朱學(xué)軍 ，鄧 俊

（1.攀枝花學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；2.攀枝花市化工資源有效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 攀枝花 617000）

流化床的一個(gè)顯著特征就是床層溫度均勻和具有較高的傳熱效率，這使它對(duì)于一系列的反應(yīng)，特別是具有高放熱效率的放熱反應(yīng)特別適應(yīng)，同樣由于浸沒(méi)管表面可以向床內(nèi)移入和移除熱量，所以在各工業(yè)部門(mén)中已獲得了廣泛應(yīng)用。

在流化床內(nèi)設(shè)置熱交換管束，管內(nèi)通入蒸氣或其它加熱介質(zhì)，利用管壁表面與流化床層間高的傳熱速率，向床內(nèi)施加補(bǔ)充熱量，從而提高流化床干燥器的熱效率及干燥能力。通過(guò)浸沒(méi)表面提供的熱量可以占到總供熱的80%甚至更高，考慮氣體供熱和浸沒(méi)加熱管供熱的平均效率可達(dá)90%，從而熱能消耗可大大降低，可實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程得高效節(jié)能[1]。

近年來(lái)，關(guān)于流化床與浸沒(méi)水平換熱管的傳熱實(shí)驗(yàn)研究非?；钴S，在很多方面都取得了重大突破，這方面的專業(yè)文獻(xiàn)也很豐富[2-4]。但不同研究者所得出的計(jì)算式相差很大，而且各個(gè)關(guān)聯(lián)式適應(yīng)范圍不同，即僅在各自的實(shí)驗(yàn)條件下才能很好地相符合。由于影響流化床傳熱的因素很多，到目前仍沒(méi)有一個(gè)適用于整個(gè)流化床的傳熱關(guān)聯(lián)式。

關(guān)于振動(dòng)流化床與浸沒(méi)表面的傳熱模型主要是通過(guò)固定式流化床與浸沒(méi)表面間的傳熱模型修正得來(lái)的。Ringer and Mujumdar認(rèn)為對(duì)于傳統(tǒng)流化床傳熱系數(shù)在u＞umf后增加的原因是更有效的顆粒混和，而對(duì)于振動(dòng)流化床的傳熱系數(shù)還強(qiáng)烈的依靠振動(dòng)參數(shù)和顆粒直徑，在垂直振動(dòng)的流化床中控制合適的振動(dòng)參數(shù)和氣速就可以使床內(nèi)顆粒流動(dòng)和傳熱達(dá)到最佳，并在不振動(dòng)流化床傳熱模型的基礎(chǔ)上得到了預(yù)測(cè)振動(dòng)流化床傳熱系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

Pakowski et al通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，振動(dòng)對(duì)于細(xì)小顆粒與浸沒(méi)表面的傳熱系數(shù)具有較大的影響，能夠顯著增加傳熱系數(shù)，但對(duì)于大顆粒，這種影響的作用將減弱，甚至在某些情況下還會(huì)削弱傳熱，使傳熱系數(shù)反而下降。Mujumdar and Pakowski認(rèn)為振動(dòng)的引入，可以強(qiáng)化傳熱，在較低的通氣速度下即可獲得較大的傳熱系數(shù)，氣流速度僅在u＜umf時(shí)才對(duì)傳熱系數(shù)有較大影響，振動(dòng)流化床最大傳熱系數(shù)比不振動(dòng)大10%～20%。

Malhotra and Mujumdar以 dp=0.325～1.017mm的玻璃珠為物料，采用二維振動(dòng)流化床，研究了振動(dòng)頻率、振幅、氣速、顆粒直徑和顆粒濕含量等因素對(duì)床層與浸沒(méi)水平圓柱表面平均傳熱特性的影響。當(dāng)振幅固定在4.25mm，u/umf＝0時(shí)，振動(dòng)可以大大強(qiáng)化傳熱，表面與床層間傳熱系數(shù)可以提高超過(guò)20倍。

本研究以平均粒徑為1.83mm的玻璃珠為物料，研究了振動(dòng)流化床與水平管間的傳熱規(guī)律；考察了氣速、振動(dòng)頻率、靜床高度、管徑等因素對(duì)平均傳熱系數(shù)的影響。在顆粒團(tuán)更新理論基礎(chǔ)上建立了顆粒團(tuán)對(duì)流傳熱系數(shù)數(shù)學(xué)模型、氣體對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，從而得到振動(dòng)流化床與浸沒(méi)水平管平均傳熱模型。比較了傳熱系數(shù)的理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值，兩者吻合較好，從而驗(yàn)證了提出的傳熱模型的正確性。

1 傳熱模型建立

對(duì)于振動(dòng)流化床，由于機(jī)械振動(dòng)的引入將影響床層顆粒的流化狀態(tài)。影響床層與浸沒(méi)表面間傳熱系數(shù)的因素還包括振動(dòng)參數(shù)（振動(dòng)頻率和振幅）。所以振動(dòng)流化床與浸沒(méi)水平管間的傳熱比固定式流化床更加復(fù)雜，床層與浸沒(méi)表面間的傳熱系數(shù)可用式（1）表示

式中 f0：氣泡分率 /%；hpp、hgc、hb和 hr分別為顆粒團(tuán)對(duì)流傳熱系數(shù)、氣體對(duì)流傳熱系數(shù)、氣泡傳熱系數(shù)和輻射傳熱系數(shù)，W·（m2·K）-1。

振動(dòng)流化床顆粒床層與浸沒(méi)水平管表面?zhèn)鳠嵛锢砟Ｐ鸵?jiàn)圖1[5]。通過(guò)建立物理模型可以得到顆粒團(tuán)對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式和氣體對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式。

圖1 水平管傳熱物理模型Fig.1 The heat transfer model of horizontal tubes

其中氣體對(duì)流傳熱系數(shù)由式（2）計(jì)算，顆粒團(tuán)對(duì)流傳熱系數(shù)通過(guò)式（3）計(jì)算。管壁平均傳熱系數(shù)have可采用局部時(shí)均傳熱系數(shù)的面積平均來(lái)計(jì)算。

2 傳熱特性實(shí)驗(yàn)裝置及原理

圖2為振動(dòng)流化床傳熱特性實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)用振動(dòng)流化床為240×80mm2的二維流化床。為便于觀察床內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，床體由透明有機(jī)玻璃制成。分布板采用開(kāi)孔率為4.9%、孔徑為2mm的多孔板。其上鋪設(shè)一層100目的不銹鋼絲網(wǎng)以使氣流均布，振動(dòng)流化床床體通過(guò)四根金屬?gòu)椈芍卧诠潭ㄖЪ苌?，床體通過(guò)導(dǎo)向連桿與一偏心機(jī)構(gòu)相連接，偏心裝置通過(guò)皮帶與調(diào)速電機(jī)相連。借助偏心裝置的作用，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成床體在豎直方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向連桿上裝有直線運(yùn)動(dòng)軸承，保證床體僅沿豎直方向運(yùn)動(dòng)，克服水平方向上的擺動(dòng)。振幅可通過(guò)改變偏心距來(lái)調(diào)節(jié)，振動(dòng)頻率則通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速加以控制，并通過(guò)數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速表測(cè)出。氣體由鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)孔板流量計(jì)計(jì)量后由床底進(jìn)入。

圖2 平均傳熱系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental system

測(cè)量傳熱系數(shù)的水平管如圖3所示。在直徑25 mm、長(zhǎng)60 mm的銅棒同心嵌入一長(zhǎng)為60 mm，直徑為4 mm的加熱棒，棒體兩端用聚四氟乙烯端頭封住，在銅體表面焊接銅－康銅熱電偶，熱電偶引線從表面內(nèi)側(cè)穿過(guò)端頭引出。水平管兩端固定在床壁上。水平管軸線距氣體分布板60 mm，對(duì)稱安裝在床的中心位置，床層溫度由安裝在水平管下方距氣體分布板20 mm處的裸露熱電偶測(cè)定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將流化氣速調(diào)節(jié)至一定值，并使流化床按一定的振幅和頻率進(jìn)行振動(dòng)，接通加熱電源，實(shí)驗(yàn)持續(xù)到微元面的溫度穩(wěn)定不變時(shí)，測(cè)得微元管壁溫度和床層溫度，即可按式（5）計(jì)算平均傳熱系數(shù)h。

圖3 平均傳熱系數(shù)測(cè)試探頭Fig.3 Test probe of the average heat transfer coefficient

式中 h：傳熱系數(shù)，W·（m2·K）-1；Q：通入水平管的熱量，J·s-1；A：水平管測(cè)試部位面積，m2；tw：管壁溫度，℃；tB：床層溫度，℃。

3 結(jié)果與分析

3.1 振動(dòng)頻率的影響

圖4、5比較了水平管直徑為25mm，床高為95mm時(shí)不同振動(dòng)頻率和流化氣速的條件下平均傳熱系數(shù)理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值之間的關(guān)系。

圖4 平均傳熱系數(shù)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.4 Comparison of experimental values of the average heat transfer coefficient with calculated values（f=6.7Hz,H0=95 mm）

圖5 平均傳熱系數(shù)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.5 Comparison of experimental values of the average heat transfer coefficient with calculated values（f=11.2 Hz,H0=95 mm）

從圖4、5中可以看出，實(shí)驗(yàn)值和理論預(yù)測(cè)值雖有差異，但差別較小。在各種振動(dòng)頻率下流化數(shù)較小時(shí)理論預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好；在較高流化數(shù)、低振動(dòng)頻率時(shí)，實(shí)驗(yàn)值處于理論值上方；隨著振動(dòng)頻率增大，平均傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值逐漸趨于理論預(yù)測(cè)值甚至低于理論預(yù)測(cè)值。這主要由于振動(dòng)頻率和流化數(shù)大時(shí)，床內(nèi)氣泡分率增加，所以傳熱系數(shù)降低，但理論預(yù)測(cè)值中假定氣泡傳熱與氣體傳熱系數(shù)相當(dāng)，所以預(yù)測(cè)值偏大。

3.2 床高對(duì)平均傳熱系數(shù)的影響

圖6比較了水平管直徑為25mm、床高為130mm、振動(dòng)頻率為11.2Hz的條件下平均傳熱系數(shù)理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值之間的差異。

圖6 平均傳熱系數(shù)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.6 Comparison of experimental values of the average heat transfer coefficient with calculated values（f=11.2 Hz,H0=130 mm）

從圖6可以看出，理論預(yù)測(cè)值低于實(shí)驗(yàn)值，可能是在理論模型中單純考慮了床高增加將削弱傳熱，也就是床高加高，振動(dòng)能量衰減得越快，振動(dòng)的強(qiáng)化作用越不明顯，床高增加顆粒流化質(zhì)量變差的緣故，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，氣體的分布，特別是氣體通過(guò)水平管時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳熱具有較大的影響，如果在管壁附近位置流化質(zhì)量好于其它位置，則可能使實(shí)驗(yàn)獲得的傳熱系數(shù)高于理論預(yù)測(cè)值。

3.3 管徑對(duì)平均傳熱系數(shù)的影響

圖7比較了水平管直徑為32mm、床高為95mm、振動(dòng)頻率為11.2Hz的條件下平均傳熱系數(shù)理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值之間的差異。

圖7 平均傳熱系數(shù)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.7 Comparison of experimental values of the average heat transfer coefficient with calculated values（f=11.2Hz,Dt=32mm,H0=95 mm）

從圖7可以看出，在流化數(shù)小于1.0時(shí)理論預(yù)測(cè)值小于實(shí)驗(yàn)值，流化數(shù)大于1.0時(shí)理論預(yù)測(cè)值大于實(shí)驗(yàn)值。這可能是由于流化數(shù)小時(shí)，管背風(fēng)面未流化的顆粒更多，傳熱減慢；高流化數(shù)條件下這層顆粒厚度減薄，而在理論模型中考慮的是管徑對(duì)迎風(fēng)面氣膜和背風(fēng)面顆粒層的平均影響，所以理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)值會(huì)有一定的差異。

3.4 理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)值的比較

圖8示出了不同條件下部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)值間的比較，所取數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為80。

圖8 平均傳熱系數(shù)理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的比較Fig.8 Comparison of experimental values of the average heat transfer coefficient with calculated values

從圖8可以看出，兩者吻合較好，實(shí)驗(yàn)值與理論預(yù)測(cè)值間的誤差在±15%以內(nèi)，表明本研究提出的計(jì)算顆粒床層與水平管間的平均傳熱系數(shù)數(shù)學(xué)模型是可靠的。

4 結(jié)論

（1）在各種振動(dòng)頻率下流化數(shù)較小時(shí)理論預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好；在較高流化數(shù)、低振動(dòng)頻率時(shí)，實(shí)驗(yàn)值處于理論值上方；隨著振動(dòng)頻率增大，平均傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值逐漸趨于理論預(yù)測(cè)值甚至低于理論預(yù)測(cè)值。

（2）水平管管徑增加，在流化數(shù)小于1.0時(shí)理論預(yù)測(cè)值小于實(shí)驗(yàn)值，流化數(shù)大于1.0時(shí)理論預(yù)測(cè)值大于實(shí)驗(yàn)值。

（3）通過(guò)對(duì)振動(dòng)流化床與浸沒(méi)水平管間傳熱特性分析，在顆粒團(tuán)模型的基礎(chǔ)上，建立了平均傳熱數(shù)學(xué)模型，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的值進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型預(yù)測(cè)較為一致，表明本研究建立的傳熱模型能正確揭示振動(dòng)流化床與浸沒(méi)水平管間的傳熱規(guī)律，對(duì)傳熱系數(shù)能進(jìn)行很好的預(yù)測(cè)。

［1］葉世超.振動(dòng)流化床水平換熱管傳熱特性研究［D］.四川大學(xué),2000.

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