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1、填充床蓄热式热交换器热工特性的实验研究李朝祥 (华东冶金学院)蔡九菊陆钟武 (东北大学)摘 要 依据蓄热式热交换器的换热实验, 证实了在结构一定时, 换向时间和流经热交换器截面 的流量, 是影响蓄热式热交换器换热效率的两个重要因素; 研究得出的热交换器效率的计算式可 较精确地描述效率和换向时间之间的定量关系。为蓄热式热交换器的进一步理论研究、设计和操 作提供了重要的参考依据。 关键词 蓄热式热交换器 换热效率 换向时间EXPER I M ENTAL RESEA RCH O N THERM AL CHA RACTER IST ICS O FTHE REGENERA T IVE HEA T EXC
2、HA NGER O F PACKED BEDL i C h ao x iang(E a st C h ina U n ive r sity o f M e ta llu rgy) C a i J iu ju L u Zho ngw u(N o r th ea ste rn U n ive r sity)A bstrac t T h e sw itch t i m e and th e m a t te r f low ra te p a ss th ro ugh th e sec t io n a rea o f th e exch ange rw e re app ro ved to be
3、th e i m po r tan t fac t s inf luenc ing th e eff ic iency o f th e regene ra t ive h ea t exch ang2 e r o f p ack ed bed by th e exp e r i m en t, and th e m a th em a t ica l exp re ssio n o f th e eff ic iency o f th e h ea t exch ange r w a s p ro ved to be m o re accu ra te in de sc r ib ing t
4、h e re la t io n sh ip be tw een th e eff ic iency and th e sw itch t i m e o f th e h ea t exch anger. T h u s, an i m po r tan t th eo re t ic app ro ach w a s p u t fo rw a rd, fo r th e fu r th e r inve st iga t io n rega rd ing th e p e rfo rm ance o f regene ra t ive h ea t exch anger, a s w e
5、 ll a s fo r th e de sign o f regene ra t ive h ea t exch ange r.Keywords regene ra t ive h ea t exch ange r eff ic iency o f h ea t exch ange r sw itch t i m e1前言填充床蓄热式热交换器以小型、 高效的特 点, 而受到国内外的广泛关注。 因而, 如何利 用有限的热交换器体积, 提高蓄热式热交换器 的效率, 成了该类热交换器应用研究的崭新课 题。蓄热式热交换器的热工行为是指: 蓄热式 热交换器的效率与结构参数、 过程参数及操作 参数之间的
6、关系。 新型蓄热式热交换器在结构 和操作特点上, 与传统的蓄热室有所不同, 因而其效率与各种因素之间的关系, 也有些差别。蓄热式热交换器内的不稳态传热区别于普通换 热器稳态传热的显著特点, 在于时间对传热的 影响。文献 1认为换向时间的长短决定了蓄 热器体积的大小。文献 2对蓄热器的传热分析中, 也涉及到换向时间对换热效率的影响。 文 献 1 、3针对特殊的实验装置, 给出了最 佳换向时间的选取方法, 但这种依据特定实验 条件下蓄热器内流体的温度分布确定最佳换向 时间的方法, 不具有一般性。 蓄热式热交换器冶金能源18 卷 2 期 19991340内的热交换过程不仅与蓄热器的结构尺寸、 填 充
7、物及流体的物性、 床层结构有关, 而且与流 动状态和换向操作时间有关。 实际上, 是热交 换器的结构及通过热交换器内介质的流量, 决 定了热交换器内部的热交换条件。 换向时间作 为可变的操作参数, 可直接影响到热交换器的 换热效果。根据文献 4的研究结果, 在热交 换器的结构一定时, 对热交换效果产生影响的 主要因素, 是通过热交换器内介质的流量和换 向操作时间。 因此本研究依据实验进一步证实 了, 在蓄热式热交换器的结构一定时, 换向时 间和流量对换热效果的影响。 在结构一定和流 量一定时, 为保证热交换器效率最高, 必须选 择一个合理的换向时间。 为蓄热式热交换器换 热优化设计, 为热交换
8、器换向时间的选取提供 了重要的依据和参考。 2 蓄热式热交换器的实验装置和工作原理热交换器为一金属圆筒, 内衬 50mm 厚硅 酸铝纤维毡, 因而热交换器的散热损失可忽略填充料 (见图 1)。一侧冷风由一台鼓风机经过 转子流量计, 被送到热交换器, 另一侧冷风经 由转子流量计被送到一台 24kW 的电阻炉, 经 加热后送到热交换器。 热交换器的出口、 入口 温度以及热交换器内部的气体和固体温度分别 由数支镍铬镍硅热电偶测量。 热电偶与A D 03 数据采集卡及计算机相联。 为防止热电偶与填 充体接触及固体表面对热电偶的辐射影响, 在 热电偶的头部安装有金属螺线管。 数据采集卡 的采集频率根据换
9、向时间的不同, 分别采用 2 秒和 10 秒钟。 球形阀 1、2 分别用于调节冷风 和热风的流量。 调节阀 3、4、5、6、7 分别用 于改变气体的流向, 以对热交换器实现加热和 冷却操作。 第一步, 当调节阀 4、6 处于打开状态, 而 阀 3、5 处于关闭状态时, 热交换器为加热期。 热气体由入口进入热交换器, 在热交换器的内 部, 热气体把热量传给蓄热体, 把蓄热体加热, 热气体变成低温气体排出。 第二步, 一定时间不计。 筒下端有一金属网络,网格上装有球形后,阀 3、5 打开,而阀 4、6 同时关闭,热交图 1蓄热式热交换器实验装置简图18 卷 2 期 199913冶金能源41式 中:
10、 Tc, ou t 空 气 出 口 平 均 温 度; T c, in、T c 空气的初始温度; T g , in、T g 烟气的入 口温度; 蓄热器内固体平均温度分布的特换器则为冷却期。 冷气体由反向通入, 在热交换器内部, 蓄热体把热量传给冷气体而冷气体 被加热。 当第一步和第二步重复进行时, 热交 换器即处于循环加热和冷却的周期工作状态。3 热交换器的效率 热交换器的效率定义为:特性加热时间; sw 换向时间。征值;4实验结果与分析 表 1、表 2 分别为两种蓄热体结构情况下, 热交换器的温度效率和热效率随流量和换向时冷介质的出口温度温度效率 1 =热介质的入口温度间的变化。由表 1、表
11、2 可清楚地看出, 在热交 冷介质带走的热量换器的结构一定时, 对应于同一流量下, 随着换向时间的延长, 热交换器的温度效率和热效 率明显降低。而当换向时间相同, 流量增加时,其温度效率和热效率也降低。 但时间的影响较 流量的影响为大。 这是由于在结构一定和流量 一定时, 热交换器内气体与固体之间的换热能 力将随之而确定。 仅就加热过程而言, 加热的 时间越长, 热介质带入热交换器的热量也越多。而气体与蓄热体之间的换热能力是一定的, 因 而将有越来越多的热量被出口烟气带走。 所以 时间越长, 热交换器的换热效率越低。 因此换 向时间在很大程度上对热交换的效果产生重要 影响。 实际上, 热交换器
12、效率的高低主要取决于, 一定时间内带入 (或带出) 热交换器的热 量和介质与蓄热体之间的换热量这两个热量之 间的对比关系。 如果这两个量相当, 则热交换 器的效率就可较高。 因此换向时间的合理选取, 应以保证此两个热量相当为前提。热效率 2 =热介质带入的热量实验所使用的冷热两种介质均为空气,并 使其热量相等。 因两种介质相同, 两种介质的温度范围大致相同, 它们的定容比热可看作近 似相等, 因此有:T c, ou t1 =T g , inT c, ou t - T c, in2 =Tg , in根据文献 4的研究结果,热交换器温度 效率和热效率的理论计算分别为:T ct = (1- F /Q
13、 ) (1- T c /T g ) +(温度效率)(热效率)T ge = (1-F /Q ) (1- T c /T g )其中:F = 01413327941e- 1156160919PP =(- sw ) /swQ = sw /swsw /sw = 表 1温度效率和热效率随流量与换向时间的变化流 量 m 3/h温度效率1100热效率2 100换向时间 m in烟气入口 温度, 烟气出口 温度, 空气入口 温度, 空气出口 温度, 1 2 3401176 392197 42018559193 6311 6510643113 43126 42162363162 352124 3661339015
14、0 89164 8710579177 78163 76192524 433131 6613 43114 372112 85188 75192 432126 41711 44218871191 70176 6515844165 44109 43167389111 36615 37219890102 87187 8412279169 77130 741361 2 3604 455146 68146 43184 378146 83110 73147 397151 396128 41313160137 62136 6316345137 45147 45153350123 341148 34119188
15、111 86117 8217276169 74170 711711 2 3724 431162 66182 45129 31211 72131 61182 注: d = 5mm , H = 115mm , = 013876, s= 1916w , s= 7800k g/m 3 , C s= 480J/(kg. ) 。冶金能源18 卷 2 期 19991342表 2温度效率和热效率随流量与换向时间的变化流 量m 3/h换向时间m in烟气入口 温度, 烟气出口 温度, 空气入口 温度, 空气出口 温度, 温度效率1100热效率2 100371149213447817847816481184913491944011140172401994321684111943941128718886104821347917477153731784637111551215654419556011557912474164701647017170103421964219342133421074431964581164611864671838616184107821458017778123761207419073150524571485111335311285417660147
