颗粒帘换热器颗粒均流装置的设计与实验

陈冬林，王甘泉，王 安

（长沙理工大学 能源与动力工程学院，湖南 长沙 410076）

中国各行业化石燃料转化与燃烧热利用过程中存在巨量的余热资源。据统计，中国每年可直接回收利用的工业余热资源折合标准煤达4 000多万吨［1－2］，但目前因受技术与成本等方面的限制仅回收34.9%左右。显然，高效低成本新型余热利用技术的研究开发与应用对提高中国的能源利用效率与“节能减排”具有重要的现实意义。

目前，由于国内外用于余热回收利用的主要装置——管壳式空气预热器受到换热原理及结构等方面的限制，长期存在漏风率大、易堵灰及低温腐蚀等问题［3－4］。为了克服这些问题，提高余热回收利用率，一种基于气粒两相流快速热平衡理论［5－7］的余热回收装置被提出，称之为颗粒帘换热器，该种换热器较传统空预器换热效率高出3～5倍，并且具有换热特性实时调节等技术优势［8－9］，其工作原理如图1所示，换热器采用粒径约0.15mm的硅砂颗粒作为载热体进行热传递，以实现余热回收。

图1 颗粒帘换热器工作原理示意Figure 1 Schematic diagram of particle curtain heat exchanger

颗粒帘换热器中，余热回收主要发生在颗粒与气流相接触的过程中，要保证装置的换热效率，就需尽可能使气流与颗粒均匀接触。如何提高颗粒下落的均匀性是颗粒帘换热器需要攻克的关键技术，针对颗粒均匀装置进行设计与实验研究。

1 颗粒均流装置结构及工作原理

在颗粒帘换热器中，均流装置顶部与储料漏斗连接，底部与换热室连接，起到承上启下的作用。为保证颗粒能够连续地通过均流装置进入换热室，储料漏斗设计成锥形漏斗，相应地，连接储料漏斗的均流装置顶部入口处设计为圆形。而颗粒在换热室内下落过程必须均匀的充满整个换热室矩形横截面，否则气流将从颗粒帘与换热室内壁的夹缝中流出，减少气流与颗粒接触的机会，降低气流与颗粒热交换的效率。因此，均流装置底部出口应当设计为矩形，以保证颗粒能够均匀充满换热室横截面。

由此可以确定均流装置的外型为方圆节，内部由3块多孔板构成，如图2所示，3块多孔板呈等腰三角形布置，当颗粒进入均流装置后颗粒会沿多孔板滑落，并从多孔板上的小孔下落，下落的颗粒最终通过均流装置出口的多孔板进入下一级装置，以此实现颗粒在矩形平面上的平均分布。

图2 均流装置示意Figure 2 Schematic diagram of uniforming device

2 实验研究

2.1 实验装置

为了探究颗粒均流效果，设计实验装置，如图3所示，储存漏斗为整个实验装置提供连续稳定的颗粒来源；放料开关控制整个实验的启停，料槽起到收集实验颗粒的作用，为了便于对下落过程中的颗粒分布情况进行观察、记录，采用支架将均流装置抬高，使得颗粒在落入料槽前有一段观察窗口。

图3 均匀实验装置Figure 3 Device for uniforming experiment

2.2 多孔板结构

多孔板采用厚度5mm的钢板冲孔而成，其设计主要包括布孔方式、孔径以及孔间距。多孔板的布孔方式主要有正方形排列（顺列）与正三角形排列（错列）。由于颗粒均流装置在工作过程中，大量颗粒下落，多孔板会承受较大压力，从强度角度考虑错列布孔具有较小的削弱系数［10］；从板面利用率角度考虑，错列布孔同样优于顺列布孔［11］，因此，多孔板设计选择错列布孔，如图4所示。

图4 多孔板示意（单位：mm）Figure 4 Schematic diagram of perforated plate（unit：mm）

为避免颗粒下落过程中发生堵塞现象，孔板开孔直径与颗粒直径之比要大于7［12］，实验采用颗粒粒径约0.15mm，因此多孔板的孔径φ应至少大于1.05mm。实验设计3种不同孔径多孔板，孔径分别为φ6，φ8，φ10mm，采用错列布孔，孔间距为40 mm；实验设计4种不同孔间距的多孔板，孔间距s分别为35，40，45，50mm，均采用错列布孔，孔径为10mm。

2.3 测量方法

将颗粒下落区域平均分成若干个空间（图3），每个空间截面积为100mm×100mm，对每个空间内掉落中的颗粒进行“等速取样”，即在对每个空间进行取样过程中，采用相同的容器，停留相同的时间。通过计算可以得到每个取样空间中颗粒质量流量。

方差能够反映随机变量与均值之间的偏离程度，定义样本颗粒质量流量方差为颗粒下落均匀性指标。若样本颗粒质量流量方差＝0，则说明所有空间内颗粒流量相同，整个区域内颗粒均匀下落，越小表示整个区域内颗粒下落越均匀。通过分析颗粒流量方差可以确定颗粒均流装置的作用效果。

3 结果与分析

3.1 多孔板孔径对颗粒分布均匀性影响

当多孔板孔径分别为6，8，10mm时，颗粒下落区域流量分布如图5所示，可以看出，随着多孔板孔径从6mm增大至10mm，颗粒下落的平均质量流量由1kg/s上升至1.84kg/s，这是由于孔径增大导至多孔板开孔率增加，单位截面积上能够使得更多的颗粒通过多孔板。

图5 孔板孔径对颗粒流量分布的影响Figure 5 Influence of pore diameter to particle flow distribution

分别计算颗粒质量流量方差，如图6所示，可以看出，流量方差值较小，维持在0.005 5附近，说明颗粒均流装置的作用效果较好。而当孔径从6mm增大至10mm时，颗粒流量方差变化不到5%，由此可见孔径变化对于颗粒均匀分布影响较小。

图6 孔径对颗粒流量方差影响Figure 6 Pore diameter’s influence on particle flow distribution

3.2 多孔板孔间距对颗粒分布均匀性影响

当多孔板孔间距s分别为50，45，40，35mm时，颗粒下落区域流量分布如图7所示，可以看出，随着多孔板孔间距的缩小，颗粒下落的平均质量流量增大，这是由于孔间距减小后，整个多孔板平面上孔数增多，导至开孔率增加使得颗粒流量增大。

图7 孔板孔间距对颗粒流量分布的影响Figure 7 Influence of center distance to particle flow distribution

分别计算不同孔间距情况下颗粒质量流量方差，如图8所示，可以看出，当孔间距由50mm减小至40mm的过程中，颗粒流量方差降低了75%，而当孔间距由40mm减小至35mm的过程中，颗粒流量方差仅减小了4%。这是由于孔间距的减小有利于颗粒平均分布，因此随着孔间距减小颗粒均匀性增强；当孔间距减小到一定程度后，颗粒增加的均匀性在这一宏观尺寸上产生的影响不大，因此导至颗粒流量方差变化不明显。

图8 孔间距对颗粒流量方差影响Figure 8 Center distance’s influence on particle flow distribution

4 结语

1）对于以错列方式布孔的多孔板，当孔径φ＝10mm，孔间距s＝40mm时，颗粒下落分布均匀性很好；

2）颗粒通过均流装置的质量流量随孔径的增大而增加，对于孔径φ6～12mm的多孔板，颗粒分布均匀性比较好；

3）随着多孔板孔间距（大于40mm）的继续增加，相应的颗粒质量流量方差大幅度增大，说明持续拉大孔间距对颗粒均流效果起到反作用。

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