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              陶瓷蓄熱體阻力特性的實驗研究
              發布時間:2018-03-02

              、前言

              陶瓷蓄熱體式熱交換器因其傳熱效率高而受到廣泛重視。就目前使用的情況來看,存在兩個方面的問題。對蓄熱器這類較小高度的填充床的阻力特性關系缺乏詳細的實驗研究;在工程應用中大部分依靠經驗估計,缺乏特性關系的指導。因此在工程應用中,就氣流管路及引風機的選型上存在著較大程度的誤差。因為管路系統中的流動阻力問題不僅關系到風機選型及動力消耗的大小,而且在很大程度上影響到爐內燃燒器的嘴前壓力大小,直接影響到爐內的燃燒狀態和爐膛壓力,進而影響到爐子的排煙。關于具有較大高度的填充床阻力特性問題,前人已經做了大量的研究工作,提出了定量的計算關系。但這一關系用于指導蓄熱式熱交換器的阻力計算顯然存在著較大程度的偏差。因為高度較小的填充床,其高度與其截面尺寸相差很小,阻力變化規律僅局限在相當于管流的入口段部位,與具有較大高度的填充床阻力特性關系必然存在本質上的差別。因此本實驗的目的在于研究這種僅具有較小高度的陶瓷球及陶瓷蜂窩體的阻力特性規律,為蓄熱式熱交換器的設計、管路設計提供參考依據。

              2、實驗原理

              空氣通過填充床時,由于受填充球(或蜂窩體)的阻礙作用,使得空氣有一部分能量被消耗掉,導致空氣流道(填充床)的上下截面處的靜壓力發生變化。根據能量平衡,流道內的任意兩截面的空氣應遵守伯努力方程:

                            

              式中:P1—流經填充床前的空氣的靜壓,Pa;

              P2—流經填充床后的空氣的靜壓,Pa;

              P—空氣或煙氣的密度,kgm3;

              U1—流經填充床前的空氣特征的速度,mS;

              U2—流經填充床后的空氣(煙氣)的速度,mS;

              h1—局部阻力損失,Pa;

              h2—摩擦阻力損失,Pa。

              由于通過填充床的空氣的流量在同一時刻是不變的,而且空氣的密度可以認為也是不變的,因此,有U1=U2,則空氣通過填充床的阻力損失h失為:h=h1+h2=P1-P2

              2)即它們數值的大小僅與空氣的靜壓有關,等于流經填充床前后的空氣的靜壓之差。因而這一壓差便是克服填充床內各種流動阻力所造成的壓力損失。在改變各種條件下,分別測得相應條件下填充床前后的壓差,便可得到填充床內的流動阻力與各影響因素之間的制約關系。圖1為該實驗的原理示意圖。根據上述原理,在分別改變球徑、筒徑、高度及流速的條件下,測得對應的壓差,其結果及對應關系分析如下。

              1阻力特性實驗原理圖

              圖片1.png 

              3、實驗結果分析

              厄根研究了具有較大高度的填充床阻力特性問題,得出厄根方程:

              1953年以來該式廣泛地運用到高爐內氣流運動的研究中。實際散料層內的氣流運動方程表明:氣流通過單位高度所產生的能量損失,一部分用來克服顆粒表面的粘滯阻力,另一部分則用來克服湍流旋渦和孔道截面突然變化而造成的阻力。顯然在流速低時,第一部分阻力是主要的,而在流速高和床層薄時,第二部分阻力則是主要的,第一部分阻力相對來說可以忽略。

              嚴格說來,氣流通過散料床的阻力損失還應將邊界阻力損失考慮進去,特別是在高度較小而流速較低時,邊界損失所占阻損的份額是相當可觀的。

              從前面的理論分析我們可以知道,對通過填充球蓄熱室的氣流的阻力損失的影響因素主要有陶瓷球的堆積高度、陶瓷球的直徑的大小和氣流的流速。在本實驗中,陶瓷球用圓筒盛裝,圓筒直徑對流速有很大影響,因此氣流的阻力損失還與筒徑有關。至于蜂窩體影響其阻力損失的因素主要是蜂窩體的高度和氣體的流速。下面我們來具體的分析這些影響因素對阻力損失的影響作用。

              1)球層高度對阻力損失的影響

              根據記錄的實驗數據,通過數據整理擬合后,繪制成阻力損失隨球層或蜂窩體高度之間的變化關系曲線。依據此關系圖可以大致得出兩者之間的影響關系,以及它們之間的變化趨勢。由圖2、3可以看出。隨著高度的增加,隨著特征流速的增大,填充床的阻力損失增加。而且當球徑較大時,阻力損失增加的趨勢減弱。

              2球徑10mm,筒徑250mm圖片2.png

              由上面的這些圖形可以看出:當球徑、筒徑和風速確定以后,通過填充床氣體的阻力損失隨著填充高度的增加而增加,但是在高度較低時增加得很明顯,隨著高度的越來越大,阻力損失的增加量越來越少。這與阻力損失與高度完全成正比關系有出入。也就是說在高度較低時,阻力損失與高度并不成正比關系。只有當高度到達某一較高值時,阻力損失才與高度成正比,即符合厄根定理。以前的研究大都是在速度較高,高度較大的情況下來進行的。很少研究低流速,低高度情況下的阻力損失情況。實際上在低流速,低高度的條件下的阻力損失與高度是不成正比的。這是一個有價值的發現。這一點從蜂窩體的△P/h6中會看得更清楚。

              3球徑14mm,筒徑250mm圖片3.png

              造成這種現象的原因是:氣流流經填充球或蜂窩體時,在入口處氣流的速度突然改變,產生了局部阻力,從而使阻力損失增大。我們知道,在管槽對流傳熱過程中,在管槽的入口段,對流換熱系數隨管長的變化而不斷變化,而且在這一段內的對流換熱系數數值很大,通常為充分發展段的數倍。與此相類似,在管內流動過程中,其入口段的局部摩擦阻力系數也隨著管的長度的變化而變化,而且在這一階段的局部摩擦阻力系數的數值很大,因此造成了在入口段的局部阻力損失很大。當管子很長時,入口段損失所占總阻力損失的比例會很小,即入口段效應不明顯,但在管長比較短時,該效應造成的影響是很明顯的。在本實驗中,當填充球的堆積高度較低時,應是處于入口段,因而在這一段的局部阻力損失偏大,在圖中體現為曲線的位置偏高;而且隨著高度的增加,入口段效應會減弱,表現在圖中即為△P/h的值變小,曲線較低,見圖4-6。

              2)球徑對阻力損失的影響

              陶瓷球的直徑對蓄熱室換熱器的阻力損失也有著影響。從前面的理論分析可以知道:根據厄根定理,隨著陶瓷球直徑的增大,氣流的阻力損失應該減小,而且陶瓷球的直徑越大,其空隙率將會變大,阻力損失將變化不大,但由于不同的球徑,造成的邊界效應不同,在筒徑相同時,大球阻力偏小,小球阻力偏大。實驗結果與理論吻合較好,如圖7、圖8。

              4 邊長為200的方筒,填充蜂窩陶瓷

              圖片4.png 

              5邊長為300的方筒,填充蜂窩陶瓷

              圖片5.png 

              6邊長為200的方筒,填充蜂窩陶瓷

              圖片6.png 

              7筒徑200mm,填充高度200m

              圖片7.png 

              8筒徑200mm,填充高度400mm

              圖片8.png 

              從以上實驗結果可以看出,蓄熱式填充床的阻力損失隨著氣體流速的增大而增大。通常認為,在低流速區域(層流區),球層的阻力損失與流體的流速成正比,而在高流速區域(紊流區),與流速的平方成正比。從上面的這些圖中可以看出,這些圖形都是呈拋物線形,即在高度、球徑和筒徑一定時,氣流的速度與填充床的阻力損失成二次方關系。只是在高度較小時,其阻力損失與高度呈非線性關系。

              3)結論

              通過以上的實驗結果分析可知,通過蓄熱式填充床的氣流的阻力損失與下列因素有關。其它條件一定的情況下,球層或蜂窩體的高度越大,氣體通過蓄熱式填充床的阻力損失,在流速很低,小高度條件下,阻力損失與高度之間的關系是非線性的。而且在較低高度時,△P/h隨著高度的降低而增大,即在較小高度時,高度值越小,單位高度的阻力損失越大。在其它條件一定的情況下,填充球的球徑變化同時影響到床層的氣孔率,因此球徑對阻力損失的影響不大。


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