潘久良

长沙理工大学能源与动力工程学院

颗粒帘换热器流动特性参数优化

潘久良

长沙理工大学能源与动力工程学院

通过正交验设计，优选出颗粒帘换热器流动特性参数组合，优化工艺参数组合为进气速度1.25m/s，颗粒帘初始厚度60mm，颗粒粒径150～212μm，颗粒质量流量1050g/s；为后续研究工作的展开做了必要的前期准备。

正交；颗粒帘；流动特性

1 引言

颗粒帘换热因为体积小、布置灵活、换热效率高日举国益受到相关科研人员的关注

2 实验装置及方法

2.1 实验装置

颗粒帘换热器中气粒流动特性实验装置如图1所示。实验装置由换热器本体、颗粒给料系统，颗粒收集装置。

图1

2.2 颗粒帘几何特征参数定义

颗粒帘几何特征参数定义示意如图2所示。为定量分析下落颗粒帘的结构性，以给料漏斗左侧入口为原点，以沿换热室通道出口水平方向为x轴，换热器通道垂直方向为y轴，对与下落颗粒帘相关的几何特征参数定义如下。

(1)颗粒帘前/后沿即气流与颗粒帘最后/最先接触的颗粒帘边界线。

(2)颗粒帘沿程厚度xb即换热器通道中同一高度位置处的颗粒帘前后沿间距。

(3)距换热器通道顶部垂直距离h。

本实验主要研究不同进气速度v0、颗粒帘初始厚度、颗粒粒径、颗粒质量流量等因素对颗粒帘

3 正交实验设计

3.1 确定实验指标

实验中，为确保颗粒帘落点位于换热室内而不至于被气流夹带离开换热室，选用颗粒帘落点水平最大偏移量x2max作为实验指标。

3.2 确定实验因素及水平

图2

本实验研究的不同进口气流和不同颗粒工况流动特性参数主要为：进气速度v、颗粒帘初始厚度b0、颗粒粒径dp和颗粒质量流量Ws。研究表明，为不使颗粒帘换热器中小粒径颗粒被气流夹带而离开换热室（此现象称为扬析）的最大气流流速vmax一般小于2m/s，故进气速度范围取1.0～2.0m/s；颗粒帘初始厚度取60～180mm；当固体颗粒直径＜200μm时，颗粒进入烟气或空气中时可瞬间（～10-1s）达到热平衡，传热效率高，故颗粒粒径范围取120～300μm；颗粒质量流量取550～2150g/s。不同进口气流和不同颗粒工况因素及水平安排如下表一所示。

表一实验因素水平划分表

3.3 正交表的选择

本实验主要考察不同进气速度、颗粒帘初始厚度、颗粒粒径及颗粒质量流量对颗粒帘落点水平偏移量及颗粒帘换热器不同高度位置处颗粒帘后沿水平偏移量、颗粒帘沿程厚度、颗粒帘后部气流速度的影响，每个实验因素选取4个水平，因此选取正交表L16（44）。

4 正交实验方案安排与实验方法

为定量分析下落颗粒帘的结构特性，如下图3所示，以给料漏斗左侧入口为原点，以沿换热室通道出口水平方向为x轴，换热器通道垂直方向为y轴，定义了以下与下落颗粒帘相关的几何特征参数：

(1)颗粒帘前/后沿：气流与颗粒帘最后/最先接触的颗粒帘边界线；

(2)颗粒帘沿程厚度xb：换热器通道中同一高度位置处的颗粒帘前后沿间距；

(3)距换热器通道顶部垂直距离h；

(4)颗粒帘后沿水平偏移量x1：换热器通道中同一高度位置处颗粒帘后沿与换热器通道顶部颗粒下落口边界线间的距离；

(5)颗粒帘落点水平偏移量x2：换热器通道底部颗粒帘落点中心线与换热器通道顶部颗粒帘下落口中心线的距离。

图3 颗粒帘几何特征参数定义示意图

如图4所示，在换热器通道后壁距换热室进口距离250mm和出口距离850mm的直线上等间距各设置5个直径为25mm测量孔，各测孔间距为166mm。实验时使用型号为VT110、精度为±0.05m/s的热线风速仪测量并记录测点1-5处气流速度值得到颗粒帘前部气流速度分布，使用型号为XY-5000PA智能风速风压仪配标准皮托管测量并记录测点6-10处气流速度得到颗粒帘后部气流速度分布。

在换热器通道前壁的玻璃窗口黏贴透明格子薄膜，并用彩色笔记录各测点高度位置处颗粒帘前后沿边界点，测量其距离即为此高度位置处的颗粒帘厚度；测量颗粒帘后沿边界点与换热通道顶部颗粒下落口边界线间的距离即为此高度位置处的颗粒帘后沿水平偏移量；待颗粒全部下落完毕，测量换热室底边上颗粒落点处的中心线与换热通道顶部颗粒下落口中心线间的位移即得颗粒帘落点水平偏移量。同时，为保证实验数据的准确性和可信性，使用1076帧/s的高速数码相机对下落颗粒运动轨迹捕捉成像，并将照片置于Auto CAD中应用“测距”工具对颗粒帘几何特征参数进行处理，提取出的颗粒帘厚度值、颗粒帘后沿水平偏移量及颗粒帘落点水平偏移量与实测值加权平均即得本实验工况下的颗粒帘厚度值、颗粒帘后沿水平偏移量及颗粒帘落点水平偏移量。

图4 换热室侧壁测孔及测点布置示意图

颗粒帘落点水平偏移量x2正交实验方案安排与实验结果如表4.2所示。

表二颗粒帘落点水平偏移量x2正交实验方案安排与实验结果

5 正交实验结果分析

本文采用极差分析方法对正交实验结果进行数据处理与分析，得出各因素水平的最佳组合，并以优化因素水平为基础，研究各因素水平对颗粒帘换热器中颗粒流动特性的影响规律及形成机理，同时验证正交实验设计确定的优化组合是否符合实际工程要求。

流动特性参数对颗粒帘落点水平偏移量x2的影响：

实验指标的极差分析结果分别如表二所示。由表二可知，进气速度A的极差最大，颗粒帘初始厚度B次之，颗粒粒径C较小，颗粒质量流量D最小，表明影响颗粒帘落点水平偏移量x2的最主要因素是进气速度，次要因素为颗粒帘初始厚度，而颗粒粒径与颗粒质量流量的影响较小。根据表二，各流动特性参数对颗粒帘落点水平偏移量x2的水平影响趋势如图5所示。

表3 极差分析结果

图5 工艺参数对颗粒帘落点水平偏移量的影响趋势

综上所述，为使颗粒帘换热器中不出现小粒径颗粒被气流夹带而离开换热室同时情况，基于正交实验所确定的参数范围，所确定的优化工艺参数组合为进气速度1.25m/s，颗粒帘初始厚度60mm，颗粒粒径150～212μm，颗粒质量流量1050g/s（按因素影响主次顺序排列）。

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