颗粒帘换热器气体变径均流装置的设计与实验研究

陈冬林，杨建波，程松青，吴秀珍

(1.长沙理工大学 能源与动力工程学院，湖南 长沙 410076;2.株洲新时代环保科技有限公司，湖南 株洲 412007)

当前，基于气固两相快速热平衡原理的颗粒帘换热器［1－3］以换热效率高、漏风量及阻力损失低、换热能力实时可调等诸多优点在工业炉窑及电站锅炉烟气余热回收领域具有无可比拟的技术优势而日益受到研究人员的关注。颗粒帘换热器典型结构如图1所示，它使用微米级粒径的硅砂颗粒等材料作为载热体，根据气固两相快速热平衡原理，将烟气余热传递给载热体，再由载热体将热量传递给燃烧用空气，实现深度回收烟气余热用于预热燃烧用空气的过程。

研究表明，颗粒帘换热器中为使换热颗粒不被气流夹带离开换热通道，换热通道中气流流速一般要求低于2 m/s［4－5］，而现役典型工业炉窑的尾部烟道中烟气流速约为7～10 m/s，因此，实际炉窑出口烟气进入颗粒帘换热器时需首先调节其流速至允许值范围。此外，颗粒帘换热器中确保气流与换热颗粒的均匀充分接触是实现气粒两相快速热平衡、体现卓越换热性能的基础，为此需确保气流在进入换热通道时在通道入口断面上实现均匀分布。基于此，笔者设计一种基于填充填料(包括散装和规整填料)与孔板组合形式的气体变径均流装置，并对安装该变径均流装置的颗粒帘换热器气体均匀分布性能进行研究。

图1 颗粒帘换热器结构示意Figure 1 Schematic diagram of particle curtain heat exchanger

1 气体变径均流装置设计

根据颗粒帘换热器的结构，气体变径均流装置内通过填充不同组合形式的填料与孔板来实现气流在换热通道入口的均匀分布与流速调节，所选填料由散装和规整填料组成，采用方形孔板。散装填料是指具有一定几何形状与尺寸的单个物料，该实验中散装填料选用鲍尔环，结构参数如表1所示。规整填料是指具有整齐几何结构与规则排列流道的蜂窝式气流流通通道，该实验中规整填料选用铝蜂窝芯，其孔格边长分别为3，4，5 mm，结构参数如表2所示;实验用方形孔板的结构参数如表3所示。

表1 散装填料结构参数Table 1 Structure parameters of bulk packing

表2 规整填料结构参数Table 2 Structure parameters of structured packing

表3 方形孔板结构参数Table 3 Structure parameters of square plate

根据不同填料间的组合形式设计6种气体变径均流装置，如图2所示，可以看出，各气体变径均流装置中均设置有方形孔板，此外，在1#装置中，还填充有散装填料和1层孔格边长为5 mm的规整填料。2#和3#装置中，均填充有孔格边长分别为4，5 mm的规整填料各1层，不同的是，3#装置中还填充有散装填料。4#，5#，6#装置中，规整填料填充层数均为3层，不同的是，4#装置中孔格边长为3 mm的设置2层、孔格边长为5 mm的设置1层;5#，6#装置中规整填料孔格边长均为4 mm，设置2层，孔格边长为5 mm的均设置1层，另外，6#装置中还填充有散装填料。各气体变径均流装置中，散装填料的填充形式均为散乱堆积，多层规整填料间的填充形式为大孔格边长规整填料设置在前，小孔格边长规整填料设置在后，各层规整填料间的间隔均为35mm。

图2 气体变径均流装置结构示意Figure 2 Schematic diagram of reducing uniform distribution devices

2 实验研究

2.1 实验装置及流程

实验装置为基于单级换热单元的颗粒帘换热器，如图3所示。换热通道是2 000×800×1 000 mm的方形通道，在距换热室入口30 cm处的换热室顶部壁面沿换热室宽度方向等间距开有Y1－Y3共3个直径为15 mm的测孔;距换热通道入口30 cm处的换热室侧壁上沿换热室高度方向等间距的开有X1－X3共3个直径为15 mm的测孔，测孔所在换热通道断面的测点布置如图4所示。实验过程中保持变径均流装置入口气体流量为4 000 m3/h不变，根据预先设计的6种不同形式的变径均流装置，对各均流装置出口气流的均匀分布性能逐一测试，采用热线风速仪测量各设定测点位置处的气流流速，采用液柱式U型管差压计测量各均流装置对气流的流动阻力。

图3 基于单级换热单元的颗粒帘换热器示意Figure 3 Schematic diagram of the particle curtain heat exchangers based on the single-stage units

图4 C-C向断面测点布置示意Figure 4 Schematic diagram of measurement points in cross-section in C-C

2.2 气流分布均匀性评价标准

为便于定量分析各结构形式的变径均流装置对气流在换热通道断面的均匀分布程度，引入相对均方根值［6］作为评价气流均匀分布性能的指标，其计算公式为

式中 σ为相对均方根值;Vi为测试断面上各测点流速值，m/s;V0为测试断面上平均流速，m/s;n为测试断面总测点数。

相对均方根值以通过计算断面上各测点气流速度值与该断面气流速度平均值间的波动幅度来反映气流在断面上的均匀分布程度，其值越小表明各测点气流流速值与截面平均流速间的差距越小，即气流分布越均匀。参考国内外电站锅炉电除尘器入口断面气流均匀分布性评判标准，当σ≤0.25时认为气流均匀分布程度合格，0.1＜σ≤0.25时气流均匀分布程度良好，σ≤0.1时气流均匀分布程度优秀［7］。

3 实验结果及分析

3.1 均流装置出口气流分布

1)纵向分布。

不同气体变径均流装置出口气流纵向分布如图5所示，其纵向分布相对均方根值如图6所示，可以看出，各变径均流装置出口气流纵向分布的均匀性差异较大，如:1#，3#装置的出口气流纵向分布均匀性较差，其气流分布相对均方根值分别达0.44和0.165，2#，6#装置次之，4#，5#装置出口气流的纵向分布均匀性最好，其气流纵向分布相对均方根值仅为0.070 9和0.072 1，鉴于该两值均小于0.1，表明该两变径均流装置的出口气流纵向分布均匀程度达到优秀标准。

图5 变径均流装置出口气流纵向分布曲线Figure 5 Vertical distribution curves of the outlet air flow in uniform distribution device

此外，根据图6，7中的2#，3#装置的均流效果与5#，6#装置的均流效果可知，在变径均流装置中填充散装填料后，变径均流装置出口气流的均匀分布性能不增反降，这是因为散乱堆积的散装填料虽能通过改变流道结构来调整气流流向与分布，但由于各次填充时采用随意的散乱堆积方式使得散装填料间孔隙形状、大小、位置等常发生变化而导致气流流向不稳定，进而使得气流分布均匀性能降低。

2)横向分布。

图6 变径均流装置出口气流纵向分布相对均方根值Figure 6 Relative RMSvertical distribution of outlet air flow in uniform distribution device

根据6种不同结构形式的变径均流装置出口气流纵向分布效果，4#，5#装置出口气流纵向分布的均匀性明显优于其他变径均流装置。实验测得4#，5#装置出口气流横向分布如图7，8所示，其气流横向分布相对均方根值如图9所示，可以看出，4#，5#装置出口气流横向分布相对均方根值均低于0.1，说明两装置出口气流横向分布均匀程度均达优秀标准。此外，对比分析该两装置出口气流的纵向与横向分布相对均方根值发现，其气流横向分布平均相对均方根值分别为0.034和0.038 6，较之纵向分布的相对均方根值0.070 9和0.072 1减小幅度约48%，说明该两变径均流装置出口气流的横向分布均匀程度均优于纵向分布约1倍。

图7 4#装置出口气流横向分布曲线Figure 7 Horizontal distribution curves of outlet airflow in device 4#

图8 5#装置出口气流横向分布曲线Figure 8 Horizontal distribution curves of outlet airflow in device 5#

图9 变径均流装置出口气流横向分布相对均方根值Figure 9 Relative RMShorizontal distribution of outlet flow in uniform distribution device

另外，由图9可知，4#装置出口气流横向测点各行间的均匀分布相对均方根值差距较大，如:第1行各测点间气流分布相对均方根值0.052远大于第2、第3行的0.021和0.022，波动幅度达136%，而5#装置出口气流横向测点各行间的相对均方根值波动幅度值为39%，较4#装置大大减小。总体而言，尽管4#，5#装置出口气流的横向与纵向分布均匀程度均达优秀标准，但5#装置出口气流横向各行间分布均匀波动幅度小于4#装置，说明5#装置出口气流横向分布均匀平稳程度优于4#装置。

3.2 均流装置的流动阻力

气流通过变径均流装置前、后的压差反应了气流通过该变径均流装置前后所需克服的阻力，它直接揭示了气流通过该变径均流装置时的能耗大小。实验测得气流流经各变径均流装置前、后的压差变化如图10所示，由图可知，各变径均流装置对气流流动的阻力差异较大，具体表现为变径均流装置出口气流分布越均匀则其对气流的流动阻力越大，4#装置前、后的气流压差值637 Pa大于5#装置前、后的气流压差值590 Pa。这是因为变径均流装置在调整气流分布的过程中，气流分布越均匀说明气流流向调整幅度越大，而这一调整过程需要气流通过消耗自身的能量来实现，因此，变径均流装置出口气流均匀分布性能越好则其对气流的流动阻力越大［8］。此外，对比2#，3#装置和5#，6#装置的气流流动阻力值可发现，变径均流装置中填充入散装填料后，其对气流流动的阻力值大大增大，不利于颗粒帘换热器的连续正常运行。

图10 变径均流装置对气流的流动阻力Figure 10 Flow resistance imposed on airflow in uniform distribution device

综上所述，根据最优的气体变径均流装置应同时具备较高的出口气流均匀分布性能与较低的流动阻力，综合比较发现，尽管4#装置出口气流均匀分布性能略优于5#装置，但该两装置出口气流均匀分布程度仍均达优秀标准，且5#装置出口气流横向分布各行间均匀程度的波动幅度和流动阻力均小于4#装置，因此，5#变径均流装置是该实验的最优变径均流装置。

3.3 气流流动特性对均流装置的均流效果

为分析入口气流流动特性对变径均流装置的均流效果，实验研究了不同入口气流Re数下5#装置出口气流的纵向分布均匀程度，实验结果如图11所示。由图可知，随着入口气流Re数的增大，5#装置出口气流的纵向分布均匀程度略有下降，这是因为在气流入口通道截面固定的情况下，Re数增大表现为入口气流流速增大，使得气流流经变径均流装置的时间相对缩短，相当于减小了调整气流分布的时间，因此出口气流均匀分布性能下降。

图11 气流流动特性对5#变径均流装置的均流效果Figure 11 Averaging current effects of airflow characteristics on the current adjustable device 5#

4 结语

通过对设计的颗粒帘换热器中6种不同结构形式的变径均流装置出口气流均匀分布性能及其流动阻力的实验研究，可以得到以下结论。

1)5#变径均流装置出口气流纵向与横向分布的均匀程度均达到优秀标准，且横向分布的均匀程度优于纵向分布约一倍，满足实验要求。实验证明采用笔者设计的气体变径均流装置对于实现气流在换热通道入口断面的均匀分布是可行的。

2)变径均流装置中，填充散装填料不仅不能改善变径均流装置出口气流的均匀分布程度，还会增大其对气流的流动阻力，因此实际过程中应不考虑填充散装填料。

3)变径均流装置出口气流均匀分布程度随入口气流Re数增大而减小。

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