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水-平管液固循环流化床换热器强化传热和防垢研究点击：1826 日期：[ 2014-04-26 22:13:52 ] |
| 水-平管液固循环流化床换热器强化传热和防垢研究 １.张继军 ２.张恒 ２.张少峰 （１、石家庄工大化工设备有限公司 河北石家庄 ０５００３１；２、河北工业大学 天津 ３００１３０） 【摘 要】在水平管液固循环流化床换热器装置上进行以硫酸钙为工质条件的试验，研究流化床的传热性能和防垢效果。实验结果表明固体颗粒的加入可延长硫酸钙溶液的结垢诱导期，能够起到防垢和强化传热的作用。 【关键词】水平循环流化床 液固 污垢 传热 循环流化床因其具有两相接触率高，生产能力大，强化传热，可处理粘性物料及适用于快速加工工艺等特点，在石油、化工、轻工、动力、能源、食品、医药及环保等领域得到了广泛应用。流化床传热具有强化和自清洁传热的特点。与液相传热相比，液固流化床传热系数可提高数倍［１］，在严重结垢的工况下能有效防止传热表面结垢，流化床传热研究倍受关注。作为多相流态化技术和防、除垢技术相结合的液固流化床换热器的开发始于上世纪７０年代初［２］，而水平管液固两相流由于其特殊性研究开始得较晚，随着石油、化工、液体输送等方面的需要引起广泛关注。本文以硫酸钙为工质，对水平管液固循环流化床换热器的强化传热和防、除垢性能进行了研究，并对其影响因素进行了分析。 １ 试验部分 试验流程如图 １ 所示。传热试验段为碳钢管Φ３２×２．５ｍｍ，长２ｍ。 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。试验采用Ｃａ（ＮＯ３）２ 和Ｎａ２ＳＯ４ 溶解在水中配置的硫酸钙水溶液作为测试料液。硫酸钙料液由储罐侧口进入泵，泵将料液和固体颗粒打入测试管路，经过加热后又返回到料液储罐，固体颗粒通过颗粒循环管路在粒子分离罐中分离。试验过程中不断向系统中补充料液以维持系统的平衡。试验段采用电热丝加热。固体颗粒为工程塑料颗粒。 ２ 试验结果与讨论 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，首先考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／ ㎡时，流化床传热系数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与时间之间的变化分为ａ、ｂ和ｃ三个阶段，在开始阶段即ａ段，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段是传热系数增加上升段，在这一阶段，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传热壁面上，导致传热壁面粗糙，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，在实验进行大约９．５ｈ左右时，传热系数开始大幅度下降，说明此时垢层已经形成，并起到了阻碍传热的作用，从整个结垢过程可以看出，在污垢尚未形成阶段，传热系数并不是完全稳定的，而是在早期阶段出现了上升现象，但无论何种情况，只要污垢完全覆盖于换热表面，传热系数就会出现大幅度下降现象，因此可以认为传热系数出现大幅度下降时，污垢形成，结垢过程截止。 ２．２固体颗粒的防垢性能 在流速为 ０．３ｍ／ｓ、热通量为１５ＫＷ／ ㎡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。颗粒体积分率为０．７５％ 时，传热系数波动较大，但总的趋势是在实验早期传热系数较小，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也使传热系数呈现缓慢上升趋势，在实验进行１１．５ｈ 左右后，传热系数上升到最大值后开始出现明显的下降，说明沉淀已经起了主要的阻碍传热的作用，因此可以认为在加入０．７５％颗粒后，硫酸钙的结垢诱导期大约为１１．５ｈ，比空白实验延长 ２０％左右。同理，加入颗粒体积分率为 ２％的固体颗粒时，硫酸钙的结垢诱导期大约为 ２０ｈ，比未加颗粒的硫酸钙的诱导期延长近 １．２ 倍。固体 颗粒的加入充分的起到了延长诱导期、防垢的作用。 ２．３固体颗粒浓度对传热系数的影响 图４示出了传热系数随固体颗粒浓度的增加而增大。在其他参数不变的情况下，随着固体颗粒浓度的增加，传热系数有所增大。固体颗粒浓度增加，增加了颗粒与壁面之间的碰撞频率，增加了颗粒与壁面碰撞的接触面积分率，减薄和破坏了流动边界层，增强了床层的湍动程度，强化了传热。当固体颗粒浓度增加到一定程度时，虽然传热系数有所提高，但流动的阻力也有所增大，增加了能耗，所以在选择固体颗粒浓度时，应综合考虑各方面的因素。 ２．４固体颗粒大小对传热系数的影响 从图５中可知，在流量小于１．０ｍ３／ｈ时，２㎜小直径颗粒传热系数高。因为在此流量范围内，小直径粒子逐渐充满整个加热管，达到流化状态，而大粒子多聚集在加热管下部，流化 状态差，使传热系数下降。而当达到 １．０ｍ３／ｈ 时，大粒子的传热系数高于小直径粒子。在该流量下，小直径粒子和大直径粒子均处于完全流化状态，而大粒子的尾流漩涡比小粒子的大，增强了液体的湍流程度。此外，大粒子的质量比小粒子的质量大，与壁面碰撞的动能和动量增加，破坏边界层的能力增强，有利于传热系数的提高。 ３ 结论 １．在本试验范围内，随着固体颗粒体积分率的增大，其防、除垢效果越好，加入颗粒体积分率为２％时，硫酸钙的结垢诱导期比空白试验延长近 １．２ 倍。 ２． 随着固体颗粒体积分率的增加，传热系数亦增大。 ３．在小流量范围内（小于 １．０ｍ３／ｈ），适宜的粒子直径为 ２ ㎜；在大流量范围内（大于 １．０ｍ３／ｈ），适宜的粒子直径为３㎜。 |
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