顆粒簾換熱器流動特性參數優化

潘久良

長沙理工大學能源與動力工程學院

顆粒簾換熱器流動特性參數優化

潘久良

長沙理工大學能源與動力工程學院

通過正交驗設計，優選出顆粒簾換熱器流動特性參數組合，優化工藝參數組合為進氣速度1.25m/s，顆粒簾初始厚度60mm，顆粒粒徑150～212μm，顆粒質量流量1050g/s；為后續研究工作的展開做了必要的前期準備。

正交；顆粒簾；流動特性

1 引言

顆粒簾換熱因為體積小、布置靈活、換熱效率高日舉國益受到相關科研人員的關注

2 實驗裝置及方法

2.1 實驗裝置

顆粒簾換熱器中氣粒流動特性實驗裝置如圖1所示。實驗裝置由換熱器本體、顆粒給料系統，顆粒收集裝置。

圖1

2.2 顆粒簾幾何特征參數定義

顆粒簾幾何特征參數定義示意如圖2所示。為定量分析下落顆粒簾的結構性，以給料漏斗左側入口為原點，以沿換熱室通道出口水平方向為x軸，換熱器通道垂直方向為y軸，對與下落顆粒簾相關的幾何特征參數定義如下。

(1)顆粒簾前/后沿即氣流與顆粒簾最后/最先接觸的顆粒簾邊界線。

(2)顆粒簾沿程厚度xb即換熱器通道中同一高度位置處的顆粒簾前后沿間距。

(3)距換熱器通道頂部垂直距離h。

本實驗主要研究不同進氣速度v0、顆粒簾初始厚度、顆粒粒徑、顆粒質量流量等因素對顆粒簾

3 正交實驗設計

3.1 確定實驗指標

實驗中，為確保顆粒簾落點位于換熱室內而不至于被氣流夾帶離開換熱室，選用顆粒簾落點水平最大偏移量x2max作為實驗指標。

3.2 確定實驗因素及水平

圖2

本實驗研究的不同進口氣流和不同顆粒工況流動特性參數主要為：進氣速度v、顆粒簾初始厚度b0、顆粒粒徑dp和顆粒質量流量Ws。研究表明，為不使顆粒簾換熱器中小粒徑顆粒被氣流夾帶而離開換熱室（此現象稱為揚析）的最大氣流流速vmax一般小于2m/s，故進氣速度范圍取1.0～2.0m/s；顆粒簾初始厚度取60～180mm；當固體顆粒直徑＜200μm時，顆粒進入煙氣或空氣中時可瞬間（～10-1s）達到熱平衡，傳熱效率高，故顆粒粒徑范圍取120～300μm；顆粒質量流量取550～2150g/s。不同進口氣流和不同顆粒工況因素及水平安排如下表一所示。

表一實驗因素水平劃分表

3.3 正交表的選擇

本實驗主要考察不同進氣速度、顆粒簾初始厚度、顆粒粒徑及顆粒質量流量對顆粒簾落點水平偏移量及顆粒簾換熱器不同高度位置處顆粒簾后沿水平偏移量、顆粒簾沿程厚度、顆粒簾后部氣流速度的影響，每個實驗因素選取4個水平，因此選取正交表L16（44）。

4 正交實驗方案安排與實驗方法

為定量分析下落顆粒簾的結構特性，如下圖3所示，以給料漏斗左側入口為原點，以沿換熱室通道出口水平方向為x軸，換熱器通道垂直方向為y軸，定義了以下與下落顆粒簾相關的幾何特征參數：

(1)顆粒簾前/后沿：氣流與顆粒簾最后/最先接觸的顆粒簾邊界線；

(2)顆粒簾沿程厚度xb：換熱器通道中同一高度位置處的顆粒簾前后沿間距；

(3)距換熱器通道頂部垂直距離h；

(4)顆粒簾后沿水平偏移量x1：換熱器通道中同一高度位置處顆粒簾后沿與換熱器通道頂部顆粒下落口邊界線間的距離；

(5)顆粒簾落點水平偏移量x2：換熱器通道底部顆粒簾落點中心線與換熱器通道頂部顆粒簾下落口中心線的距離。

圖3 顆粒簾幾何特征參數定義示意圖

如圖4所示，在換熱器通道后壁距換熱室進口距離250mm和出口距離850mm的直線上等間距各設置5個直徑為25mm測量孔，各測孔間距為166mm。實驗時使用型號為VT110、精度為±0.05m/s的熱線風速儀測量并記錄測點1-5處氣流速度值得到顆粒簾前部氣流速度分布，使用型號為XY-5000PA智能風速風壓儀配標準皮托管測量并記錄測點6-10處氣流速度得到顆粒簾后部氣流速度分布。

在換熱器通道前壁的玻璃窗口黏貼透明格子薄膜，并用彩色筆記錄各測點高度位置處顆粒簾前后沿邊界點，測量其距離即為此高度位置處的顆粒簾厚度；測量顆粒簾后沿邊界點與換熱通道頂部顆粒下落口邊界線間的距離即為此高度位置處的顆粒簾后沿水平偏移量；待顆粒全部下落完畢，測量換熱室底邊上顆粒落點處的中心線與換熱通道頂部顆粒下落口中心線間的位移即得顆粒簾落點水平偏移量。同時，為保證實驗數據的準確性和可信性，使用1076幀/s的高速數碼相機對下落顆粒運動軌跡捕捉成像，并將照片置于Auto CAD中應用“測距”工具對顆粒簾幾何特征參數進行處理，提取出的顆粒簾厚度值、顆粒簾后沿水平偏移量及顆粒簾落點水平偏移量與實測值加權平均即得本實驗工況下的顆粒簾厚度值、顆粒簾后沿水平偏移量及顆粒簾落點水平偏移量。

圖4 換熱室側壁測孔及測點布置示意圖

顆粒簾落點水平偏移量x2正交實驗方案安排與實驗結果如表4.2所示。

表二顆粒簾落點水平偏移量x2正交實驗方案安排與實驗結果

5 正交實驗結果分析

本文采用極差分析方法對正交實驗結果進行數據處理與分析，得出各因素水平的最佳組合，并以優化因素水平為基礎，研究各因素水平對顆粒簾換熱器中顆粒流動特性的影響規律及形成機理，同時驗證正交實驗設計確定的優化組合是否符合實際工程要求。

流動特性參數對顆粒簾落點水平偏移量x2的影響：

實驗指標的極差分析結果分別如表二所示。由表二可知，進氣速度A的極差最大，顆粒簾初始厚度B次之，顆粒粒徑C較小，顆粒質量流量D最小，表明影響顆粒簾落點水平偏移量x2的最主要因素是進氣速度，次要因素為顆粒簾初始厚度，而顆粒粒徑與顆粒質量流量的影響較小。根據表二，各流動特性參數對顆粒簾落點水平偏移量x2的水平影響趨勢如圖5所示。

表3 極差分析結果

圖5 工藝參數對顆粒簾落點水平偏移量的影響趨勢

綜上所述，為使顆粒簾換熱器中不出現小粒徑顆粒被氣流夾帶而離開換熱室同時情況，基于正交實驗所確定的參數范圍，所確定的優化工藝參數組合為進氣速度1.25m/s，顆粒簾初始厚度60mm，顆粒粒徑150～212μm，顆粒質量流量1050g/s（按因素影響主次順序排列）。

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