管式煙氣-空氣熱交換器的試驗(yàn)研究.doc

管式煙氣-空氣熱交換器的試驗(yàn)研究楊延萍1 鄒峰2 鄭志敏1（1廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510405；2.鄭州市建筑設(shè)計(jì)院，鄭州 450052）摘要：對(duì)管式煙氣-空氣熱交換器進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制作，并在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了其熱工性能和阻力特性試驗(yàn)研究，按正交回歸法進(jìn)行強(qiáng)化前后對(duì)比性試驗(yàn)，得出其傳熱系數(shù)K、空氣側(cè)阻力H、熱交換器換熱效率的回歸公式，并進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)。關(guān)鍵詞： 管式；煙氣-空氣熱交換器；強(qiáng)化傳熱 ；試驗(yàn)研究Experiment of a smokeair heat exchanger Yang Yanping1, Zou Feng2 , Zheng Zhimin1(1.Guangzhou University, Guangzhou 510405,China;2.Zhengzhou Architecture Design Institute,Zhengzhou 450052,China)Abstract :Design and make a tube smoke-air heat exchanger .Carry out an experiment on its thermal and resistant characteristics compared with the strengthen one which has a insert in smoke tube in orthogonal and regressive method. Obtain the regressive formula of K、H、.Keywords:tube; smoke-air heat exchanger; strengthen heat transfer; experiment study 0引言用高溫?zé)煔饧訜峥諝庀蚴覂?nèi)供熱風(fēng)，一般都采用間壁式熱交換器。而管式煙氣-空氣熱交換器易于制造，適應(yīng)性較強(qiáng)，本文研究采用管式熱交換器，煙氣走管內(nèi)，依靠自身的熱浮力自然流動(dòng)，空氣走管外，在風(fēng)機(jī)的作用下橫向沖刷管束。試驗(yàn)主要研究光管式煙氣-空氣熱交換器的各項(xiàng)熱工性能，并進(jìn)行強(qiáng)化傳熱、對(duì)比。以便與板式、板翅式或其他類型的熱交換器進(jìn)行比較，為熱風(fēng)機(jī)熱交換器部分的優(yōu)化制造提供依據(jù)，也可對(duì)其他具有相同換熱機(jī)理的熱交換器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用設(shè)備的研究提供一定價(jià)值的參考。1 試驗(yàn)介紹試驗(yàn)是在熱交換器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)包括：11空氣預(yù)處理段試驗(yàn)由于條件限制，僅通過調(diào)節(jié)新、回風(fēng)比來對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)處理，近似控制進(jìn)口空氣的溫、濕度。12試驗(yàn)段從整流柵至風(fēng)機(jī)均為試驗(yàn)段，試驗(yàn)段的核心部件管式熱交換器的尺寸是以重慶市某一面積為65m2的住宅為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)與樣機(jī)制作的，其結(jié)構(gòu)尺寸見圖2，其中管長(zhǎng)為200mm。在離心式風(fēng)機(jī)10的作用下，空氣經(jīng)混合柵18、整流柵19，進(jìn)入熱交換器1。空氣被高溫?zé)煔饧訜岷筮M(jìn)入回風(fēng)管23，回風(fēng)管上的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥15與風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)閥配合用以調(diào)節(jié)空氣系統(tǒng)阻力，從而控制空氣的流量。本裝置采用取樣法測(cè)量熱交換器進(jìn)口空氣的干、濕球溫度。由取樣風(fēng)機(jī)7通過取樣管5從進(jìn)風(fēng)管抽取部分進(jìn)風(fēng)，通過干濕球溫度計(jì)6測(cè)定其干、濕球溫度，再送回進(jìn)風(fēng)管使之循環(huán)。試驗(yàn)段采用在熱交換器試件前后風(fēng)管斷面上設(shè)置靜壓環(huán)，配合傾斜式微壓計(jì)，測(cè)量空氣通過試件的阻力。同樣由一組取樣裝置測(cè)量回風(fēng)干、濕球溫度。利用流量噴嘴配合傾斜式微壓計(jì)測(cè)量風(fēng)量。13煙氣系統(tǒng)在熱交換器垂直方向的進(jìn)出口各布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別采用鉑銠-鉑熱電偶和銅-康銅熱電偶配合電位差計(jì)，測(cè)量煙氣進(jìn)、出口溫度。在煙囪上布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用畢托管配合補(bǔ)償式微壓計(jì)測(cè)量動(dòng)壓，從而間接測(cè)量煙氣量。14燃?xì)庀到y(tǒng)將濕式流量計(jì)12串入燃?xì)夤苈窚y(cè)量流量，U型壓力計(jì)并聯(lián)入燃?xì)夤苈罚瑴y(cè)量燃?xì)鈮毫?，并通過手動(dòng)旋塞閥11進(jìn)行調(diào)節(jié)。燃?xì)馊紵每諝饬客ㄟ^調(diào)節(jié)燃燒室底部閥門控制。2試驗(yàn)方法試驗(yàn)采用回歸正交試驗(yàn)法，集“正交試驗(yàn)”與“回歸分析”兩者的優(yōu)點(diǎn)，將試驗(yàn)安排、數(shù)據(jù)處理、回歸方程建立及精度檢驗(yàn)統(tǒng)一起來考慮，這樣既減少試驗(yàn)次數(shù)，又簡(jiǎn)化了計(jì)算3。本試驗(yàn)研究的目的是通過對(duì)換熱器熱工性能、阻力特性的測(cè)試，尋找出使K、H、最優(yōu)時(shí)，空氣迎面風(fēng)速VKY、煙氣迎面風(fēng)速VYy的最優(yōu)方案，并進(jìn)一步求出計(jì)算K、H、的回歸方程。當(dāng)熱交換器結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí)，影響其熱工性能和空氣阻力特性的主要因素有空氣進(jìn)口干球溫度，煙氣進(jìn)口溫度以及VKY和VYy。結(jié)合試驗(yàn)裝置用流量噴嘴9前后靜壓差Pn來代替VKY，由燃?xì)鈮毫r代替VYy。因此確定t1、Pn、Pr三個(gè)因素，試驗(yàn)中三個(gè)因素根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件均選為三水平，用正交表安排實(shí)驗(yàn)1，見表1。試驗(yàn)時(shí)按上試驗(yàn)計(jì)劃表安排每組工況各因素的水平對(duì)應(yīng)值，每組工況必須自在所有水平值調(diào)整完后穩(wěn)定10分鐘以上，才能進(jìn)行測(cè)量紀(jì)錄。每組工況連續(xù)讀取3次各測(cè)量值，每次間隔10分鐘，最后取3次算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果。表1試驗(yàn)計(jì)劃表因素試驗(yàn)號(hào)t1（）Pn（mmH2O）Pr （mmH2O）123112414320022271411003330142150412421221505227212320063302121100712432011008227320215093303203200通過這些數(shù)據(jù)，可間接求出熱交換器的VKY 、VYy、等其他參數(shù)及熱交換器的效率。對(duì)光管式煙氣-空氣熱交換器進(jìn)行測(cè)試后，在管內(nèi)加入金屬螺旋環(huán)插入件，同樣方法測(cè)得強(qiáng)化傳熱后的9組工況。3試驗(yàn)結(jié)果及性能分析傳熱系數(shù)是、VKY 、VYy的函數(shù)。通常、對(duì)其影響較小，可按常規(guī)方法把整理成如下形式6：。對(duì)于熱交換器的熱效率可將其整理為：。對(duì)于空氣側(cè)阻力可將其整理成的形式。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求適合試驗(yàn)范圍的回歸系數(shù)、等，使由它們建立的經(jīng)驗(yàn)公式與試驗(yàn)有較好的吻合。這里采用最小二乘法把目標(biāo)函數(shù)歸結(jié)為數(shù)學(xué)中的求極小值問題，所謂最小二乘法，就是使含有隨機(jī)誤差的各實(shí)測(cè)值與回歸值的偏差和達(dá)到最小從而確定回歸系數(shù)、的方法。令式中：-稱為變量（實(shí)測(cè)值）的回歸值則對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)的九組工況有：式中：-實(shí)測(cè)值與回歸值的偏差則：由上式可知，要找出一組、值，使最小。這就歸結(jié)為數(shù)學(xué)中求極小值的問題，采用單純形加速法2在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算并進(jìn)行回歸方程的顯著性檢驗(yàn)，求解得到表2：表2 試驗(yàn)結(jié)果一覽表光管管式熱交換器管內(nèi)插入金屬螺旋環(huán)插入件傳熱系數(shù)W/m2.誤差：0.562 誤差：0.440空氣側(cè)阻力mmH2O誤差:0.085 誤差：0.120熱交換器效率% 誤差：1.267 誤差：1.2144 結(jié)論本研究中管式煙氣-空氣熱交換器，加工簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。但結(jié)構(gòu)不緊湊，材料消耗大。根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，對(duì)管式換熱器兩流體中換熱系數(shù)較小的一項(xiàng)即煙氣側(cè)插入金屬螺旋環(huán)強(qiáng)化傳熱后，試驗(yàn)結(jié)果表明：傳熱系數(shù)提高了20-30%，換熱效率提高了11.24-16.41%，傳熱性能明顯改善。同時(shí)對(duì)空氣側(cè)流動(dòng)阻力影響較小，是一種行之有效的強(qiáng)化傳熱措施。相比而言，增大空氣流速，不僅K值提高效果不明顯，卻導(dǎo)致空氣側(cè)阻力按指數(shù)1的規(guī)律極度增加，同樣增大煙氣側(cè)流速，不僅K值提高緩慢，而且會(huì)導(dǎo)致熱效率降低。試驗(yàn)采用單純形加速法回歸，得到的回歸公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬和性較好。參考文獻(xiàn):1 田勝元.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,19882 范鳴玉.最優(yōu)化技術(shù)基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社,19883白新桂.數(shù)據(jù)分析與試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社,19864同濟(jì)大學(xué)、重慶建筑工程學(xué)院等四校合編.燃?xì)馊紵c應(yīng)用.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,19945金志剛.燃?xì)鉁y(cè)試技術(shù).天津:天津大學(xué)出版社,6章成駿.空氣預(yù)熱器原理與計(jì)算.上海:同濟(jì)大學(xué)出版