煤粉濃度與風量的熱探頭測量方法研究

摘 要：開發了長弦為10mm、短弦為5mm的橢圓型熱探頭，用于煤粉濃度與風量的測量，將熱探頭放入煤粉一空氣輸送管中，熱探頭1的長弦平行于來流，熱探頭2的短弦平行于來流，研究發現：熱探頭1對煤粉濃度反應遲鈍；熱探頭2對煤粉濃度反應比較敏感，分析了氣固兩相流申的弛豫效應，提出了熱探頭1和熱探頭2在氣固兩相流申的換熱準則關系式，將熱探頭1和熱探頭2的換熱準則關系式相耦合，可用于測量媒粉濃度和風量，測量結果的相對偏差分別在20％和10％以內。

關鍵詞：兩相流；熱探頭；煤粉；風量，測量

中圖分類號：TK39 文獻標志碼：A 文章編號：0253-987X(2008)01-0023-04

煤粉濃度與風量的在線監控是電廠鍋爐燃燒與流程控制的重要技術問題，電廠鍋爐燃燒過程通常是將粉粒用空氣輸送至爐膛進行燃燒，該過程中空氣與煤粉輸送管道中煤粉濃度與風量的大小、不同輸送管中煤粉濃度與風量的均勻性分配等問題關系到爐內燃燒的穩定性和煙氣中污染物的可控性，并且對提高能源利用率、降低污染物排放有重要意義，燃燒過程的調控要求對煤粉濃度實現在線測量，粉體與一次風的混合輸送涉及多相流體計量學和多相流體動力學，本文研究不同布置形式下橢圓型熱探頭對煤粉濃度與空氣流速的響應特性，探索熱探頭測量煤粉濃度與風量的可行性，為煤粉濃度與風量的測量提供新方法。

1 雙橢圓型熱探頭的耦合測量原理

熱探頭測量方法的基本原理與熱膜風速儀的測量原理類似，都是利用流動與換熱的相關性測量流動參數，其對流換熱應滿足以下歸一化關系式的一般形式。

Nu＝f(Re，Pr，ε/D，Gr，Ec，θ) (1)

式中：Nu、Re、Pr、Gr和Ec分別為努塞爾數、雷諾數、普朗特數、格拉曉夫數和埃克特(Eckert)數；θ為迎角；ε為粗糙度；D為管徑。對于強制對流換熱，式(1)中Gr與EC可忽略，通常，式(1)中ε/D對傳熱的影響也可忽略，對于布置形式不同的熱探頭，式(1)可簡化為

Nu=f(Rε，Pr，θ) (2)

熱探頭測量系統的結構如圖l所示，熱探頭1與熱探頭2是相同尺寸的橢圓截面管，長弦為10mm、短弦為5mm每個熱探頭內置2個熱電阻和1個15w的加熱元件，釋放的熱量被流體吸收，溫度傳感器為直徑5mm的圓管，用于測量來流溫度，熱探頭與溫度傳感器組成橋式電路，測量流體與熱探頭壁面的溫差。

如圖2所示，在煤粉一空氣兩相流中，熱探頭1的長弦平行于來流，熱探頭2的短弦平行于來流，這2種布置形式即為式(2)中的θ分別為0度和90度的情況，由于迎角不同，2種布置形式具有2個不同的換熱關系式。

2 試驗裝置

在常溫常壓下，以煤粉一空氣兩相流模擬電廠送粉系統中一次風與煤粉的混合流動，在內徑為75mm的水平直管中研究了熱探頭1和熱探頭2的傳熱特性，試驗裝置見圖3，煤粉由螺桿式給粉機供給，流量大小由變頻電機控制，空氣流量由孔板測量，煤粉與空氣通過負壓混合器混合，在試驗段中形成煤粉一空氣兩相流，試驗壓力近似為大氣壓，煤粉的粒徑由篩選法測定，平均粒徑為65um，煤的密度為1220kg/m³，導熱系數為0.26W(m·℃)，比熱容為960J/(kg·℃)。

3 結果與討論

3．1 熱探頭的傳熱效果

采用熱探頭測量煤粉濃度和風量時，由于兩相流動的復雜性，熱探頭的訊號既不會簡單地依賴于煤粉濃度，也不會簡單地取決于流體的質量通量，圖4與圖5分別是額定加熱功率下，熱探頭1(壁溫為T_p1)和熱探頭2(壁溫為T_p2)與煤粉一空氣兩相流(溫度為T_t)的溫差，其中煤粉濃度定義為

w_s=m_s/m_g (3)式中：m_s和m_g分別為煤粉與空氣的質量流量。

從圖4與圖5可以看出，煤粉的加入使兩相流繞流橢圓型短管的對流換熱效果偏離單相空氣流(w_s=0)繞流橢圓型短管的換熱曲線，其中熱探頭1的偏離程度較小，而熱探頭2的偏離程度較大，這表明，對應于相同的空氣流速與煤粉濃度。熱探頭1對煤粉濃度反應遲鈍，而熱探頭2對煤粉濃度反應比較敏感，兩者的傳熱特性存在比較明顯的差異。

3．2 懸浮顆粒的弛豫與準則數的修正

氣固兩相流與單相氣流的不同之處在于：懸浮顆粒與氣體對流場與溫度場變化的響應不同步，存在弛豫過程，斯托克斯數描述了顆粒對流場變化的響應特性，定義為。

Sk=t_v/t_F (4)式中：t_v為顆粒的動量弛豫時間；t_F為流場的特征時間，定義為

t_F=L_F/v_s (5)其中L_F為熱探頭沿流場方向的特征長度。

如果Sk≤1，則顆粒的動量弛豫時間遠小于流場的特征時間，為平衡流動；如果SA≥1，則顆粒沒有充分的時間響應流場的變化，為非平衡流動，動量弛豫時間可由單顆粒在氣流中的運動方程導出，即

熱平衡的特征時間，如果熱弛豫時間大于流場特征時間，則顆粒與氣體間來不及達到熱平衡；若熱弛豫時間小于流場特征時間，則顆粒與氣體間可達到熱平衡，對于兩相速度近似相等的稀相氣固兩相流，Nu_S≈2，式(10)可作簡化，則t_T僅是固體顆粒物性的函數。

在雷諾數中引入斯托克斯數以考慮動量弛豫對熱探頭換熱的影響，在努塞爾數中引入熱弛豫時間和流場特征時間以考慮熱弛豫對熱探頭換熱的影響，則氣固兩相流的修正雷諾數和努塞爾數分別為式中：D為熱探頭的當量直徑；λ_s為固體顆粒的導熱系數，對流換熱系數入由如下關系式計算

h=g/(A(T_p-T_f) (13)式中：g為加熱功率；A為熱探頭的換熱面積。

對于熱探頭1，D=5mm，L_F=10mm，對于熱探頭2，D=10mm，L_F=5mm由式(2)知，熱探頭1與熱探頭2的迎角不同，由式(4)可知，熱探頭1和熱探頭2的斯托克斯數不同，由式(11)和式(12)知，對于不同布置形式的熱探頭，煤粉濃度對雷諾數和努塞爾數的影響不同，以上因素致使熱探頭1對煤粉濃度反應遲鈍，熱探頭2對煤粉濃度反應比較敏感。

3．3 準則關系與測量結果

如圖6所示，應用修正的雷諾數和努塞爾數，對于橢圓型熱探頭1與熱探頭2在煤粉一空氣兩相流中的換熱，分別得到如下歸一化準則關系

Nu_D=0.136Re^0.64_D (14)

NuD＝0.734Re^0.51_D (15)

在已知溫差和熱功率的條件下，式(14)和式(15)包含空氣流速與煤粉濃度2個未知量，聯立求解式(14)和式(15)，可得出空氣流速與煤粉濃度的計算值，圖7與圖8是計算值與實際值的比較，δ_v與δ_T分別表示空氣流速與煤粉濃度的測量結果的相對偏差，圖7表明，空氣流速測量結果的相對偏差在±10％以內，圖8表明，煤粉濃度測量結果的相對偏差在+20％以內，測量結果滿足流程監控的需要，表明雙橢圓型熱探頭耦合測量方法應用于煤粉濃度與風量的監測是可行的。

4 結 論

將尺寸完全相同的2個橢圓型熱探頭放入煤粉一空氣輸氣管中，在煤粉一空氣兩相流中分別作長弦平行于來流和短弦平行于來流布置，其傳熱特性不同，長弦平行于來流的熱探頭1對煤粉濃度反應遲鈍，而短弦平行于來流的熱探頭2對煤粉濃度反應比較敏感，氣固兩相流的動量弛豫效應與熱弛豫效應影響熱探頭的傳熱特性，通過修正雷諾數和努塞爾數，對熱探頭1和熱探頭2提出了不同的換熱準則關系式，將熱探頭l和熱探頭2的換熱準則關系式相耦合，可用于測量煤粉濃度和風量，測量結果的相對偏差分別在20％和10％以內。

(編輯 王煥雪)