顆粒簾換熱器流動(dòng)特性參數(shù)優(yōu)化

潘久良

長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

顆粒簾換熱器流動(dòng)特性參數(shù)優(yōu)化

潘久良

長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

通過(guò)正交驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)選出顆粒簾換熱器流動(dòng)特性參數(shù)組合，優(yōu)化工藝參數(shù)組合為進(jìn)氣速度1.25m/s，顆粒簾初始厚度60mm，顆粒粒徑150～212μm，顆粒質(zhì)量流量1050g/s；為后續(xù)研究工作的展開(kāi)做了必要的前期準(zhǔn)備。

正交；顆粒簾；流動(dòng)特性

1 引言

顆粒簾換熱因?yàn)轶w積小、布置靈活、換熱效率高日舉國(guó)益受到相關(guān)科研人員的關(guān)注

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

顆粒簾換熱器中氣粒流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由換熱器本體、顆粒給料系統(tǒng)，顆粒收集裝置。

圖1

2.2 顆粒簾幾何特征參數(shù)定義

顆粒簾幾何特征參數(shù)定義示意如圖2所示。為定量分析下落顆粒簾的結(jié)構(gòu)性，以給料漏斗左側(cè)入口為原點(diǎn)，以沿?fù)Q熱室通道出口水平方向?yàn)閤軸，換熱器通道垂直方向?yàn)閥軸，對(duì)與下落顆粒簾相關(guān)的幾何特征參數(shù)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(shí)驗(yàn)主要研究不同進(jìn)氣速度v0、顆粒簾初始厚度、顆粒粒徑、顆粒質(zhì)量流量等因素對(duì)顆粒簾

3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 確定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)中，為確保顆粒簾落點(diǎn)位于換熱室內(nèi)而不至于被氣流夾帶離開(kāi)換熱室，選用顆粒簾落點(diǎn)水平最大偏移量x2max作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。

3.2 確定實(shí)驗(yàn)因素及水平

圖2

本實(shí)驗(yàn)研究的不同進(jìn)口氣流和不同顆粒工況流動(dòng)特性參數(shù)主要為：進(jìn)氣速度v、顆粒簾初始厚度b0、顆粒粒徑dp和顆粒質(zhì)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(kāi)換熱室（此現(xiàn)象稱為揚(yáng)析）的最大氣流流速vmax一般小于2m/s，故進(jìn)氣速度范圍取1.0～2.0m/s；顆粒簾初始厚度取60～180mm；當(dāng)固體顆粒直徑＜200μm時(shí)，顆粒進(jìn)入煙氣或空氣中時(shí)可瞬間（～10-1s）達(dá)到熱平衡，傳熱效率高，故顆粒粒徑范圍取120～300μm；顆粒質(zhì)量流量取550～2150g/s。不同進(jìn)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(shí)驗(yàn)因素水平劃分表

3.3 正交表的選擇

本實(shí)驗(yàn)主要考察不同進(jìn)氣速度、顆粒簾初始厚度、顆粒粒徑及顆粒質(zhì)量流量對(duì)顆粒簾落點(diǎn)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(gè)實(shí)驗(yàn)因素選取4個(gè)水平，因此選取正交表L16（44）。

4 正交實(shí)驗(yàn)方案安排與實(shí)驗(yàn)方法

為定量分析下落顆粒簾的結(jié)構(gòu)特性，如下圖3所示，以給料漏斗左側(cè)入口為原點(diǎn)，以沿?fù)Q熱室通道出口水平方向?yàn)閤軸，換熱器通道垂直方向?yàn)閥軸，定義了以下與下落顆粒簾相關(guān)的幾何特征參數(shù)：

(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(diǎn)水平偏移量x2：換熱器通道底部顆粒簾落點(diǎn)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(shù)定義示意圖

如圖4所示，在換熱器通道后壁距換熱室進(jìn)口距離250mm和出口距離850mm的直線上等間距各設(shè)置5個(gè)直徑為25mm測(cè)量孔，各測(cè)孔間距為166mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用型號(hào)為VT110、精度為±0.05m/s的熱線風(fēng)速儀測(cè)量并記錄測(cè)點(diǎn)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(hào)為XY-5000PA智能風(fēng)速風(fēng)壓儀配標(biāo)準(zhǔn)皮托管測(cè)量并記錄測(cè)點(diǎn)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(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；測(cè)量顆粒簾后沿邊界點(diǎn)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(cè)量換熱室底邊上顆粒落點(diǎn)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(diǎn)水平偏移量。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1076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，并將照片置于Auto CAD中應(yīng)用“測(cè)距”工具對(duì)顆粒簾幾何特征參數(shù)進(jìn)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(diǎn)水平偏移量與實(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、顆粒簾后沿水平偏移量及顆粒簾落點(diǎn)水平偏移量。

圖4 換熱室側(cè)壁測(cè)孔及測(cè)點(diǎn)布置示意圖

顆粒簾落點(diǎn)水平偏移量x2正交實(shí)驗(yàn)方案安排與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4.2所示。

表二顆粒簾落點(diǎn)水平偏移量x2正交實(shí)驗(yàn)方案安排與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用極差分析方法對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，得出各因素水平的最佳組合，并以優(yōu)化因素水平為基礎(chǔ)，研究各因素水平對(duì)顆粒簾換熱器中顆粒流動(dòng)特性的影響規(guī)律及形成機(jī)理，同時(shí)驗(yàn)證正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定的優(yōu)化組合是否符合實(shí)際工程要求。

流動(dòng)特性參數(shù)對(duì)顆粒簾落點(diǎn)水平偏移量x2的影響：

實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的極差分析結(jié)果分別如表二所示。由表二可知，進(jìn)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(zhì)量流量D最小，表明影響顆粒簾落點(diǎn)水平偏移量x2的最主要因素是進(jìn)氣速度，次要因素為顆粒簾初始厚度，而顆粒粒徑與顆粒質(zhì)量流量的影響較小。根據(jù)表二，各流動(dòng)特性參數(shù)對(duì)顆粒簾落點(diǎn)水平偏移量x2的水平影響趨勢(shì)如圖5所示。

表3 極差分析結(jié)果

圖5 工藝參數(shù)對(duì)顆粒簾落點(diǎn)水平偏移量的影響趨勢(shì)

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

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