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水平管循环流化床换热器防垢试验研究点击：1990 日期：[ 2014-04-26 22:05:55 ] |
| 水平管循环流化床换热器防垢试验研究 张恒 王晋刚 张少峰 (河北工业大学) 摘要:以硫酸钙为工质,在水平管循环流化床换热器装置内进行条件试验,研究水平流化 床的防垢效果和传热性能。实验结果表明,水平管循环流化床换热器具有良好的防垢效果和 传热性能。 关键词:水平管循环流化床 换热器 防垢 除垢 传热 多相流 条件试验 硫酸钙 0 前言 换热设备内壁结垢现象普遍,造成了极大的能 源浪费和经济损失[1]。针对这一问题,目前采取 化学方法[2]或机械方法[3]来清除污垢,其缺点是: 由于停车造成减产;增加能耗和物耗;影响产品质 量。为解决上述问题,研究者将多相流化床技术引 入换热设备的防、除垢过程,开发的循环流化床换 热器具有传热系数高,防除垢简单、易行、可靠的 特点[4-5],其传热研究倍受关注[6-7]。 目前,循环流化床换热器传热的研究主要集中 于垂直管的流化床内。李修伦等[8-10]在研究中较 早地在垂直管内流动系统中加入惰性固体颗粒,使 其保持流化,对固体颗粒强化传热及防、除垢进行 了研究,取得了显著的效果。然而,有关水平管流 化床换热器传热研究的报道很少。随着石油、化 工、液体输送等方面的需要,水平管流化床已引起 广泛关注。由于硫酸钙是化工生产中最常见的结垢, 且其逆溶解性具有代表性,笔者以硫酸钙为工质, 对水平管流化床换热器的防垢性能进行了研究。 1 试验流程 水平管循环流化床换热器防垢试验流程如图1 所示。 硫酸钙料液由储罐侧口进入料液循环泵,泵将 料液输入测试管路,经过加热后又返回到料液储罐 进行循环,固体颗粒在粒子分离罐中分离,通过颗粒循环管路参与循环。试验过程中不断向系统中补 充料液以维持系统的平衡。 传热试验段碳钢管为 32×2.54,长2m。 试验中采用电热丝加热。整套实验装置上都包有保 温层,保温性能很好,热损失忽略不计。管壁上装 有4只铂热电阻以测量壁温,另有2只铠装式铂热 电阻测量料液的主体温度。各点温度经计算机采 集。根据平均内壁温度和主流平均温度以及热通量 来计算传热系数,最后根据传热系数随时间的变化 规律判断结垢情况。传热系数h由下式(1)计算: 2·1 硫酸钙结垢行为 为了了解硫酸钙溶液在实验装置中的结垢行 为,首先观察不加固体颗粒时的液相传热结垢情 况。在流速为0·3m/s、热通量为15kW/m2时,流 化床传热系数α随时间的变化规律如图2所示。由 图2可以看出,结垢过程可以根据传热系数α与时 间t的变化分为a、b和c三个阶段,在开始阶段 即a段,为传热系数稳定段,这一阶段的传热系数 比较小,也比较稳定;b段是传热系数上升段,在 该阶段,传热系数逐渐增加,此时溶液中已有部分 硫酸钙晶体附着于换热器内壁上,导致换热器内壁 粗糙,使传热表面区域的涡流程度加大,强化了传 热;c段为传热系数下降段,传热系数开始大幅度 下降,在实验大约进行12·5h后低于初始传热系 数。 2·2 固体颗粒的防垢性能 在流速为0·3m/s、热通量为15kW/m2操作条 件下,循环系统中加入不同数量的固体颗粒,液固 循环流化床换热器防垢效果如图3所示。颗粒体积 百分率为0·75%时,传热系数波动较大。在实验 开始阶段传热系数较小,而且比较稳定,随着实验 的进行,传热系数开始缓慢上升,这是由于颗粒的 加入增加了壁面附近的扰动程度,使壁面附近的边 界层减薄,强化了传热,同时硫酸钙结晶引起传热 表面区域的涡流程度的加大,使传热系数呈现缓慢 上升趋势。在实验进行14·5h左右后,传热系数降 低到初始值,比未加固体写出来时结垢时间延长 20%左右。颗粒体积百分率为2%时,由于颗粒对边 界层的破坏作用加大,强化传热占主导地位,传热 稳定,大约21h后传热系数开始降低,比未加颗粒 时的结垢时间延长至1·7倍。显然,固体颗粒的加 入充分起到了防垢的作用。从实验数据上可以看出, 在加入0·75%的固体颗粒后,传热系数提高,加入 固体颗粒体积分率为2%时,强化传热效果明显。 水平管流化床在流量较低时,整个系统颗 粒循环率比较小,颗粒固含率不均匀度大。由于该 实验流速低,加入颗粒数量少,使其出现结垢现 象,通过计算传热系数下降率和时间关系,得出加 入固体颗粒后的防垢性能,如表2所示。 由表2可以看出,加入固体颗粒后,水平管流 化床换热器具有一定的防垢效果,加入颗粒体积百 分率为2%时比颗粒体积百分率为0·75%防垢效果 好。其原因有为:一是固体颗粒的存在为内壁面附 近硫酸钙结晶出的晶粒以及扩散至壁面附近的晶粒 提供沉积表面,一部分晶粒沉积在固体粒子表面而 被带走,从而减少了晶粒沉积到换热壁面的可能 性;二是固体颗粒与换热减少壁面的频繁撞击,颗 粒对壁面的冲刷导致硫酸钙结晶无法附着于换热壁 面,阻止了垢层的产生,起到了很好的防垢效果。 加入的固体颗粒越多,提供的沉积表面越多,破坏 边界层的能力越强,防垢效果越好。此外,固体颗 粒的加入增加了换热壁面附近的扰动程度,使换热 壁面附近的边界层变薄,强化了传热。 3 结语 (1)水平管流化床换热器内加入固体颗粒, 具有一定的防垢作用。在该试验中,加入颗粒体积 百分率为2%的硫酸固体颗粒后除垢效果好,传热 系数低于初始值的时间比未加固体颗粒试验结垢时 间延长了1·7倍。 (2)加入固体颗粒后,强化传热明显。实验中加入颗粒体积百分率为2%的硫酸钙固体颗粒,传 热性能良好。 参 考 文 献 [1] 张少峰,李修伦,刘明言·换热设备多相流防除垢新技术的 研究进展[J]·化工机械,2003,30(2):116~120 [2] HarperWJ·Sanitationindairyfoodplants[A]·In:Guthrie· FoodSanitation[M]·WestprotCT:AVIpub·CompanyInc, 1972. [3] WalkerP·On-lineAutomaticTubeCleaning[J]·Engineer- ingSystems,1994,10:58~62· [4] 于志家,朱冬青,王大明,等·气液固三相流动沸腾传热 与抗垢性能的研究[J]·高校化学工程学报,1999,13 (5):447~451· [5] 马红钦,朱慧铭,谭欣,等·流化床预热脱硅技术研究 [J]·有色金属,2001,53(3):24· [6] BremfordDJ,Müller-SteinhagenHM,DuffyGG·Heattrans- fertokraftblackliquorinliquid-solidfluidized[J]·Heat TransferEng,2000,21:57 [7] KangY,FanLT,KimSD·Immersedheatertobedheattrans- ferinliquid-solidfluidizedbeds[J]·AIChEJ,1991,37 (7):1101· [8] 李修伦,刘绍丛·汽液固三相流化床沸腾换热的研究[J]· 化工学报,1993,44(2),224~229· [9] 李修伦,闻建平·垂直管内三相流沸腾传热特性[J]·化 学工程,1995,23(4):50~54· [10] 张利斌,李修伦,张金钟,等·三相循环流化床中沸腾传 热特性[J]·化工学报,1999,50(2):208~214· [11] 胡金刚,刘燕,赵斌,张少峰·水平管内液固流化床颗粒 分布[J]·化工装备技术,2006,27(4):12~16 |
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