管式烟气-空气热交换器的试验研究

管式烟气-空气热交换器的试验研究杨延萍1邹峰2郑志敏1（1．广州大学土木工程学院，广州510405；2.郑州市建筑设计院，郑州450052）摘要：对管式烟气-空气热交换器进行了设计、制作，并在试验台上进行了其热工性能和阻力特性试验研究，按正交回归法进行强化前后对比性试验，得出其传热系数K、空气侧阻力ΔH、热交换器换热效率η的回归公式，并进行了显著性检验。关键词：管式；烟气-空气热交换器；强化传热；试验研究Experimentofasmoke–airheatexchangerYangYanping1,ZouFeng2,ZhengZhimin1(1.GuangzhouUniversity,Guangzhou510405,China;2.ZhengzhouArchitectureDesignInstitute,Zhengzhou450052,China)Abstract:Designandmakeatubesmoke-airheatexchanger.Carryoutanexperimentonitsthermalandresistantcharacteristicscomparedwiththestrengthenonewhichhasainsertinsmoketubeinorthogonalandregressivemethod.ObtaintheregressiveformulaofK、ΔH、η.Keywords:tube;smoke-airheatexchanger;strengthenheattransfer;experimentstudy0引言用高温烟气加热空气向室内供热风，一般都采用间壁式热交换器。而管式烟气-空气热交换器易于制造，适应性较强，本文研究采用管式热交换器，烟气走管内，依靠自身的热浮力自然流动，空气走管外，在风机的作用下横向冲刷管束。试验主要研究光管式烟气-空气热交换器的各项热工性能，并进行强化传热、对比。以便与板式、板翅式或其他类型的热交换器进行比较，为热风机热交换器部分的优化制造提供依据，也可对其他具有相同换热机理的热交换器的设计及应用设备的研究提供一定价值的参考。1试验介绍试验是在热交换器试验台上进行的，如图1所示，试验系统包括：24回风新风燃气14131213356776534488910111516201718192221212231管式热交换器2燃烧器3静压环4倾斜式微压计5取样管6干、湿球温度计7取样风机8整流网9流量喷嘴10离心通风机11手动旋塞阀12湿式流量计13U型压力计14水银温度计15风量调节阀16毕托管17风洞18混合栅19整流栅20补偿式微压计21热电偶22电位差计23回风管24调节阀门图1管式热交换器实验系统图1．1空气预处理段试验由于条件限制，仅通过调节新、回风比来对空气进行预处理，近似控制进口空气的温、湿度。1．2试验段从整流栅至风机均为试验段，试验段的核心部件管式热交换器的尺寸是以重庆市某一面积为65m2的住宅为例，进行设计与样机制作的，其结构尺寸见图2，其中管长为200mm。图2管式热交换器平面图2020425202550215在离心式风机10的作用下，空气经混合栅18、整流栅19，进入热交换器1。空气被高温烟气加热后进入回风管23，回风管上的风量调节阀15与风机调节阀配合用以调节空气系统阻力，从而控制空气的流量。本装置采用取样法测量热交换器进口空气的干、湿球温度。由取样风机7通过取样管5从进风管抽取部分进风，通过干湿球温度计6测定其干、湿球温度，再送回进风管使之循环。试验段采用在热交换器试件前后风管断面上设置静压环，配合倾斜式微压计，测量空气通过试件的阻力。同样由一组取样装置测量回风干、湿球温度。利用流量喷嘴配合倾斜式微压计测量风量。1．3烟气系统在热交换器垂直方向的进出口各布置6个测点，分别采用铂铑-铂热电偶和铜-康铜热电偶配合电位差计，测量烟气进、出口温度。在烟囱上布置3个测点，采用毕托管配合补偿式微压计测量动压，从而间接测量烟气量。1．4燃气系统将湿式流量计12串入燃气管路测量流量，U型压力计并联入燃气管路，测量燃气压力，并通过手动旋塞阀11进行调节。燃气燃烧用空气量通过调节燃烧室底部阀门控制。2试验方法试验采用回归正交试验法，集“正交试验”与“回归分析”两者的优点，将试验安排、数据处理、回归方程建立及精度检验统一起来考虑，这样既减少试验次数，又简化了计算[3]。本试验研究的目的是通过对换热器热工性能、阻力特性的测试，寻找出使K、ΔH、η最优时，空气迎面风速VKY、烟气迎面风速VYy的最优方案，并进一步求出计算K、ΔH、η的回归方程。当热交换器结构尺寸一定时，影响其热工性能和空气阻力特性的主要因素有空气进口干球温度1t，烟气进口温度1Yt以及VKY和VYy。结合试验装置用流量喷嘴9前后静压差ΔPn来代替VKY，由燃气压力Pr代替VYy。因此确定t1、ΔPn、Pr三个因素，试验中三个因素根据实验条件均选为三水平，用正交表安排实验[1]，见表1。试验时按上试验计划表安排每组工况各因素的水平对应值，每组工况必须自在所有水平值调整完后稳定10分钟以上，才能进行测量纪录。每组工况连续读取3次各测量值，每次间隔10分钟，最后取3次算术平均值作为测量结果。表1试验计划表因素试验号t1（℃）ΔPn（mmH2O）Pr（mmH2O）123112414320022271411003330142150412421221505227212320063302121100712432011008227320215093303203200通过这些数据，可间接求出热交换器的VKY、VYy、等其他参数及热交换器的效率。对光管式烟气-空气热交换器进行测试后，在管内加入金属螺旋环插入件，同样方法测得强化传热后的9组工况。3．试验结果及性能分析传热系数K是1t、1Yt、VKY、VYy的函数。通常1t、1Yt对其影响较小，可按常规方法把K整理成如下形式[6]：111nYYmKYBVAVK。对于热交换器的热效率可将其整理为：111nYYmKYVVA。对于空气侧阻力可将其整理成22mKYVAH的形式。根据试验数据求适合试验范围的回归系数A、B、m、n等，使由它们建立的经验公式与试验有较好的吻合。这里采用最小二乘法把目标函数归结为数学中的求极小值问题，所谓最小二乘法，就是使含有随机误差的各实测值与回归值的偏差和Kq达到最小从而确定回归系数A、B、m、n的方法。令111nYYmKYBVAVK式中：K-称为变量K（实测值）的回归值则对应于试验的九组工况有：111111111nYYmKYBVAVKKK122222211nYYmKYBVAVKKK……199999911nYYmKYBVAVKKK式中：91-实测值与回归值的偏差则：291129222111.....inYYimKYiiKBVAVKq由上式可知，要找出一组A、B、m、n值，使)(nmBAqK、、、最小。这就归结为数学中求极小值的问题，采用单纯形加速法[2]在计算机上运算并进行回归方程的显著性检验，求解得到表2：表2试验结果一览表光管管式热交换器管内插入金属螺旋环插入件传热系数W/m2.℃151.057.082.21147.331YYKYVVK误差：0.562145.061.019.28155.361YYKYVVK误差：0.440空气侧阻力mmH2O755.148.0KYVH误差:0.085734.1498.0KYVH误差：0.120热交换器效率%042.0108.097.51YYKYVV误差：1.26709.0104.025.58YYKYVV误差：1.2144结论本研究中管式烟气-空气热交换器，加工简单，适应性强。但结构不紧凑，材料消耗大。根据热力学知识，对管式换热器两流体中换热系数较小的一项即烟气侧插入金属螺旋环强化传热后，试验结果表明：传热系数提高了20-30%，换热效率提高了11.24-16.41%，传热性能明显改善。同时对空气侧流动阻力影响较小，是一种行之有效的强化传热措施。相比而言，增大空气流速，不仅K值提高效果不明显，却导致空气侧阻力按指数〉1的规律极度增加，同样增大烟气侧流速，不仅K值提高缓慢，而且会导致热效率降低。试验采用单纯形加速法回归，得到的回归公式与试验数据拟和性较好。参考文献:[1]田胜元.试验设计与数据处理.北京:中国建筑工业出版社,1988[2]范鸣玉.最优化技术基础.北京:清华大学出版社,1988[3]白新桂.数据分析与试验优化设计.北京:清华大学出版社,1986[4]同济大学、重庆建筑工程学院等四校合编.燃气燃烧与应用.北京:中国建筑工业出版社,1994[5]金志刚.燃气测试技术.天津:天津大学出版社,[6]章成骏.空气预热器原理与计算.上海:同济大学出版社,1995[7]章熙民.传热学.北京:中国建筑工业出版社,1993杨延萍（1973-），女，河南郑州人，硕士研究生，硕士，讲师，主要从事暖通空调燃气专业的教学和研究工作。510405广州市广园中路248号广州大学土木工程学院（020）86554573（家），33584656（小灵通）E-mail:[e-mail]