、前言

陶瓷蓄热体式热交换器因其传热效率高而受到广泛重视。就目前使用的情况来看，存在两个方面的问题。对蓄热器这类较小高度的填充床的阻力特性关系缺乏详细的实验研究；在工程应用中大部分依靠经验估计，缺乏特性关系的指导。因此在工程应用中，就气流管路及引风机的选型上存在着较大程度的误差。因为管路系统中的流动阻力问题不仅关系到风机选型及动力消耗的大小，而且在很大程度上影响到炉内燃烧器的嘴前压力大小，直接影响到炉内的燃烧状态和炉膛压力，进而影响到炉子的排烟。关于具有较大高度的填充床阻力特性问题，前人已经做了大量的研究工作，提出了定量的计算关系。但这一关系用于指导蓄热式热交换器的阻力计算显然存在着较大程度的偏差。因为高度较小的填充床，其高度与其截面尺寸相差很小，阻力变化规律仅局限在相当于管流的入口段部位，与具有较大高度的填充床阻力特性关系必然存在本质上的差别。因此本实验的目的在于研究这种仅具有较小高度的陶瓷球及陶瓷蜂窝体的阻力特性规律，为蓄热式热交换器的设计、管路设计提供参考依据。

2、实验原理

空气通过填充床时，由于受填充球（或蜂窝体）的阻碍作用，使得空气有一部分能量被消耗掉，导致空气流道（填充床）的上下截面处的静压力发生变化。根据能量平衡，流道内的任意两截面的空气应遵守伯努力方程：

式中：P1—流经填充床前的空气的静压，Pa；

P2—流经填充床后的空气的静压，Pa；

P—空气或烟气的密度，kg／m3；

U1—流经填充床前的空气特征的速度，m／S；

U2—流经填充床后的空气（烟气）的速度，m／S；

h1—局部阻力损失，Pa；

h2—摩擦阻力损失，Pa。

由于通过填充床的空气的流量在同一时刻是不变的，而且空气的密度可以认为也是不变的，因此，有U1=U2，则空气通过填充床的阻力损失h失为：h失=h1+h2=P1-P2

（2）即它们数值的大小仅与空气的静压有关，等于流经填充床前后的空气的静压之差。因而这一压差便是克服填充床内各种流动阻力所造成的压力损失。在改变各种条件下，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。图1为该实验的原理示意图。根据上述原理，在分别改变球径、筒径、高度及流速的条件下，测得对应的压差，其结果及对应关系分析如下。

图1阻力特性实验原理图

3、实验结果分析

厄根研究了具有较大高度的填充床阻力特性问题，得出厄根方程：

从1953年以来该式广泛地运用到高炉内气流运动的研究中。实际散料层内的气流运动方程表明：气流通过单位高度所产生的能量损失，一部分用来克服颗粒表面的粘滞阻力，另一部分则用来克服湍流旋涡和孔道截面突然变化而造成的阻力。显然在流速低时，第一部分阻力是主要的，而在流速高和床层薄时，第二部分阻力则是主要的，第一部分阻力相对来说可以忽略。

严格说来，气流通过散料床的阻力损失还应将边界阻力损失考虑进去，特别是在高度较小而流速较低时，边界损失所占阻损的份额是相当可观的。

从前面的理论分析我们可以知道，对通过填充球蓄热室的气流的阻力损失的影响因素主要有陶瓷球的堆积高度、陶瓷球的直径的大小和气流的流速。在本实验中，陶瓷球用圆筒盛装，圆筒直径对流速有很大影响，因此气流的阻力损失还与筒径有关。至于蜂窝体影响其阻力损失的因素主要是蜂窝体的高度和气体的流速。下面我们来具体的分析这些影响因素对阻力损失的影响作用。

（1）球层高度对阻力损失的影响

根据记录的实验数据，通过数据整理拟合后，绘制成阻力损失随球层或蜂窝体高度之间的变化关系曲线。依据此关系图可以大致得出两者之间的影响关系，以及它们之间的变化趋势。由图2、3可以看出。随着高度的增加，随着特征流速的增大，填充床的阻力损失增加。而且当球径较大时，阻力损失增加的趋势减弱。

图2球径10mm，筒径250mm图

由上面的这些图形可以看出：当球径、筒径和风速确定以后，通过填充床气体的阻力损失随着填充高度的增加而增加，但是在高度较低时增加得很明显，随着高度的越来越大，阻力损失的增加量越来越少。这与阻力损失与高度完全成正比关系有出入。也就是说在高度较低时，阻力损失与高度并不成正比关系。只有当高度到达某一较高值时，阻力损失才与高度成正比，即符合厄根定理。以前的研究大都是在速度较高，高度较大的情况下来进行的。很少研究低流速，低高度情况下的阻力损失情况。实际上在低流速，低高度的条件下的阻力损失与高度是不成正比的。这是一个有价值的发现。这一点从蜂窝体的△P/h图6中会看得更清楚。

图3球径14mm，筒径250mm图

造成这种现象的原因是：气流流经填充球或蜂窝体时，在入口处气流的速度突然改变，产生了局部阻力，从而使阻力损失增大。我们知道，在管槽对流传热过程中，在管槽的入口段，对流换热系数随管长的变化而不断变化，而且在这一段内的对流换热系数数值很大，通常为充分发展段的数倍。与此相类似，在管内流动过程中，其入口段的局部摩擦阻力系数也随着管的长度的变化而变化，而且在这一阶段的局部摩擦阻力系数的数值很大，因此造成了在入口段的局部阻力损失很大。当管子很长时，入口段损失所占总阻力损失的比例会很小，即入口段效应不明显，但在管长比较短时，该效应造成的影响是很明显的。在本实验中，当填充球的堆积高度较低时，应是处于入口段，因而在这一段的局部阻力损失偏大，在图中体现为曲线的位置偏高；而且随着高度的增加，入口段效应会减弱，表现在图中即为△P/h的值变小，曲线较低，见图4-6。

（2）球径对阻力损失的影响

陶瓷球的直径对蓄热室换热器的阻力损失也有着影响。从前面的理论分析可以知道：根据厄根定理，随着陶瓷球直径的增大，气流的阻力损失应该减小，而且陶瓷球的直径越大，其空隙率将会变大，阻力损失将变化不大，但由于不同的球径，造成的边界效应不同，在筒径相同时，大球阻力偏小，小球阻力偏大。实验结果与理论吻合较好，如图7、图8。

图4 边长为200的方筒，填充蜂窝陶瓷

图5边长为300的方筒，填充蜂窝陶瓷

图6边长为200的方筒，填充蜂窝陶瓷

图7筒径200mm，填充高度200m

图8筒径200mm，填充高度400mm

从以上实验结果可以看出，蓄热式填充床的阻力损失随着气体流速的增大而增大。通常认为，在低流速区域（层流区），球层的阻力损失与流体的流速成正比，而在高流速区域（紊流区），与流速的平方成正比。从上面的这些图中可以看出，这些图形都是呈抛物线形，即在高度、球径和筒径一定时，气流的速度与填充床的阻力损失成二次方关系。只是在高度较小时，其阻力损失与高度呈非线性关系。

（3）结论

通过以上的实验结果分析可知，通过蓄热式填充床的气流的阻力损失与下列因素有关。其它条件一定的情况下，球层或蜂窝体的高度越大，气体通过蓄热式填充床的阻力损失，在流速很低，小高度条件下，阻力损失与高度之间的关系是非线性的。而且在较低高度时，△P/h随着高度的降低而增大，即在较小高度时，高度值越小，单位高度的阻力损失越大。在其它条件一定的情况下，填充球的球径变化同时影响到床层的气孔率，因此球径对阻力损失的影响不大。