陶瓷球阻力特性的实验研究

杨万青 谢环宇 李金凤

(1.湖南巴陵炉窑节能股份有限公司，2.中南大学能源科学与工程学院)

蓄热式燃烧技术是一种高效回收烟气余热的节能技术，不仅可以节省燃料，降低污染物排放，提高燃料的燃烧效率，而且开辟了低热值燃料的合理利用途径，满足我国工业可持续发展的战略要求。蓄热器是蓄热式燃烧技术的关键部件，其结构参数和操作参数显著影响换热效率和温度效率[1]。

工程设计中对于蓄热器结构参数和操作参数大部分依靠经验进行估计，缺乏特性关系的指导，因此气体管路设计和风机的选型上存在着较大的误差，同时炉压控制方面也需要阻力特性进行指导，所以对蓄热器的阻力特性研究很有必要[2]。在这一方面，许多学者做了比较深入的研究。林建伟[3]等人对流速、蜂窝陶瓷长度和蓄热室温度的阻力实验，得出了蜂窝陶瓷蓄热室的阻力主要为黏性阻力, 气流进出口的惯性阻力较小的结论。浙江大学袁炜东[4]研究了空气的流量和温度以及蜂窝蓄热体的孔径、孔型和孔隙率对阻力的影响，且通过量纲分析得到了适用于六边形孔型的蓄热体的冷态和热态阻力特性的实验经验式。由于气体流经蓄热体时流动状态十分复杂，所以众多学者在大量的实验基础上进行拟合公式，王政伟[5]等人通过对不同形状和尺寸的蓄热体，研究了空气流量和温度对蓄热器阻力特性的影响，且分析和拟合了不规则蓄热体填充床阻力损失的计算公式。而在阻力特性研究中使用最广泛的是英国的Ergun[6]创立的Ergun方程，Ergun之后的许多研究都证明了Ergun公式具有良好的通用性，此后它被广泛运用于填充球床阻力特性的计算中。但这一公式仍然与实际情况存在一定程度的偏差。后来，蔡九菊[7]、郭鸿志[8]、Yuan Yu[9]、朱光俊[10]、葛京鹏[11]、祁霞[12]等人在Ergun方程的基础上，通过实验研究了蓄热球直径、填充床高度及气体流速等对蓄热室阻力损失的影响，修正了Ergun公式。为研究蓄热式换热器的阻力特性，采用实验修正理论的方法，分析了陶瓷球直径、流体速度和填充床高度对阻力损失的影响，并对Ergun公式进行了修正。

1.1 实验原理及装置

为了研究陶瓷球蓄热器的结构参数、操作参数对蓄热器阻力特性的影响，通过改变陶瓷球直径、填充床高度及气体流速等，分别测得相应条件下填充床前后的压差，便可得到填充床内的流动阻力与各影响因素之间的制约关系。

实验装置其主要部件有蓄热室、送风系统和检测系统，如图1所示。蓄热室为金属圆柱体，内部装有陶瓷球蓄热体；
送风系统由送风机、手动阀门及其相连接的管路系统组成，通过手动阀门调整送风风量；
检测系统包括检测系统送风风量的转子流量计，检测气流流经陶瓷球蓄热体前后的压差的U形管压力计和皮托管。

图1 实验装置

1.2 实验参数

陶瓷球直径分别为15、20和25 mm；
填充床高度分别为300、375、450、525和600 mm；

蓄热室内部直径为200 mm；
当通过填充床的空气流量分别为40、50、60 和70 m3/h时，对应的蓄热室内空气特征流速Um分别为0.354、0.442、0.531 和0.619 m/s。蓄热室空气进出口处U型管压力计液柱差，按ρ水=1 000 kg/m3、g=9.807 m/s2计算对应的阻力损失。

2.1 填充床高度对阻力损失的影响

陶瓷球直径分别为15、20和25 mm时，四种流速0.354、0.442、0.531和0.619 m/s的条件下，填充床高度依次为300、375、450、525和600 mm对应的阻力损失如表1所示。当陶瓷球直径、气体流速一定时，填充床阻力损失随填充床高度的增加而近似线性增大。

表1 阻力损失随填充床高度的变化 Pa

2.2 陶瓷球直径对阻力损失的影响

气体流速分别为0.354、0.442 、0.531 和0.619 m/s时，不同陶瓷球直径对应的阻力损失，见表2。说明当气体流速与填充床高度一定时，随着陶瓷球直径增大，阻力损失减小。

表2 阻力损失随陶瓷球直径的变化 Pa

当陶瓷球直径为15、20和25 mm时，不同填充床高度和气体流速条件下，对应阻力损失增幅范围分别为41～88、32～64和24～46 Pa。说明随着陶瓷球直径的增大，阻力损失增加幅度越小。

2.3 流速对阻力损失的影响

蓄热室高度和陶瓷球直径一定时，蓄热室的阻力损失随气体流速的增大而增大。一般认为在低流速区域陶瓷球蓄热体的阻力损失与流体的流速成正比；
而在高流速区域，阻力损失与流速的平方成正比。因此把阻力损失表示成两个多项式之和，其关系为：

(1)

经进一步整理，有：

dp/(LρfUm)=a/ρf+bUm=a′+bUm

(2)

式中：dp为流体流过陶瓷球蓄热器的阻力损失，Pa；
L为填充床高度，m；
Um为特征流速，m/s；
ρf为流体的密度，kg/m3；
a,b,a′为与气体性质和陶瓷球蓄热体的透气性有关的系数。

由图2可见，陶瓷球直径为15mm时在流速分别为0.354、0.442、0.531、0.619 m/s条件下，相同的流速对应的dp/(LρfUm)差别很小，且分布大致在一条直线上，说明dp/(LρfUm)和Um之间呈线性关系。即在蓄热室结构一定时，在该实验条件下气体通过陶瓷球蓄热体时的阻力损失与流速的平方成正比，与Ergun等人的研究结果一致。

图2 dp/(LρfUm)随流速Um的变化(D=15 mm)

2.4 Ergun方程的修正

对Ergun方程的修正，首先对Ergun方程变形得到：

(3)

定义

(4)

则

(5)

式中：Re为雷诺数，利用线性回归求得K1、K2。

将实验结果代入公式(5)中，拟合成y=kx+b的形式，见图3。所得到的数据点大致分布在一条直线的附近，近似呈线性关系，对这些数据点进行拟合后，得到K1=261，K2=0.52。

图3 Fv与Re/(1-ε)的关系

文章通过对工业上常用直径的陶瓷球蓄热器进行冷态实验测试，分析了填充床高度、陶瓷球直径和气体流速对陶瓷球蓄热器阻力特性的影响，得到如下结论：

(1)陶瓷球直径、气体流速一定时，填充床阻力损失随填充床高度的增加而近似线性增大，单位球层高度的压降dp/L基本不变；

(2)当气体流速与填充床高度一定时，阻力损失随陶瓷球直径的增大而减小。随着气体流速的增大，球径越小阻力损失增加幅度越大；

(3)在蓄热室结构一定时，dp/(LρfUm)和Um之间呈线性关系，即气体通过蓄热体时的阻力损失与流速的平方成正比。

(4)修正厄根公式得到K1=261，K2=0.52。