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液固外循环流化床换热器主压降的实验研究点击：1852 日期：[ 2014-04-26 22:14:00 ] |
| 液固外循环流化床换热器主压降的实验研究 刘 燕，张少峰，魏建明，李金红 （河北工业大学化工学院，天津 300130） 摘要：以喷嘴为颗粒循环装置的液固外循环流化床换热器为研究对象，考察颗粒直径、口径比、喷嘴安装位置、颗粒初始加入量及流体黏度对主压降的影响，得出了稳定操作情况下，液固外循环流化床换热器主压降与上述因素之间的经验关联式，计算值与实验值吻合较好，为外循环流化床换热器的设计计算提供依据。 关键词：换热器；液固外循环流化床；主压降；喷嘴 中图分类号：TQ 051 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2007）10–1489–04 液固流化床换热器以其传热系数高、可防结垢等特点具有广泛的应用价值，而液固外循环流化床换热器又具有设备尺寸小、颗粒和液体分离更容易等独特的优势，更具应用前景。 外循环流化床换热器的主压降影响空隙率分布及固体颗粒的扬析夹带，且与床内固体颗粒浓度分布紧密相关，而颗粒浓度是传热计算的重要依据，同时为动力设备的选取提供依据。因此研究床内液固流动状况和压降分布，对流化床的稳定运行及设计具有十分重要的意义。本文作者以喷嘴为颗粒循环装置的外循环流化床为研究对象，考察颗粒直径、口径比、喷嘴安装位置、颗粒初始加入量及流体黏度对主压降的影响，为外循环流化床换热器的设计计算提供依据。 1 实验装置及流程 实验装置如图 1 所示。为便于观察，实验设备由透明的有机玻璃制成。实验采用内设 18 根管的冷模换热器，每根管长 1000 mm，内径为 25 mm，呈正三角形排列，管间距为 32 mm。本实验采用 U 形压差计测量提升段的压降,测压孔分别设在换热器的上管箱和下管箱；用压力表测量喷嘴前后的压降，压力表的量程为 0.25 MPa，精度为 1.6。设置喷嘴的目的是控制颗粒循环量，但喷嘴的安装位置对流态化操作至关重要，合理的喷嘴结构设计有利于形成稳定的流态化，甚至是能否循环流化的关键。喷嘴的结构及安装位置如图 2 所示。 实验物系采用水-刚玉球形成液固两相，液固两相密度分别为 1000 kg/m3和 2350 kg/m3。在工业生产过程中，液固流化床换热器一般用于黏度较高的 物料，故在实验过程中对液体的黏度用 CMC 进行了调整。 实验操作条件：固体颗粒直径dp为1 mm、2 mm和 3 mm；口径比 d1/d2为 0.35、0.375 和 0.4；喷嘴安装位置 L 为 10 mm、0、－10 mm 和－20 mm；初始颗粒加入量（颗粒在全部循环空间内的平均体积分率）为 0.75%、1.25%、1.75% 和 2.0%；液体黏度为 1 mPa·s、1.5 mPa·s、2 mPa·s、2.5 mPa·s和 3 mPa·s。 2 结果和讨论 文中主压降包括喷嘴前后压降Δpn 和换热提升段的压降Δpu两部分。测量喷嘴处的压降是为了研究喷嘴的结构及其安装位置对压降的影响及其占主压降的比率。对于提升段压降的研究是为了考察颗粒在提升段的体积分率及其流化状况对压降的影响。 2.1 液体流量及口径比对主压降的影响 图3为液体流量及口径比对主压降的影响。可以看出，随着流量的增加，主压降随着流量的增加而增加。这与处于散式流化状态时的流化床压降变化情况不同，后者其压降随流量变化较小，这主要是因为循环流化床中液体流量较大，床层压降虽仍主要来源于颗粒的悬浮，但受液固两相与壁面摩擦作用明显增加造成的。 由图3还可以看出随着口径比的减小，压降显著增大。这主要是因为口径比的减小，引起液相流通截面积减小，造成流动阻力加大；另外当口径比减小时，射流与周围流体间的速度梯度较大，流体内的剪切力增加，造成压降增大。在实验中还发现随着口径比的减小，循环液体流量所能达到的上限逐渐减小，这是由于喷嘴阻力的增大，限制了流量的调节范围。 表1给出了喷嘴处的压降占主压降的比例，该比例是由各流量下测得的喷嘴压降与主压降的比值平均后得到的。可以看出，喷嘴处压降占主压降的绝大部分，是外循环流化床主压降的主要影响因素。 2.2 喷嘴安装位置对主压降的影响 图4为喷嘴安装位置对主压降的影响。由图 4 可见，随着喷嘴安装位置从－20～10 mm 的变化，主压降的变化趋势是先升后降。这是由于喷嘴的安装位置不同，循环液体和颗粒的流量都将变化，从而喷嘴射流时形成的撞击损失也将不同，当喷嘴安装位置越接近最适值时使得循环液体和颗粒流量越大，从而形成的压降越大。由图4可知，当喷嘴被安装在靠近下降段边缘界限时形成的压降比较大，说明在这里射流的卷吸周围静止流体比较多，所以能量损失比较大。 2.3 颗粒直径对主压降的影响 图5为颗粒直径对主压降的影响。随着颗粒直径的增大，主压降明显减小，这是因为随着颗粒直径的增加，在相同颗粒加入量下换热器下管箱内堆积颗粒的空隙率增加，使得流体流过颗粒床层时的阻力减小；另外随着颗粒直径的增加，颗粒循环流量减小，因此形成的重力压降减小。 2.4 初始颗粒加入量对主压降的影响 图 6 为与初始颗粒加入量对提升段压降的影响。由图 6 可以看出，在同一液体流量下，随着初始颗粒加入量的增加，提升段内的压降明显增加。这是因为随着初始颗粒加入量的增加，参与循环固体颗粒数量增加，单位体积内的颗粒数量增加，增加了液固间的摩擦。 2.5 流体黏度对主压降的影响 图 7 为流体黏度对主压降的影响。图 7 中显示的流量范围是在相应黏度下能达到的最大流量范围。由图 7 可以看出，随着黏度的增加，流量的可调节范围变得越来越小，并且在相同流量下，压降随着黏度的升高而升高。由于在低黏度下要求的起始外循环液体流量较高，为了更加清楚地表现黏度对压降的影响，利用单位体积流量下的压降变化来反映黏度对压降的影响，如图 8 所示。可以看出单位体积流量下的主压降随着液体黏度的增加而增加，这是因为黏度的增加使得流体的内摩擦力以及流体和颗粒之间的摩擦力增大，增加了流体输送的阻力。并且在实验中观察发现，随着黏度的提高，流化床达到稳定工况所需的时间越长，因此，实验中不能在改变流量后立刻就进行测量，而要观察颗粒循环状态的变化，当颗粒完全进入稳定循环以后再着手进行测量工作，如果在床层发展的过程中就进行测量，测量结果就会产生较大的偏差。 3 外循环流化床换热器主压降的经验关联式 影响外循环流化床换热器主压降?p 的因素包括：口径比 d1/d2、喷嘴安装位置 L、颗粒直径 dp、初始颗粒加入量ε、液体黏度μ、液体密度ρl和液体流量Q。 将以上影响因素与主压降相关联，取量纲为 1形式，建立多元线性回归模型，得出当喷嘴安装在最佳工况点 L=0 时，液固外循环流化床换热器主压降与上述影响因素之间的关联式： 4 结 论 （1）喷嘴处压降是循环流化床主压降的主要组成部分，且口径比越小，喷嘴处压降所占比例越大； （2）通过喷嘴安装位置对主压降的影响分析，得出本实验条件下喷嘴安装位置处于0 时主压降 最大； （3）颗粒直径、颗粒加入量及液体黏度对主压降都有不同程度的影响； （4）得出了稳定操作情况下，液固外循环流化床换热器主压降与口径比 d1/d2、喷嘴安装位置 L、颗粒直径 dp、初始颗粒加入量 ε、液体黏度 μ、液体密度 ρl和液体流量Q的经验关联式，计算值与实验值吻合较好。 参考文献 [1] 李荫堂，李军，王栋．循环流化床主床压降的研究[J]．动力工程，1994，14（3）：34-38． [2] 卢帮明. 因次分析法在研究循环流化床主压降中的应用[J]．安徽电气工程职业技术学院学报，2004，9（1）：61-63． [3] 张少峰，孙娇．气液固循环流化床颗粒分布板实验研究[J]．化学工程，2006，34（3）：20-23． [4] 韩国军，赵振文，周昆颖，等．外循环式液-固流化床换热器实验研究[J]．石油化工设备，2005，34（3）：12-15． [5] 骆仲泱，倪明江．循环流化床流体特性的实验研究[J]. 浙江大学学报，1987，21（6）：84-92． [6] 姜峰，刘明言，李修伦，等．汽-液-固三相循环流化床蒸发器中固体颗粒浓度和速度的研究[J]．高校化学工程学报，2004，5（18）：565-569． |
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