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外循环流化床换热器内最大颗粒循环流量的实验研究术点击：1771 日期：[ 2014-04-26 22:14:12 ] |
| 外循环流化床换热器内最大颗粒循环流量的实验研究术 魏建明 刘燕 张少峰 (河北工业大学化工学院) 摘要：利用CCD图像采集系统，对外循环管内颗粒流动状况进行考察，获得了外循环流化床最大颗粒循环流量，并考察了喷嘴直径、喷嘴安装位置以及液体粘度对外循环流化床内最大颗粒循环流量的影响。结果表明：喷嘴直径及其安装位置对外循环管内颗粒流量具有重要影响，并且对于提高最大颗粒循环流量都存在一个最适值，同时液体粘度对颗粒循环流量也具有较大的影响。 关键词：换热器 流化床 喷嘴 颗粒循环流量 颗粒 外循环 O 前言 外循环流化床换热器的最大颗粒循环流量是考察循环流化床颗粒循环效果的重要参数。阿达来提·阿不都热合曼⋯ 等对快速循环流化床中的颗粒循环流量进行了研究，得出颗粒循环流量在快速循环流化床中处于相对稳定状态。但多管外循环流化床的液流速度较慢，利用喷嘴来完成循环，对颗粒循环流量的研究报道还很少。因此本文设计了用于液固外循环流化床颗粒循环的喷嘴循环装置，并通过实验考察了循环液体流量、喷嘴直径、喷嘴安装位置以及液体粘度等对外循环流化床最大颗粒循环流量的影响，为液固外循环流化床换热器的设计与运行提供参考。 1 实验 1．1 实验流程 实验流程如图1所示。水由泵从储水槽送人系统，经转子流量计，在喷嘴处使得固体颗粒和水混合后进人流化床，然后从流化床上方流出，进入旋液分离器，被分离后的固体颗粒进入外循环管返回到粒子循环槽，实现了粒子的循环使用，水则返回液体储槽进入下一次循环。 1．2 实验装置 外循环流化床换热器的列管为18根长lO00mm、内径Igmm的有机玻璃管。喷嘴循环装置的结构如图2所示，主体采用锥形设计，在出水口的一端有一段水平管，用法兰将喷嘴安装在外循环管与水平输送管的交接处。取喷嘴的出口直径为14mm、15mm、16mm；喷嘴的安装位置可以前后移动，以喷嘴出口左端的循环下降段的边缘界限为喷嘴安装位置的原点，以向左为正、向右为负，分别取lOmm、Omm、一lOmm、一20mm 四个位置；流体粘度分别取1mPa·s、1．5mPa．s、2mPa·s、2．5mPa·s、3mPa·s，实验时所用流体为水，增加流体粘度的添加剂为CMC(羧甲基纤维素钠)。 1．3 实验测量方法 采用本实验室与中科院大恒图像有限公司合作开发的化工过程多相流图像处理系统 。在线测量固体颗粒在流化床外循环管内的流量Q ，即全床的颗粒循环流量。 片光源与CCD摄像头垂直放置(见图3)，采取不同曝光时间的方法来记录颗粒的不同轨迹。对颗粒在流动方向上的位移距离，通过变 2 实验结果及讨论 考察最大颗粒循环流量是考察喷嘴对颗粒循环效果影响的很直观的参数，因为它是由颗粒的循环数量与颗粒的下降速度乘积得来的，颗粒的循环数量与液体流量有关，当流量大时参与循环的颗粒流量才会大；当喷嘴的喷射速度大时，形成负压才会大，从而颗粒的下降速度也大。因此考察最大颗粒循环流量对外循环 流化床颗粒循环流化特性的研究来说是非常重要的。 2．1 喷嘴出口直径对最大颗粒循环流量的影响 图4为喷嘴出口直径与最大颗粒循环流量的关系。由图4可以看出，最大颗粒循环流量随着喷嘴出口直径先增大后减小，这是因为喷嘴出口处形成的负压随射流速度增加而增加，喷嘴出口直径的减小限制了全床的流量，由于流量减小使得射流形成的负压减小，同时也使得固体颗粒在提升段内提升速度变慢；另外，出口直径的增加将会使喷射速度明显下降，减小了喷嘴射流形成的负压，当喷嘴出口直径过大时甚至完不成循环。由于实验条件限制，本实验中只研究了三个直径的喷嘴对颗粒循环量的影响，但从图4可以看出，喷嘴直径对最大颗粒循环流量存在一个最佳值，并且该出口直径最佳值在15mm左右。 2．2 喷嘴安装位置和最大颗粒循环流量关系 图5为喷嘴安装位置对最大颗粒循环流量的影响。由图5可见，随着喷嘴安装位置 的增加，最大颗粒循环流量先增加而后减小，而且由图5可以看出，当喷嘴安装位置在正方向太远时，会因为碰撞损失过多而影响喷嘴的喷射效率，即对下降段的卷吸作用减小；当喷嘴安装位置在负方向上(如一20turn和一lOmm位置处)时则会因为负压的作用范围达不到下降管处而影响颗粒循环效果；当喷嘴安装在正向位置时，在距离下降管边缘界限不远的位置(如Omm或lOmm)处时最大颗粒循环流量较高，并且变化不大。这与邢桂菊 等所得结论基本一致，他们在对气体喷射器的研究中得到，当0．76<D／L<1．28时可以获得较大的喷射器效率。 2．3 流体粘度对最大颗粒循环流量的影响 图6为流体粘度和最大颗粒循环流量的关系。由图6可见，最大颗粒循环流量随着流体粘度的增加而减小，但减小的趋势并不很大。这是因为流体粘度的增加，～方面可以使在一定流量下流体对颗粒的曳力增加，使得颗粒在提升段的上升速度以及下降段的下降速度加快；另一方面增加了流体流动过程中的阻力损失，达不到较大的液体流量，使得射流速度受到限制，即形成的负压受到限制，从而减小最大颗粒的循环流量。以上两方面因素共同作用，由实验结果可以看出粘度增加带来的阻力占了主要作用，使得颗粒的最大循环流量随粘度增加而降低。另外在实验中还观察到，随着流体粘度的增加流体的湍动程度减弱，颗粒彼此粘附形成聚团，循环床达到稳定循环的时间变长，这与邱欧 等对高粘度流体流态化的特殊性的研究结果一致。 3 结论 (1)由实验结果可见，喷嘴出口直径是影响最大颗粒循环流量的主要因素，喷嘴出口直径对于射流形成的负压大小和流量的最大值都有重要影响；最大颗粒循环流量随喷嘴的安装位置的改变也有较大的变化。实验得出，出口直径为15mm左右的喷嘴在下降管边缘界限位置处安装时能得到较大的颗粒循环流量。 (2)粘度的增加使得流体对颗粒的曳力增大，减小了流体的湍动程度，最大颗粒循环流量随着流体粘度的增加而下降。 |
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