姜 峰韓妮莎齊國(guó)鵬王錦錦李修倫

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300072; 2.天津職業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院,天津 300410)

氣相換熱過程廣泛存在于化工[1]、能源[2]、航天[3]、建筑[4]、冶金[5]和環(huán)保[6]等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。在氣相換熱過程中,由于氣體的密度、熱容和導(dǎo)熱系數(shù)較小,其傳熱速率較低[7];同時(shí),還經(jīng)常存在著結(jié)垢問題[8]。因此,隨著能源需求的日益劇增和能源緊張問題的突顯,研究者圍繞氣相換熱過程的強(qiáng)化開展了一定的研究[9-16]。

Li等[9]考察了內(nèi)置自攪拌裝置對(duì)板翅式換熱器中氣相傳熱性能和壓降的影響。研究結(jié)果表明,在不同的流動(dòng)型態(tài)下,自攪拌裝置所引起的湍流可以強(qiáng)化傳熱;依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,他們還構(gòu)建了相應(yīng)的壓降關(guān)聯(lián)式。徐百平等[10-11]研究了不同的擾流元件對(duì)波紋板式氣-氣換熱器傳熱性能和流動(dòng)阻力的影響。研究結(jié)果表明,三角翼型翅片的強(qiáng)化傳熱效果比較明顯,但流動(dòng)阻力會(huì)有所增加;而螺旋形擾流件在強(qiáng)化傳熱的同時(shí),也能降低流動(dòng)阻力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,他們建立了傳熱系數(shù)和壓降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。夏德宏等[12]設(shè)計(jì)并提出了一種帶有內(nèi)插件的間壁式氣體-散料換熱器,利用Fluent軟件,模擬了管內(nèi)插件-金屬纖維多孔體對(duì)換熱器傳熱性能和流動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明,裝入內(nèi)插件后,傳熱性能明顯提高。Li等[13]向換熱管內(nèi)填充部分泡沫金屬,考察了泡沫金屬的填充率和孔密度對(duì)氣體傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,加入泡沫金屬后,明顯提高了傳熱性能;金屬泡沫的填充率和孔密度越高,傳熱性能越好。Gerken等[14]考察了氣-氣微換熱器的傳熱性能和壓降。研究發(fā)現(xiàn),隔板材料和厚度影響微換熱器的傳熱性能。Dai等[15]構(gòu)建了一種帶有矩形封閉回路的氣相換熱系統(tǒng)。采用數(shù)值模擬的方法,考察了回路長(zhǎng)度、氣體流量和冷、熱流體溫差等參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,矩形封閉回路的加入明顯起到了強(qiáng)化傳熱的效果,傳熱系數(shù)隨著回路長(zhǎng)度和流體溫差的增加而增大。Tang等[16]結(jié)合實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,考察了進(jìn)氣角度對(duì)翅片管式換熱器中對(duì)流傳熱的影響。結(jié)果表明,進(jìn)氣角度為45°時(shí),傳熱性能最佳。

上述各種方法雖然可以在一定的條件上強(qiáng)化氣相的換熱,但往往會(huì)使設(shè)備的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,流動(dòng)阻力增大,制造和操作費(fèi)用明顯增加,而且不能從根本上解決設(shè)備的結(jié)垢問題,因此,其在工業(yè)上的應(yīng)用受到了一定程度的限制。

流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)是將流化床技術(shù)和換熱過程相結(jié)合。在流化床換熱系統(tǒng)中,流化的固體顆粒雜亂無章地運(yùn)動(dòng),可以破壞和減薄傳熱壁面處的流動(dòng)和傳熱邊界層,特別是層流底層,降低傳熱熱阻,強(qiáng)化傳熱;同時(shí),固體顆粒對(duì)邊界層的破壞和管內(nèi)流體的擾動(dòng),也會(huì)阻止溶質(zhì)在邊界層附近形成過飽和,延長(zhǎng)結(jié)垢的誘導(dǎo)期,進(jìn)而達(dá)到在線防垢的目的;此外,由于傳熱強(qiáng)化,傳熱系數(shù)增加,導(dǎo)致壁溫下降,也有利于防垢和減輕對(duì)管壁的腐蝕[17-19]。

常見的氣-固流化床包括鼓泡床、湍流床和循環(huán)流化床。目前,對(duì)于氣-固流化床傳熱的研究,主要集中在鼓泡床和湍流床,而對(duì)于循環(huán)流化床的報(bào)道則較少。

Masoumifard等[20]的研究結(jié)果表明,氣-固流化床的傳熱系數(shù)隨氣速的增加而增大,隨顆粒粒徑的增大而減小;傳熱系數(shù)沿軸向位置的變化較小。研究中所建立的模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。Bisognin等[21]考察了顆粒粒徑、氣速和顆粒熱導(dǎo)率等操作參數(shù)對(duì)氣-固流化床傳熱系數(shù)的影響。其研究結(jié)果表明,顆粒粒徑對(duì)傳熱系數(shù)影響較大,而氣速和固體熱導(dǎo)率對(duì)傳熱系數(shù)影響很小。Wagialla等[22]考察了床層尺寸對(duì)于氣-固流化床傳熱性能的影響,并建立了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。Taofeeq等[23]考察了換熱管徑對(duì)豎直氣-固流化床傳熱性能的影響。他們發(fā)現(xiàn),床層內(nèi)局部傳熱系數(shù)隨管徑的增加而增大。Merzsch等[24]在流化床中考察了加熱管直徑和含水量對(duì)氣-固流化床傳熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明,傳熱系數(shù)隨加熱管徑變化的幅度可能超過30%。Wang等[25]考察了床層高度和氣體流量對(duì)低溫振動(dòng)氣-固流化床傳熱性能的影響。結(jié)果表明,流化床各處的溫度較為均勻,振動(dòng)強(qiáng)化了氣-固兩相的傳熱。Bellan[26]和Lattinz[27]等對(duì)氣-固流化床的換熱進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬。

同普通流化床換熱過程相比,循環(huán)流化床換熱技術(shù)操作彈性大、性能穩(wěn)定,可以在較低的固含率下實(shí)現(xiàn)良好的強(qiáng)化傳熱和防、除垢效果[28-29],具有廣闊的應(yīng)用前景。目前該技術(shù)已在化工[30]、石化[31]和制藥[32]等行業(yè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用。然而,目前關(guān)于循環(huán)流化床換熱器傳熱性能的研究,主要集中在以液相作為連續(xù)介質(zhì)的液-固或汽-液-固循環(huán)流化床[33-35],而對(duì)于氣-固循環(huán)流化床的報(bào)道則較少[36-41]。

Zhang等[36]以細(xì)沙和煙煤等作為固體顆粒,考察了氣速和顆粒循環(huán)流量對(duì)氣-固循環(huán)流化床換熱器傳熱性能的影響,并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的模型進(jìn)行了對(duì)比。他們發(fā)現(xiàn),顆粒的添加可以強(qiáng)化傳熱,氣-固兩相流的對(duì)流傳熱系數(shù)介于60～200 W·m-2·℃-1之間。Dutta等[37]采用沙子和陶瓷顆粒作為固相工質(zhì),考察了循環(huán)流化床鍋爐的下行床中氣-固兩相流的傳熱性能。研究結(jié)果表明,床層分為稀相區(qū)和濃相區(qū),濃相區(qū)的傳熱系數(shù)高于稀相區(qū);傳熱系數(shù)隨顆粒循環(huán)流量的增加而增大,隨顆粒粒徑的增大而減小。Moon等[38]考察了氣-固循環(huán)流化床上行床的傳熱性能,分析了近壁面處顆粒的流體力學(xué)行為對(duì)于傳熱的影響。Zhao[39]和Murata等[40]考察了床層的擺動(dòng)對(duì)氣-固循環(huán)流化床傳熱性能的影響,并開展了相應(yīng)的數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明,床層的擺動(dòng)可以強(qiáng)化傳熱,且強(qiáng)化傳熱的效果隨著擺動(dòng)角度的增加而增大。Wanchan等[41]采用雙流體模型,對(duì)循環(huán)流化床反應(yīng)器中的流體力學(xué)和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型中考慮了顆粒尺寸、固體循環(huán)流量和表觀氣速的影響,模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

上述研究針對(duì)氣-固循環(huán)流化床換熱器的傳熱性能和流體力學(xué)特性進(jìn)行了初步的探索,并已取得了一定的成果。然而,總體來說,目前對(duì)于氣-固循環(huán)流化床換熱器的研究還非常有限,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)推廣應(yīng)用的需要。為此,本研究將流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)和氣相換熱過程相結(jié)合,設(shè)計(jì)并構(gòu)建了氣-固循環(huán)流化床換熱裝置,擬考察顆粒加入量、空氣流量和熱通量等操作參數(shù)對(duì)于其傳熱性能和壓降的影響。研究中采用空氣作為氣相工質(zhì),選用玻璃珠顆粒作為惰性固體顆粒。玻璃珠顆粒理化性質(zhì)較為穩(wěn)定,來源容易,價(jià)格便宜,適合于工業(yè)推廣應(yīng)用。研究結(jié)果有助于氣-固循環(huán)流化床換熱器的工業(yè)應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

研究中設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套氣-固循環(huán)流化床換熱裝置,如圖1所示。該裝置主要由旋渦氣泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、加熱管,旋風(fēng)分離器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。除視窗外,裝置其余部分均采用304不銹鋼制成;視窗則采用有機(jī)玻璃制成,以便于觀測(cè)。

圖1 氣-固循環(huán)流化床換熱裝置Fig.1 Schematic diagram of the gas-solid circulating fluidized bed heat-exchange apparatus

裝置的核心為被測(cè)試的加熱管。加熱管的長(zhǎng)度為1 200 mm,直徑為Φ25.0 mm×2.5 mm,采用由鎳鉻合金絲制成的電加熱帶加熱,額定功率為600 W。沿著加熱管的一側(cè)豎直安裝了7個(gè)熱電阻(RTD),用以測(cè)量加熱管的外壁溫,如圖2所示。流體在加熱管進(jìn)、出口的溫度也采用熱電阻進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)裝置外面包有保溫棉,以最大程度地減少熱散失。采用差壓傳感器測(cè)量流體流經(jīng)加熱管的壓降。在循環(huán)管和加熱管進(jìn)口管路的連接處設(shè)置了視窗,用以觀察顆粒的循環(huán)和流化。相關(guān)設(shè)備儀表的規(guī)格如表1所示。

表1 相關(guān)設(shè)備儀表的規(guī)格Table 1 Specification of the relevant apparatuses

圖2 熱電阻和電阻絲在加熱管上的分布Fig.2 Distribution of RTDs and resistance wire on the tested heating tube

熱電阻和差壓傳感器與數(shù)字顯示儀表AI-501MF相連。熱電阻已進(jìn)行了引線電阻補(bǔ)償,溫度和壓差的最大測(cè)量誤差分別為0.1 ℃和0.1 kPa。

首先,向系統(tǒng)中添加一定量的固體顆粒。然后,通過調(diào)頻調(diào)節(jié)旋渦氣泵的流量至指定值,開啟加熱系統(tǒng)。氣-固兩相流在加熱管中被加熱后進(jìn)入旋風(fēng)分離器,空氣由旋風(fēng)分離器頂部排放到環(huán)境中,而固體顆粒則通過循環(huán)管與新鮮空氣混合后進(jìn)入加熱管。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,采用“組態(tài)王”軟件自動(dòng)采集溫度和壓差等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)5 min內(nèi)熱電阻的溫度變化不超過0.1 ℃,認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。每次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行3次,以檢查數(shù)據(jù)的重復(fù)性。改變操作參數(shù),重復(fù)上述操作。

為深入分析傳熱性能和壓降的變化規(guī)律,本課題亦開展了相應(yīng)的冷?？梢暬芯俊２捎媒Y(jié)構(gòu)尺寸相同的有機(jī)玻璃管替代原有的不銹鋼加熱管。研究中,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,利用CCD圖像測(cè)量和處理系統(tǒng)采集顆粒流化和分布的圖像,考察操作參數(shù)對(duì)顆粒流化和分布的影響。CCD圖像測(cè)量和處理系統(tǒng)由CCD相機(jī),StreamPix-5-S-STD數(shù)據(jù)采集軟件和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。CCD相機(jī)型號(hào)為GT1920,分辨率為1 936×1 456,幀率為40.7 fps。

1.2 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中采用空氣和玻璃珠顆粒分別作為氣相和固相工質(zhì)。其中,玻璃珠顆粒的相關(guān)物性如表2所示。

表2 顆粒相關(guān)物性Table 2 Physical properties of the particles

研究中主要考察氣-固循環(huán)流化床換熱器的傳熱性能和壓降。實(shí)驗(yàn)中的操作參數(shù)主要包括顆粒加入量、空氣流量和熱通量。其中,顆粒加入量ε是指添加到系統(tǒng)的顆粒的堆體積與循環(huán)系統(tǒng)的總?cè)莘e之比。實(shí)驗(yàn)中ε分別取為0.5%,1.0%,1.5%和2.0%;空氣流量Vg分別取為11.30,14.13,16.96,19.78和22.61 m3·h-1;熱通量q分別取為1,2和3 kW·m-2。

1.3 數(shù)據(jù)處理和誤差分析

研究中采用對(duì)流傳熱系數(shù)和傳熱增強(qiáng)因子來評(píng)估氣-固循環(huán)流化床換熱器的傳熱性能。其中,對(duì)流傳熱系數(shù)可按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

式(1)中:q和Q分別為扣除熱損失后的熱通量和加熱功率;Si為加熱管的內(nèi)表面積;twi和tf分別為加熱管的平均內(nèi)壁溫和流體的平均溫度。

式(2)～式 (4)中:two為加熱管的平均外壁溫;di和do分別為加熱管的內(nèi)、外徑;L為加熱管的長(zhǎng)度;λ為管壁的導(dǎo)熱系數(shù);tfi和tfo分別為流體的進(jìn)、出口溫度。

傳熱增強(qiáng)因子E可用來描述強(qiáng)化傳熱效果,E可以根據(jù)式(5)計(jì)算:

式(5)中:αgs和αg分別為氣-固兩相流和單氣相的對(duì)流傳熱系數(shù)。

此外,采用壓降比率S描述顆粒的加入對(duì)系統(tǒng)壓降的影響,S可通過式(6)計(jì)算:

式(6)中:ΔPgs和ΔPg分別為氣-固兩相流和單氣相流動(dòng)的壓降。

對(duì)流傳熱系數(shù)、傳熱增強(qiáng)因子和壓降比率的不確定度可分別由式(7)～(9)來進(jìn)行計(jì)算[34]。

實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),對(duì)流傳熱系數(shù)、傳熱增強(qiáng)因子和壓降比率的不確定度分別為5.23%,6.09%和3.67%,滿足工程計(jì)算的要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顆粒加入量對(duì)傳熱性能和壓降的影響

顆粒加入量將影響床層中的固含率,影響顆粒和加熱壁面之間的相互作用,因此,是循環(huán)流化床中氣-固兩相流傳熱的重要影響因素之一。圖3所示為顆粒加入量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響。

由圖3可知,玻璃珠顆粒的添加,可以有效地強(qiáng)化傳熱。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),傳熱增強(qiáng)因子最大可達(dá)33.4%,所對(duì)應(yīng)的操作參數(shù)為ε=1.5%,Vg=19.78 m3·h-1和q=1 kW·m-2。

圖3 顆粒加入量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響Fig.3 Effects of the amount of added particles on the heat transfer enhancing factor

固體顆粒的加入和流化,可以破壞和減薄傳熱壁面處的流動(dòng)和傳熱邊界層,降低傳熱熱阻,強(qiáng)化傳熱;同時(shí),由于顆粒的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于氣體,因此在與加熱壁面接觸時(shí)亦可以促進(jìn)與壁面之間的導(dǎo)熱。

顆粒加入量的增加,一方面,可以增加加熱管中的固含率,有利于增加顆粒之間、顆粒與加熱壁面之間的碰撞頻率,增強(qiáng)傳熱效果,如圖4所示;另一方面,管內(nèi)固含率的增加,也會(huì)增加對(duì)加熱管內(nèi)氣體湍流程度的抑制[34,42],不利于對(duì)流傳熱。因此,隨著顆粒加入量的增加,傳熱增強(qiáng)因子呈現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢(shì)。

圖4 Vg=16.96 m3·h-1加熱管中顆粒分布的典型CCD圖像Fig.4 Typical CCD images of the particle distribution in the heating tube Vg=16.96 m3·h-1

圖5進(jìn)一步反映了顆粒加入量對(duì)于管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的影響。

由圖5可知,氣-固兩相流的對(duì)流傳熱系數(shù)要高于單氣相的對(duì)流傳熱系數(shù)。

圖5 顆粒加入量對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)的影響Fig.5 Effects of the amount of added particles on the convective heat transfer coefficient

圖6進(jìn)一步考察了顆粒加入量對(duì)壓降比率的影響。

由圖6可知,同單氣相相比,顆粒的加入將會(huì)增加系統(tǒng)的壓降。但總體來說,增加的幅度不大。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),最大的壓降比率為7.14%,所對(duì)應(yīng)的操作參數(shù)為ε=2.0%,Vg=19.78 m3·h-1和q=1 kW·m-2。流量較低時(shí),隨著顆粒加入量的增加,壓降比率也基本上呈現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢(shì);而流量較高時(shí),隨著顆粒加入量的增加,壓降比率增大。

顆粒加入量增加,加熱管內(nèi)固含率增大。一方面,增加了流體的表觀密度,增加了顆粒之間、顆粒與壁面之間的碰撞頻率,導(dǎo)致能量損失和壓降增大;另一方面,如前所述,固含率的增加有利于抑制流體的湍流程度,有利于降低壓降。因此,當(dāng)氣體流量較低時(shí),在上述因素的共同作用下,壓降比率隨顆粒加入量的增加而波動(dòng)。而在氣體流量較高時(shí),由于顆粒流化較好,速度和碰撞動(dòng)能較大,顆粒加入量的增加更有利于增加顆粒之間、顆粒與壁面之間碰撞,導(dǎo)致更大的能量損失。因此,壓降比率隨著顆粒加入量的增加而增大。

由圖6c)可知,當(dāng)ε=0.5%,q=3 kW·m-2時(shí),隨著氣體流量的增加,壓降比率先減小,后增大,并在Vg=16.96 m3·h-1時(shí)出現(xiàn)了0值。這是因?yàn)樵谙嗤念w粒加入量和熱通量下,空氣流量的增加,一方面有利于增加顆粒的碰撞動(dòng)能,增加壓降;另一方面,也有利于促進(jìn)顆粒在氣體中的均勻分布,在一定程度上抑制氣體的湍流,減小壓降。上述兩方面因素的共同作用導(dǎo)致了局部壓降比率極值的出現(xiàn)。

圖6 顆粒加入量對(duì)壓降比率的影響Fig.6 Effects of the amount of added particles on the pressure drop ratio

圖7所示為顆粒加入量和空氣流量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子和壓降比率影響的三維圖,可用于確定不同的操作條件下,傳熱增強(qiáng)因子和壓降比率的變化范圍,以指導(dǎo)工業(yè)實(shí)踐。同時(shí),對(duì)比三維圖中的傳熱增強(qiáng)因子和相應(yīng)的壓降比率,可以確定較為適宜的顆粒加入量。如,當(dāng)q=2 kW·m-2,顆粒加入量為1.5%～2.0%較為適宜,此時(shí)傳熱增強(qiáng)因子較大,同時(shí)壓降比率基本上不超過4%,可為工業(yè)應(yīng)用所接受。

圖7 操作參數(shù)對(duì)傳熱增強(qiáng)因子和壓降比率影響的三維圖Fig.7 Three-dimensional diagrams of the effects of the operating parameters on the enhancing factor and pressure drop ratio

2.2 空氣流量的影響

氣速將影響循環(huán)流化床中顆粒的流化和分布,影響顆粒之間、顆粒和壁面之間的相互作用,進(jìn)而影響傳熱。因此,氣速是影響循環(huán)流化床中氣-固兩相流傳熱的另一重要因素。

圖8所示為空氣流量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響。

由圖8可知,隨著空氣流量的增大,傳熱增強(qiáng)因子基本上呈現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢(shì),而并非單調(diào)變化。

圖8 空氣流量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響Fig.8 Effects of the air flow rate on the heat transfer enhancing factor

一方面,加熱管內(nèi)的氣速隨著空氣流量的增加而增大,有利于顆粒的循環(huán)流化和管內(nèi)固含率的增加,進(jìn)而增加顆粒和加熱壁面之間的碰撞頻率和幅度,有助于強(qiáng)化對(duì)流換熱,如圖9所示。另一方面,空氣流量的增加,也會(huì)使得氣相的湍流程度更加劇烈,增加了單氣相的對(duì)流傳熱系數(shù),進(jìn)而削弱了顆粒的影響。因此,在上述因素的共同作用下,增強(qiáng)因子隨著空氣流量的增加而呈現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢(shì)。

圖9 加熱管內(nèi)顆粒分布的典型CCD圖像(ε=1.0%)Fig.9 Typical CCD images of the particle distribution in the heating tube (ε=1.0%)

圖10所示為空氣流量對(duì)壓降比率的影響。由圖10可知,與增強(qiáng)因子相似,壓降比率也基本上隨空氣流量的增加而波動(dòng),且波動(dòng)的趨勢(shì)和幅度與顆粒加入量和熱通量有關(guān)。

圖10 空氣流量對(duì)壓降比率的影響Fig.10 Effects of the air flow rate on the pressure drop ratio

如前所述,一方面,空氣流量的增加使得加熱管內(nèi)氣速增大,有利于顆粒的循環(huán)流化,增大管內(nèi)固含率,進(jìn)而導(dǎo)致顆粒之間、顆粒與壁面之間的碰撞頻率和幅度增加,增大了能量損失和壓降;另一方面,隨著空氣流量的增加,氣體的湍流程度增大,導(dǎo)致單氣相流動(dòng)的壓降增大,從而削弱了顆粒對(duì)于壓降的影響。因此,在上述因素的共同作用下,壓降比率隨空氣流量的增大而波動(dòng)。

2.3 熱通量的影響

熱通量將影響流體的受熱程度,導(dǎo)致流體的物性,如密度和黏度等發(fā)生變化,進(jìn)而影響流動(dòng)和傳熱邊界層,以及顆粒的流化和分布,影響傳熱效果。圖11反映了熱通量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響。

由圖11可知,空氣流量較低時(shí),傳熱增強(qiáng)因子隨著熱通量的增加而增大。隨著空氣流量的增加,熱通量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響減小;而且在不同的固含率下,傳熱增強(qiáng)因子隨著熱通量的增加呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

圖11 熱通量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響Fig.11 Effects of the heat flux on the heat transfer enhancing factor

熱通量增加,空氣的黏度增大,不利于流體的湍流;壁面處層流底層的厚度增加,不利于空氣的對(duì)流傳熱。此時(shí),顆粒與壁面之間的相互作用,有利于減薄和破壞流動(dòng)和傳熱邊界層,特別是層流底層,增加壁面處流體的湍流,有助于強(qiáng)化傳熱。因此,空氣流量較低時(shí),傳熱增強(qiáng)因子隨著熱通量的增加而增大。

然而,隨著氣體流量的增加,流體的湍流程度更加劇烈,層流底層的厚度減薄,導(dǎo)致上述顆粒的影響減弱;同時(shí),流體流量的增加,有利于顆粒的流化和在流體中的均勻分布,可以在一定的程度上抑制流體的湍流。因此,在上述因素的共同作用下,熱通量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響減小。在不同的固含率下,傳熱增強(qiáng)因子隨著熱通量的增加呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。

圖12為熱通量對(duì)壓降比率的影響。熱通量的變化主要影響流體的物性。熱通量增加,氣體的密度減小,黏度增大,進(jìn)而對(duì)顆粒的流化和分布產(chǎn)生影響,導(dǎo)致氣-固兩相流的壓降發(fā)生變化。總體來說,實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),壓降比率隨著熱通量的增加變化不大,且其變化規(guī)律與空氣流量和顆粒加入量有關(guān)。

圖12 熱通量對(duì)壓降比率的影響Fig.12 Effects of the heat flux on the pressure drop ratio

2.4 氣-固循環(huán)流化床換熱器性能的綜合評(píng)價(jià)

為綜合考察流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)對(duì)氣相換熱過程的影響,圖13反映了傳熱增強(qiáng)因子與壓降比率的比值E/S隨操作參數(shù)的變化規(guī)律。傳熱強(qiáng)化效果越好,顆粒引起的附加壓降越小,E/S的值越大。因此,圖13可以在考察氣-固循環(huán)流化床換熱器的性能時(shí)作為參考,以確定適宜的操作參數(shù)。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),當(dāng)E/S高于3.5時(shí),傳熱增強(qiáng)因子基本上大于10%,而壓降比率基本上小于4%,此時(shí),操作參數(shù)范圍較為適宜。E/S的最大值為34.7,此時(shí)相對(duì)應(yīng)的操作參數(shù)為ε=0.5%,Vg=16.96 m3·h-1和q=2 kW·m-2。

圖13 操作參數(shù)對(duì)傳熱性能和壓降的綜合影響Fig.13 Comprehensive effects of the operating parameters on the heat transfer performance and the pressure drop

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)和構(gòu)建了氣-固循環(huán)流化床換熱裝置,系統(tǒng)地考察了顆粒加入量、空氣流量和熱通量等操作參數(shù)對(duì)于其傳熱性能和壓降的影響,得到的主要結(jié)論如下:

1)玻璃珠顆粒的加入可以明顯地強(qiáng)化氣相的傳熱。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),最大的傳熱增強(qiáng)因子為33.4%,所對(duì)應(yīng)的操作參數(shù)為ε=1.5%,Vg=19.78 m3·h-1和q=1 kW·m-2。

2)除了在氣體流量較大時(shí),熱通量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響相對(duì)較小外,其余條件下,顆粒加入量、空氣流量和熱通量均對(duì)傳熱增強(qiáng)因子有較明顯的影響,且各因素之間的影響相互制約。

3)傳熱增強(qiáng)因子隨顆粒加入量和空氣流量的增加呈現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢(shì)。空氣流量較低時(shí)(Vg=11.30 m3·h-1～14.13 m3·h-1),傳熱增強(qiáng)因子隨著熱通量的增加而增大。隨著空氣流量的增加,熱通量對(duì)傳熱增強(qiáng)因子的影響減小;而且在不同的固含率下,傳熱增強(qiáng)因子隨著熱通量的增加呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

4)氣-固兩相流較單氣相流的壓降有所增加,但增加的幅度較小。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),最大壓降比率為7.14%,所對(duì)應(yīng)的操作參數(shù)為ε=2.0%,Vg=19.78 m3·h-1和q=1 kW·m-2。

5)流量較低時(shí),壓降比率隨著顆粒加入量的增加呈現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢(shì);而流量較高時(shí),壓降比率隨著顆粒加入量的增加而增大。壓降比率隨空氣流量的增加而波動(dòng),且波動(dòng)的趨勢(shì)與顆粒加入量和熱通量有關(guān)。熱通量對(duì)壓降比率的影響不大。

6)考察了操作參數(shù)對(duì)E/S的影響,并構(gòu)建了傳熱增強(qiáng)因子和壓降比率的三維圖,用于指導(dǎo)工業(yè)實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)E/S高于3.5時(shí),傳熱增強(qiáng)因子基本上大于10%,而壓降比率基本上小于4%,此時(shí),相應(yīng)的操作參數(shù)范圍較為適宜。