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三相流体积传热系数的实验及其研究点击：1815 日期：[ 2014-04-26 21:35:49 ] |
| 三相流体积传热系数的实验及其研究 张鹏1,严世成2,王琨1,王纪录3,胡红旗4 (1.吉林化工学院,吉林132022;2.吉林工业职业技术学院,吉林132013;3.吉林石化物资装备中心,吉林132022;4.吉化集团公司丙烯腈厂,吉林132021) 摘要:本文以戊烷-水为研究物系,测定了气-液-液三相直接接触换热器内温度和压强的轴向分布,并依此数据对体积传热系数模型进行了求解,结果表明在气-液-液三相段内,体积传热系数随着轴向高度的增大而增大,但随着高度的增长其增大速率逐渐变小。而在相同条件下,体积传热系数随着分散相流量的增大而增大。 关键词:气-液-液三相流;直接接触;体积传热系数 中图分类号:O551.3文献标识码:A文章编号:1008-1267(2007)02-0023-03 不互溶液体间的直接接触传热是目前传热领域中最热门研究课题之一。由于其不易结垢、传热系数高(可比单相流传热系数高20～100倍[1])、可在低温下操作等优点,因而在石油化工、能源、动力、环保和节能技术等工业领域都具有很大的应用潜力[2]。而传热速率的大小关键在传热系数,对于多相流来说,宏观角度看,采用体积传热系数(即在直接接触换热器内,单位体积内连续相流体与分散相流体温差变化1℃所传递的热量)来描述传热问题比较方便,应用的也比较多。本文目的在于通过基本传热理论和能量衡算,建立气-液-液三相垂直管内充分发展流的体积传热系数模型,为直接接触传热在工业中的应用提供实验和理论依据。 1·实验装置及流程 本实验以戊烷-水为研究物系,实验装置流程图如图1所示,换热器主体由一根!90 mm的有机玻璃管制成,其有效高度为2 m,在换热器壁面的两侧各设有20个沿塔高均匀分布的!8 mm的小孔,用来测量温度和压力。换热器顶部开有一!30 mm的孔,用有机玻璃管与气液分离器连接。换热器底部设有连续相水和分散相戊烷进料口,戊烷进入换热器后经过喷头喷出,以使其成为分散的小液滴。喷头为有机玻璃制成,上面设有16个均匀分布直径为1 mm的小孔。连续相水由供水系统经进水阀进入冷凝器,冷凝器为间壁式换热器,管程为Φ8 mm的螺旋铜管,壳程为镀锌管。从冷凝器出来的水,一部分排入下水管,另一部分经转子流量计进入加热器,加热到适宜的温度后进入换热器。戊烷进料采用氮气压入法。戊烷的进料量通过转子流量计控制。在换热器内气化的戊烷蒸气,从换热器顶部排出进入气液分离器,气液分离器下面连有排水阀以控制液封位置和塔的操作压力。由气液分离器分离出的戊烷蒸气通过冷凝器和冷阱进入回收罐[3]。 2·实验测试方法 2.1温度的测定[4] 温度分布是换热器研究中必不可少的内容之一,它是计算和评价换热器传热性能好坏的主要依据。实验中,分散的戊烷液滴进入换热器后,与温度高于其沸点的连续相水接触,吸收热量逐步开始气化,同时水温沿塔高逐渐降低形成轴向温度梯度。随着戊烷逐渐完全气化,水温的变化也逐渐趋于平缓,这是判断换热器内物系由气-液-液三相变为气-液两相(即分散相由泡滴变成气泡)的最直接依据。通过测定温度分布,可以进一步确定气化段高度、体积传热系数等。本实验测温采用精度为0.1℃的水银温度计。 2.2压降的测定[4] 换热器内气含率沿轴向梯度分布必将引起物系密度沿塔高有一个梯度分布,从而使换热器内不同高度处的单位压降也在不断变化。因此压降的变化是反映换热器内气含率的轴向分布及确定气化段高度的又一重要依据,也是计算体积传热系数的基础数据。 本实验压降的测量采用U型管压差计,指示液采用密度较大又与水不互溶的四氯化碳。这样相邻两测压点间的压差△p即可由下式求算:△p=ρcghi-(ρccl4-ρc)g△h(1) 由于最上面的U型管的一端与大气相连,因此压差略大一些,为防止指示液被压出,此U型管采用水银作指示液。而且因该U型管一端与大气相通,另一端用胶管与换热器相连,所以计算压差时需考虑胶管中水柱的影响,可由下式计算: △p=(ρHg-ρc)g(△h-△h0)-ρcg(△h-△h0)/2(2) 式中:△h0—测量前该U型管的初始读数,m。 3·体积传热系数模型 在直接接触传热过程中,体积传热系数是表征传热效率的重要参数,其定义式为: 在气-液-液三相段内,取第i个测温点到第i+1个测温点间的实验段列能量衡算式可得: 上式中△T为连续相与分散相的温差,而分散相的温度为实验段内平均压力下戊烷的沸点,可由Antoine方程求算[5]。 4·实验结果与讨论 4.1温度轴向分布 将实验获得的连续相温度轴向分布数据绘制成图2的关系曲线,由图中曲线形状可以看出,在不同分散相流量下,换热器内温度沿轴向变化趋势基本相同,即刚开始温度随高度的增加下降较快,之后逐渐趋于平缓直至沿轴向高度基本不再变化。这是由于分散相戊烷小液滴刚进入换热器时,体积很小,因此传热面积较大,而且传热主要在液-液界面进行,传热温差相对来说也最大。所以传热速率很高,使戊烷迅速吸收热量而气化,从而导致水温沿轴向有一个较大梯度分布;之后,随着戊烷泡滴的逐渐增大,传热主要受气-液界面控制,传热阻力增大,同时传热温差也在不断减小,使戊烷的气化速率逐渐降低,直至到达某一高度后戊烷全部气化,此时连续相与分散相间的热交换表现为少量水蒸气向气泡内蒸发,连续相的温度沿轴向基本也不再变化(在保温不是很好的情况下,由于物系向环境散热也将导致连续相温度略有降低),此高度即为气化段高度,即图中曲线斜率发生突变的那一点。图中数据也显示了在连续相流量一定的情况下,分散相流量越大,换热器内连续相流体的总温降越大。 4.2体积传热系数轴向分布 图3为由式(5)计算的不同实验条件下在换热器气-液-液三相段内体积传热系数的轴向分布关系曲线。由图3可见体积传热系数随着轴向高度的增大而增大,这是因为一方面随着轴向高度的增加,气泡的直径不断增大,另一方面由于连续相施与分散相向下的曳力,使单位体积内分散相泡滴的数目沿着换热器轴向高度逐渐增加,湍动剧烈,二者的共同作用使体积传热系数呈现增长的趋势,但由于随着高度的增加,这种作用逐渐减小,使体积传热系数的增长也变得趋于平缓。 5·结论 建立了以戊烷-水为研究物系的直接接触换热器,实验结果表明,在不同的分散相流量下,换热器内温度沿轴向的变化趋势基本相同,即刚开始温度随高度的增加下降较快,之后逐渐趋于平缓直至沿轴向高度基本不再变化。曲线斜率发生突变的点为三相段与二相段的分段点,而在连续相流量一定的情况下,分散相流量越大,换热器内连续相流体的总温降越大。在气-液-液三相段内,体积传热系数随着轴向高度的增大而增大,但随着高度的增长其增大速率逐渐变小。而在相同条件下,体积传热系数随着分散相流量的增大而增大。 参考文献: [1]MORI Y H.An analytic model of direct contact heattransfer in spray-column evaporators[J].AIChE J,1991,37(4):539-546. [2]齐涛,刘春祥,沈自求.酒精液滴在蔗糖液中汽化冷却传热及其结晶过程[J].高校化学工程学报,1997,11(1):37-42. [3]张鹏,王琨.气-液-液三相直接接触换热器内汽含率轴向分布[J].吉林化工学院学报,1999,16(4):4-8. [4]胡宗定,王一平.工程电导测试技术[M].天津:天津大学出版社,1990. [5]张鹏.气液液三相直接接触换热器传热及流动特性的研究[D].天津大学研究生院,1999. |
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