陶瓷蓄热体阻力特性的实验研究
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图7 筒径200 mm，填充高度200 mm
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。 !.! 结论
2 . Anhui i ndustry Unioersit y ，Maans han 243002 China ）
Abstract ：Accordi ng t o t he relati onshi p of on- way resistance ，local resistance and secti onal pressure diff erence supplied by ber moulli eCuati on of real fl ui d bet ween secti ons of selected channel ，It is respecti vel y st udied t he i nfl uence f actors and characteristic relati onshi p of fl ui d pressure drop to cera mic bul b and honeyco mb regenerat ors pili ng up wit h less hei ght .
7
试验研究：陶瓷蓄热体阻力特性的实验研究
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!- !"／# 图6 中会看得更清楚。
参考文献：
［1 ］ Sabri ergun ，Fl ui d FloW Through packed Col u mns ，Che mical engi neeri ng progress ，Vol .48 ，No .2 ，89 ，1952 .
曲线从上到下依次为球径10 mm、12 mm、14 mm、 16 mm、18 mm、20 mm
（1 ）
《工 业 炉》 第24 卷 第1 期 2002 年2 月
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
收稿日期：2001- 10- 24
6
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。
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，!!／" 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。
DU Jun1 ，RAO Wen-tao1 ，LI chao- xi ang2 ，ZOU Li n-ji ang2 ，XU Yong- gui 2 （1 . Baos han ECuiI ment research i nstit ute of Technology Center ，Shanghai 201099 China ；
偏大。实验结果与理论吻合较好，如图7 、图8 。
曲线从上到下依次高度为500 mm、450 mm、 400 mm、…、100 mm、50 mm
图4 边长为200 的方筒，填充蜂窝陶瓷
图3 球径14 mm，筒径250 mm 时的$- !" 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 !"／# 的值变小，曲线较低，见图4 !6 。 !." 球径对阻力损失的影响
图5 边长为300 的方筒，填充蜂窝陶瓷
曲线从上到下依次高度为500 mm、450 mm、 400 mm、…、100 mm、50 mm
图6 边长为200 的方筒，填充蜂窝陶瓷
《工 业 炉》 第24 卷 第1 期 2002 年2 月
曲线从上到下依次为球径10 mm、12 mm、14 mm、 16 mm、18 mm、20 mm
图8 筒径200 mm，填充高度400 mm
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
新书《当代热处理技术与工艺装备精品集》征订通知
中国热协等主编 机械工业出版社出版 全书约65 万字 定价66 元（含邮费）
由中国热协、机械工业技术交易中心和机械工业出版社联合出版的《当代热处理技术与工艺装备精品 集》将于2002 年一季度出版。本书由国内外著名的院士、热处理学者专家和企业的技术权威、厂长、经理撰 稿，精选了当代最前沿的先进的热处理技术与工艺装备及未来的发展趋势的论述；介绍了近期研制开发及进 入国内外市场的新技术、新设备、新材料；还为应对入世挑战选编了热处理领域技术经济效益显著、市场前景 广阔及具有方向性的各企业研制开发生产的优质、先进和名牌、品牌产品；还纳入有我国现行的热处理标准 和航空热处理标准目录。
文章编号：1001- 6988（2002 ）01- 0006- 04
陶瓷蓄热体阻力特性的实验研究
杜 军1 ， 饶文涛1 ， 李朝祥2 ， 邹琳江2 ， 许永贵2
（1 . 宝钢股份公司 技术中心，上海 201099 ；2 . 安徽工业大学，马鞍山 243002 ）
摘 要：依据所选通道截面之间实际流体的伯努力方程提供的沿程阻力、局部阻力与截面压力降之间的关系，
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
分别研究具有较小高度的陶瓷球及陶瓷蜂窝体内流体压降的影响因素及特性关系。
关键词：陶瓷球；陶瓷蜂窝体；阻力损失
中图分类号：T@175 .1 +5
文献标识码：A
Experi ment al research of resist ance feat ure of cera mic regenerat or
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
8
曲线从上到下依次高度为500 mm、450 mm、 400 mm、…、100 mm、50 mm
图2 球径10 mm，筒径250 mm 时的O- AP 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
Key words ：cera mic bul b ；cera mic honeyco mb regenerators ；resistance losi ng
1 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
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。 !." 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1 阻力特性实验原理图
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。
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。
! 实验结果分析
厄根［1 ］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：
!P／~= 150 d11u20（<12e-3 e）2 + 1 .75 1e-3edPu1<20 （3 ） 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
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 பைடு நூலகம் 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：
P1 +
1 2
!"21 = P 2 +
1 2
!"22 + h 1 + h 2
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。 !.! 结论
2 . Anhui i ndustry Unioersit y ，Maans han 243002 China ）
Abstract ：Accordi ng t o t he relati onshi p of on- way resistance ，local resistance and secti onal pressure diff erence supplied by ber moulli eCuati on of real fl ui d bet ween secti ons of selected channel ，It is respecti vel y st udied t he i nfl uence f actors and characteristic relati onshi p of fl ui d pressure drop to cera mic bul b and honeyco mb regenerat ors pili ng up wit h less hei ght .
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试验研究：陶瓷蓄热体阻力特性的实验研究
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!- !"／# 图6 中会看得更清楚。
参考文献：
［1 ］ Sabri ergun ，Fl ui d FloW Through packed Col u mns ，Che mical engi neeri ng progress ，Vol .48 ，No .2 ，89 ，1952 .
曲线从上到下依次为球径10 mm、12 mm、14 mm、 16 mm、18 mm、20 mm
（1 ）
《工 业 炉》 第24 卷 第1 期 2002 年2 月
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
收稿日期：2001- 10- 24
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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。
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，!!／" 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。
DU Jun1 ，RAO Wen-tao1 ，LI chao- xi ang2 ，ZOU Li n-ji ang2 ，XU Yong- gui 2 （1 . Baos han ECuiI ment research i nstit ute of Technology Center ，Shanghai 201099 China ；
偏大。实验结果与理论吻合较好，如图7 、图8 。
曲线从上到下依次高度为500 mm、450 mm、 400 mm、…、100 mm、50 mm
图4 边长为200 的方筒，填充蜂窝陶瓷
图3 球径14 mm，筒径250 mm 时的$- !" 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 !"／# 的值变小，曲线较低，见图4 !6 。 !." 球径对阻力损失的影响
图5 边长为300 的方筒，填充蜂窝陶瓷
曲线从上到下依次高度为500 mm、450 mm、 400 mm、…、100 mm、50 mm
图6 边长为200 的方筒，填充蜂窝陶瓷
《工 业 炉》 第24 卷 第1 期 2002 年2 月
曲线从上到下依次为球径10 mm、12 mm、14 mm、 16 mm、18 mm、20 mm
图8 筒径200 mm，填充高度400 mm
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
新书《当代热处理技术与工艺装备精品集》征订通知
中国热协等主编 机械工业出版社出版 全书约65 万字 定价66 元（含邮费）
由中国热协、机械工业技术交易中心和机械工业出版社联合出版的《当代热处理技术与工艺装备精品 集》将于2002 年一季度出版。本书由国内外著名的院士、热处理学者专家和企业的技术权威、厂长、经理撰 稿，精选了当代最前沿的先进的热处理技术与工艺装备及未来的发展趋势的论述；介绍了近期研制开发及进 入国内外市场的新技术、新设备、新材料；还为应对入世挑战选编了热处理领域技术经济效益显著、市场前景 广阔及具有方向性的各企业研制开发生产的优质、先进和名牌、品牌产品；还纳入有我国现行的热处理标准 和航空热处理标准目录。
文章编号：1001- 6988（2002 ）01- 0006- 04
陶瓷蓄热体阻力特性的实验研究
杜 军1 ， 饶文涛1 ， 李朝祥2 ， 邹琳江2 ， 许永贵2
（1 . 宝钢股份公司 技术中心，上海 201099 ；2 . 安徽工业大学，马鞍山 243002 ）
摘 要：依据所选通道截面之间实际流体的伯努力方程提供的沿程阻力、局部阻力与截面压力降之间的关系，
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
分别研究具有较小高度的陶瓷球及陶瓷蜂窝体内流体压降的影响因素及特性关系。
关键词：陶瓷球；陶瓷蜂窝体；阻力损失
中图分类号：T@175 .1 +5
文献标识码：A
Experi ment al research of resist ance feat ure of cera mic regenerat or
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
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曲线从上到下依次高度为500 mm、450 mm、 400 mm、…、100 mm、50 mm
图2 球径10 mm，筒径250 mm 时的O- AP 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
Key words ：cera mic bul b ；cera mic honeyco mb regenerators ；resistance losi ng
1 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
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。 !." 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1 阻力特性实验原理图
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。
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。
! 实验结果分析
厄根［1 ］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：
!P／~= 150 d11u20（<12e-3 e）2 + 1 .75 1e-3edPu1<20 （3 ） 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
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 பைடு நூலகம் 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：
P1 +
1 2
!"21 = P 2 +
1 2
!"22 + h 1 + h 2