蜂窝蓄热体换热及阻力特性的试验研究

摘要

蜂窝蓄热体因其优良的能源回收效率被广泛地应用于工业炉窑上，其传热性能和阻力性能的好坏，将直接影响着能量利用效率的高低。因此研究蜂窝蓄热体内部的传热特性和阻力特性，对于提高工业炉窑的能源利用效率有着重要的现实意义。本文依照单吹法物理模型，自行设计并搭建了蜂窝蓄热体换热流动特性试验系统，对蜂窝蓄热体的内部传热特性及流动阻力特性两大部分进行实验研究，在此基础上对工程应用选择蜂窝蓄热体的型号和工况提出建议。本文主要包括2大部分。
　　 第一部分，蜂窝蓄热体换热特性研究。主要研究了流体物性、蓄热体当量直径、孔隙率、孔型等对气固换热的影响。首先对蓄热体内部传热过程进行理论分析，在做出适当的假设后，用自行编写的电脑程序对实验数据进行处理得到平均换热系数，然后分析蓄热体的换热特性。研究发现，蓄热体内气固温度变化速率从入口到出口先增大后减小。平均换热系数随着时间的增长而提高，但当时间的增长到一定值时，平均换热系数的提高趋势减小。平均换热系数随着平均温度的下降而提高。平均对流换热系数随着通过蓄热体空气流速的增加而变大，但是随着流量的增加，增长的趋势有所下降。平均换热系数随着孔径（孔隙率）的减小而增大。而随着孔隙率的减小，平均换热系数随空气流量变化的变化趋势增大。不同孔型的蓄热体换热效果从高到低依次为:圆孔型＞六边形孔型＞方孔型。本文试验中材质的热物性区别对换热效果的影响较小。利用π定理得到适用于六边形孔道蓄热体的换热实验关联式。
　　 第二部分，蜂窝蓄热体阻力特性研究。主要研究了空气流量、空气温度和蓄热体的孔型、孔径、孔隙率对其阻力变化的影响。研究结果表明，随着空气流量的增大，或是当量直径和孔隙率的减小，蓄热体阻力增大。阻力增大的速率随着孔隙率和当量直径的减小而增大。蓄热体阻力随着温度上升而上升;温度越高，其阻力随流速变化的速率也越大。不同孔型的蓄热体阻力从大到小依次为:方形孔＞六边形孔≈圆形孔。利用π定理得到适用于六边形孔道蓄热体的冷热态阻力损失实验关联式。
　　 最后，根据上述研究结果，综合考虑蜂窝蓄热体换热和阻力性能，推荐工业使用当量直径和孔隙率适中，孔型为圆形的蜂窝蓄热体。

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摘要

致谢

图目录

表目录

主要符号表

第一章 绪论

1．1 能源现状

1．2 高温空气燃烧技术介绍

1．3 蓄热体介绍

1．3．1 蓄热体材料

1．3．2 蓄热体结构

1．4 蓄热体内部传热研究进展

1．4．1 理论研究及数值模拟研究现状

1．4．2 实验研究现状

1．5 蓄热体阻力研究进展

1．6 存在的问题及本文的研究内容

1．6．1 蜂窝蓄热体换热特性和阻力特性研究中存在的不足

1．6．2 本文主要研究内容

第二章 实验平台及实验误差分析

2．1 单吹法数学模型

2．2 数值求解

2．3 实验平台组成

2．4 误差分析

2．5 实验所用载体

2．6 本章小结

第三章 蜂窝蓄热体内部传热特性实验研究

3．1 蓄热体内部气固温度分布

3．2 流体热物性(时间)对平均对流换热系数的影响

3．3 空气流速(流量)对平均换热系数的影响

3．4 蓄热体几何结构及材质对平均换热系数的影响

3．5 层流对流换热实验关联式推导

3．6 本章小结

第四章 蓄热体阻力特性实验研究

4．1 蜂窝蓄热体压力损失

4．2 冷态阻力实验结果分析

4．3 冷态阻力损失的数学描述

4．4 热态阻力实验结果分析

4．5 热态阻力损失实验关联式推导

4．6 本章小结

第五章 全文总结及工作展望

5．1 主要结论

5．2 工作展望

附录

参考文献