管式煙氣-空氣熱交換器的試驗研究.doc

管式煙氣-空氣熱交換器的試驗研究楊延萍1 鄒峰2 鄭志敏1（1廣州大學土木工程學院，廣州 510405；2.鄭州市建筑設計院，鄭州 450052）摘要：對管式煙氣-空氣熱交換器進行了設計、制作，并在試驗臺上進行了其熱工性能和阻力特性試驗研究，按正交回歸法進行強化前后對比性試驗，得出其傳熱系數(shù)K、空氣側阻力H、熱交換器換熱效率的回歸公式，并進行了顯著性檢驗。關鍵詞： 管式；煙氣-空氣熱交換器；強化傳熱 ；試驗研究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引言用高溫煙氣加熱空氣向室內供熱風，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，適應性較強，本文研究采用管式熱交換器，煙氣走管內，依靠自身的熱浮力自然流動，空氣走管外，在風機的作用下橫向沖刷管束。試驗主要研究光管式煙氣-空氣熱交換器的各項熱工性能，并進行強化傳熱、對比。以便與板式、板翅式或其他類型的熱交換器進行比較，為熱風機熱交換器部分的優(yōu)化制造提供依據(jù)，也可對其他具有相同換熱機理的熱交換器的設計及應用設備的研究提供一定價值的參考。1 試驗介紹試驗是在熱交換器試驗臺上進行的，如圖1所示，試驗系統(tǒng)包括：11空氣預處理段試驗由于條件限制，僅通過調節(jié)新、回風比來對空氣進行預處理，近似控制進口空氣的溫、濕度。12試驗段從整流柵至風機均為試驗段，試驗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，進行設計與樣機制作的，其結構尺寸見圖2，其中管長為200mm。在離心式風機10的作用下，空氣經混合柵18、整流柵19，進入熱交換器1?？諝獗桓邷責煔饧訜岷筮M入回風管23，回風管上的風量調節(jié)閥15與風機調節(jié)閥配合用以調節(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量熱交換器進口空氣的干、濕球溫度。由取樣風機7通過取樣管5從進風管抽取部分進風，通過干濕球溫度計6測定其干、濕球溫度，再送回進風管使之循環(huán)。試驗段采用在熱交換器試件前后風管斷面上設置靜壓環(huán)，配合傾斜式微壓計，測量空氣通過試件的阻力。同樣由一組取樣裝置測量回風干、濕球溫度。利用流量噴嘴配合傾斜式微壓計測量風量。13煙氣系統(tǒng)在熱交換器垂直方向的進出口各布置6個測點，分別采用鉑銠-鉑熱電偶和銅-康銅熱電偶配合電位差計，測量煙氣進、出口溫度。在煙囪上布置3個測點，采用畢托管配合補償式微壓計測量動壓，從而間接測量煙氣量。14燃氣系統(tǒng)將濕式流量計12串入燃氣管路測量流量，U型壓力計并聯(lián)入燃氣管路，測量燃氣壓力，并通過手動旋塞閥11進行調節(jié)。燃氣燃燒用空氣量通過調節(jié)燃燒室底部閥門控制。2試驗方法試驗采用回歸正交試驗法，集“正交試驗”與“回歸分析”兩者的優(yōu)點，將試驗安排、數(shù)據(jù)處理、回歸方程建立及精度檢驗統(tǒng)一起來考慮，這樣既減少試驗次數(shù)，又簡化了計算3。本試驗研究的目的是通過對換熱器熱工性能、阻力特性的測試，尋找出使K、H、最優(yōu)時，空氣迎面風速VKY、煙氣迎面風速VYy的最優(yōu)方案，并進一步求出計算K、H、的回歸方程。當熱交換器結構尺寸一定時，影響其熱工性能和空氣阻力特性的主要因素有空氣進口干球溫度，煙氣進口溫度以及VKY和VYy。結合試驗裝置用流量噴嘴9前后靜壓差Pn來代替VKY，由燃氣壓力Pr代替VYy。因此確定t1、Pn、Pr三個因素，試驗中三個因素根據(jù)實驗條件均選為三水平，用正交表安排實驗1，見表1。試驗時按上試驗計劃表安排每組工況各因素的水平對應值，每組工況必須自在所有水平值調整完后穩(wěn)定10分鐘以上，才能進行測量紀錄。每組工況連續(xù)讀取3次各測量值，每次間隔10分鐘，最后取3次算術平均值作為測量結果。表1試驗計劃表因素試驗號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。對光管式煙氣-空氣熱交換器進行測試后，在管內加入金屬螺旋環(huán)插入件，同樣方法測得強化傳熱后的9組工況。3試驗結果及性能分析傳熱系數(shù)是、VKY 、VYy的函數(shù)。通常、對其影響較小，可按常規(guī)方法把整理成如下形式6：。對于熱交換器的熱效率可將其整理為：。對于空氣側阻力可將其整理成的形式。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)求適合試驗范圍的回歸系數(shù)、等，使由它們建立的經驗公式與試驗有較好的吻合。這里采用最小二乘法把目標函數(shù)歸結為數(shù)學中的求極小值問題，所謂最小二乘法，就是使含有隨機誤差的各實測值與回歸值的偏差和達到最小從而確定回歸系數(shù)、的方法。令式中：-稱為變量（實測值）的回歸值則對應于試驗的九組工況有：式中：-實測值與回歸值的偏差則：由上式可知，要找出一組、值，使最小。這就歸結為數(shù)學中求極小值的問題，采用單純形加速法2在計算機上運算并進行回歸方程的顯著性檢驗，求解得到表2：表2 試驗結果一覽表光管管式熱交換器管內插入金屬螺旋環(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 結論本研究中管式煙氣-空氣熱交換器，加工簡單，適應性強。但結構不緊湊，材料消耗大。根據(jù)熱力學知識，對管式換熱器兩流體中換熱系數(shù)較小的一項即煙氣側插入金屬螺旋環(huán)強化傳熱后，試驗結果表明：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。同時對空氣側流動阻力影響較小，是一種行之有效的強化傳熱措施。相比而言，增大空氣流速，不僅K值提高效果不明顯，卻導致空氣側阻力按指數(shù)1的規(guī)律極度增加，同樣增大煙氣側流速，不僅K值提高緩慢，而且會導致熱效率降低。試驗采用單純形加速法回歸，得到的回歸公式與試驗數(shù)據(jù)擬和性較好。參考文獻:1 田勝元.試驗設計與數(shù)據(jù)處理.北京:中國建筑工業(yè)出版社,19882 范鳴玉.最優(yōu)化技術基礎.北京:清華大學出版社,19883白新桂.數(shù)據(jù)分析與試驗優(yōu)化設計.北京:清華大學出版社,19864同濟大學、重慶建筑工程學院等四校合編.燃氣燃燒與應用.北京:中國建筑工業(yè)出版社,19945金志剛.燃氣測試技術.天津:天津大學出版社,6章成駿.空氣預熱器原理與計算.上海:同濟大學出版