以錄像的形式記錄下來,之后再進行不同時間間隔的記錄,以監控各點處的溫度變化。測量位置即為圖2測溫熱電偶的位置,由熱風機側到鼓風機側依次為1、2、3、4號測試點。
 
冷態實驗在常溫下進行,測量壓降的位置即為圖2中測溫熱電偶的位置。

熱態實驗時,利用高溫空氣替代爐膛煙氣進行試驗,空氣入口溫度分別。保担 、175 、200 、225 、250 ,每個入口溫度重復操作5次。所有實驗均在蓄熱室穩定工作情況下進行,當完成一個工況后,再調節相關參數,改變工況進行實驗。
 
結果分析
 
3.1 阻力特性
 
3.1.1 蓄熱體不同長度間阻力值隨體積流量的變化規律為了研究蓄熱體的阻力特性,實驗測量不同蓄熱體長度間的阻力值,同時按照式(1)計算阻力的理論值,將實驗值和理論值進行對比,驗證實驗測量數據的準確性。
 
2種蓄熱體的壓力損失隨空氣總體積流量的變化趨勢和理論值與實測值的對比結果見圖3和圖4。圖中,p1、p2、p3 分別表示實際測量長度為0.1m、0.2m、0.3m 蓄熱體間的壓降,p1′、p2′、p3′分別表示理論計算長度為0.1m、0.2m、0.3m蓄熱體間的壓降。理論計算時,蓄熱體的進出局部阻力系數K1=1.2(在經驗范圍內取值)。


從圖中可知,2種蓄熱體的性能曲線呈相似的規律,蓄熱體的壓力損失隨著體積流量的增加而增大。對于同一個蓄熱體,相同體積流量下壓力損失與蓄熱體長度基本呈線性關系。

圖4 蓄熱體2阻力損失實驗結果與理論值對比圖
 
3.1.2 蓄熱體摩擦因數以及阻力損失隨流量的變化規律
 
2種蓄熱體在不同流速下摩擦因數的變化曲線見圖5。
 
從圖5中可以看出,蓄熱體的摩擦因數隨著流速的增加而減小,但減小的趨勢有所降低。在相同的流速下,蓄熱體1的摩擦因數大于蓄熱體2的摩擦因數。這主要是由于蓄熱體孔內氣流為層流流動,蓄熱體摩擦因數與蓄熱體孔內氣流雷諾數成反比,即與蓄熱體當量直徑成反比。蓄熱體1的當量直徑較小,故其摩擦因數較大。

2種蓄熱體阻力損失隨體積流量的變化規律見圖6。
 
從圖6中可以看出,蓄熱體的阻力損失隨著體積流量的增加而增大,而且在相同的體積流量下,比表面積大的蓄熱體阻力損失大于比表面積小的蓄熱體阻力損失。
 
蜂窩陶瓷蓄熱體傳熱和阻力特性實驗研究
3.2 傳熱特性圖
 
氣體溫度為165度時,測試點1、2、3、4在整個實驗中的溫度隨時間變化結果見圖.實驗中蓄熱體進行了5個周期的吸熱和放熱過程,每個周期的時間約為250s。
從圖7中可以看出,每個周期各測點的溫度變化基本一致,說明蓄熱體換熱呈周期性變化。蓄熱體2的換熱過程也呈同樣的周期性規律。

2種蓄熱體在氣體不同入口溫度下綜合傳熱系數的變化規律見圖8。
 
由圖8可知, 隨著氣體入口溫度的升高,蓄熱體的綜合傳熱系數呈下降的趨勢。 在相同入口溫度下,蓄熱體1的傳熱系數小于蓄熱體2的傳熱系數,原因是綜合傳熱系數與蓄熱體的結構參數有關,開孔率越大,截面流通面積越大,孔內流速越小,綜合傳熱系數也減小。 比表面積增加,傳熱系數也會減小。
 
2種蓄熱體在不同入口溫度下溫度效率和熱效率的變化規律見圖9。
 
從圖9中可以看出,在相同入口溫度下,比表面積大的蓄熱體的溫度效率和熱效率均大于比表面積小的蓄熱體的溫度效率和熱效率。其主要原因是對于一定結構的蓄熱體,在滿足蓄熱體熱容量的前提下,提高蓄熱體比表面積,即增加換熱面積,蓄熱體的效率會隨之提高。

結論
 
(1)蓄熱體的阻力損失隨著體積流量的增加而增大。在相同體積流量下,蓄熱體的阻力損失隨著比表面積的增加而增大。當孔內流速相同時,摩擦阻力損失系數與當量直徑成反比。
 
(2)在高溫氣體相同入口溫度下,蓄熱體的溫度效率和熱效率隨著比表面積增加而提高。綜合傳熱系數隨著開孔率和比表面積的增加會減小。
 
(3)通過應用蓄熱式燃燒技術,工業爐窯中燃燒用空氣可達到1000 甚至更高。同時,排煙溫度可降至接近煙氣的露點,從而使余熱回收利用達到極限,整個系統效率較之傳統工業爐系統有顯著的提高,達到了工業節能的要求。
 
 
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