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自动清洗式流态化换热器传热强化的运行参数优化研究点击：1833 日期：[ 2014-04-26 22:21:37 ] |
| 自动清洗式流态化换热器传热强化的运行参数优化研究 李桂芳1.2 肖福兵1.3 俞秀民1 (1.湖南工业大学清洗研究所,湖南株州412008;2.湖南工业设备安装公司三分公司,湖南株州412000;3.中国有色金属工业二十三冶第二工程公司,湖南株洲412000) 摘要：液—固流态化传热强化机理还不完全清楚,已有文献对流态化粒子的粒度与传热系数的影响关系有较大分歧。从传热强化角度对水-沙流态化自动清洗的运行参数进行优化试验研究,得到的结果是:沙子粒度不是愈细愈好,而是Ｄｐ2ｍｍ(8目)左右为好;粒子体积分数以2.4%比较好;流速在0.2～0.28ｍ/ｓ(Ｒｅ=6000～9000)的范围较好。虽然浓度低,但是在优化条件下的流灰化传热强化幅度几乎可以达到一倍左右,并且阻力又很低。 关键词：流态化;传热强化;粒子浓度;粒子粒度;流速最佳 中图分类号：ＴＣ172 文献标识码:Ａ 2004年12月底国家发展改革委员会发布的我国第一个《节能中长期专项规划》中指出,每百万美元的国内生产总值能耗,我国比世界平均水平高2.4倍,比美国、欧盟、日本、印度分别高2.5倍、4.9倍、8.7倍、0.43倍,提出的十大保障措施之六是“加快节能技术开发、示范、推广[1]。 国家科委列为“九五”重点推广计划项目的管理液固内循环流态化换热器技术,不仅自动清洗除垢防垢、节水节能效果显著[2-3],而且与外循环流态化相比具有较多优势;没有旋流分离器的能耗与磨损问题,结构简单设备费低,粒子磨损消耗低,运行维护简单等[4]。 但是,从纯传热强化的角度,这种自动清洗式流态化换热器运行参数的优化问题没有进一步的研究。为此,我们研究流态化换热器的传热强化的运行参数优化问题。 1 传热管内对流传传的流态化强化 流态化沙粒向上运动的过程中沙粒并不是沿速度方向做直线运动,而是随机、频繁地碰擦传热管内壁表面,实现除垢防垢,消除了管内的污垢热阻,极大地提高了传热设备的运行效率。 对于无污垢的传热管内对流传热的热阻主要在热边界层。对于流态化传热强化的机理研究应该说是不充分的,其认识也远未清楚和统一。粗略的解释比较多的倾向于,湖流中含有异质粒子以后产生附加的湍动,低频大涡体使粒子发生径向输运[5-7],犹如搅拌相仿,有效地扰动了热边界层,使管内流态化液的径向温度分布曲线扁平化,并且截面平均温度ｔｗ提高了,因此由下式定义的管内传热膜系数αｉ得以加大。 2 试验系统与试验方法 试验装置如图1所示,传热管为Φ40ｍｍ×4ｍｍ的不锈钢管,通冷却水,通过阀门4调节流速,管内为流态化沙粒。ＬＺＢ-50玻璃转子流量计测量其流速,流量计采用时间—体积法进行标定修正。管内的流态化沙粒随着水向上运行,到顶部出口槽内分离沉降下来,经回沙管再循环使用。温度测量全部采用0.1度分刻的玻璃管精颏温度计。管外夹套通加热蒸汽,夹套高度500ｍｍ传热热量采用管内冷却水得到的热量计算。流态化粒子的体积浓度是采用测量回沙管的回沙速度,再考虑传热管内冷却水的流量计算得到,每次流量调节稳定5ｍｉｎ后读数记录数据。 传热系统与传热管内的流速或雷诺数的关系由许多研究,得到的曲线或计算式也较多,而且相互的差别不少,有的甚至是倍数[8]。 其主要的原因可能在于粒子浓度、粒子的性质不同。为此,本次研究中,采用同样的沙子,分别在(2.4%、1.2%)不同浓度和不同粒度———粗沙子、中沙、细沙分别为6目(约4ｍｍ)、8目(约2ｍｍ)和12目(约1ｍｍ)———条件下进行传热系统的试验测定。 3 流态化粒子大小对传热强化的影响 对流态化粒子大小与传热强化的关系最早进行研究的是1955年Ｃａｉｄａｓ的博士论文[9],冷却水中Ｄｐ0.68ｍｍ、0.50ｍｍ、0.29ｍｍ、0.22ｍｍ四种粒度的玻璃珠流态化的进行传热系数测定,其结论是粒子愈小传热系统愈高,德国人ＬｕｄｏｉｆＰｌａｓｓＫｒｏｎｂｅｒｇ在1972年的卧式换热器管内试验中,采用Ｄｐ12μｍ、25μｍ、40μｍ、70μｍ、120μｍ的五种粒子,得到类似的结果[10]。但是,1987年ＪｏｃｈｅｎＳｔＫｏｌｌｂａｃｈ,Ｗ.ＤａｈｍＲ.Ｒａｕｔｅｒｂａｃｈｄ的试验结果不同,是Ｄｐ2.2ｍｍ的粒子比Ｄｐ1.95ｍｍ的好[8]。应该说,文献[9-10]的试验粒子都是1ｍｍ以下的细粒子,其范围不够宽,尤其在传热强化机理尚未完全清楚时推断到更大的粒子范围是未必正确。文献[8]又是在粒度不同、同时又密度不同的条件下试验得到的结果,同样难以肯定得出把握的结论。并且,上述文献的试验粒子对于污垢自动清洗的要求来说太细,意义不大。 为此,运行同样材质、相同体积浓度(2.4%)、不同粒度的液态化传热系数试验,其结果如图2曲线所示:与文献[9-10]不同,不是粒子愈细愈好,而是2ｍｍ沙粒表现出较好的传热特性,如4ｍｍ和1ｍｍ的都要好,相比之下大颗粒的沙粒效果比较差,1ｍｍ居中。这是因为在同样的体积浓度下,液态化粒子的颗粒数反比于粒子直径的三次方,对于Ｄｐ4ｍｍ的粗粒子的颗粒数只有Ｄｐ2ｍｍ粒子的1/8,对热边界层扰动的频数低得多所致。虽然在同样的体积浓度下,Ｄｐ1ｍｍ的粒子数比Ｄｐ2ｍｍ增加7倍,但是细粒子的跟随性很好,几乎不再有边界层富集作用,加上单位粒子对热边界层的扰动强度也弱,总的结果是不如Ｄｐ2ｍｍ的中等粒子的传热强化效果好。 4 流态化粒子浓度对传热强化的影响 文献[8]介绍了水平管内Ｄｐ12-120μｍ五种粒度、1.5～3.0ｍ/ｓ四种不同流速条件下流态化粒子浓度对传热强化的影响曲线,粒子体积浓度在0%～39%的宽广范围进行试验。所有曲线一致表明,在粒子体积浓度分别低于2.5%～6%时,传热系数随粒度浓度增大而增大,然后逐步下降。由于流态化粒子浓度既要满足自动清洗防垢的要求,又必须防止过度清洗的管壁保护膜损坏。后者决定了只能采用低浓度。因此,传热管中心区流速高,而近管壁区流速慢。按照阻力最小原理,在近管壁区流态化的沙粒的体积浓度比中心区高,这种边界层富集现象非常有利于的浓度流态化沙粒对管内热边界层的有效扰动和滞留层厚度的减小。因此,虽然粒子浓度低,但是对提高管内侧的传热膜系数的作用却很显著。这种的浓度沙粒边界层富集现象影响,在沙粒愈粗、流速愈高时就愈显著,影响也愈大。 为此,在优选Ｄｐ2ｍｍ中等沙粒的基础上,运行2.5%以下的低浓度对比试验。图3的传热系数曲线比较表明,体积浓度2.4%时显著高于体积浓度为1.2%时。其理显然,在于体积浓度高时,流态化粒子对热边界层的扰动频数比体积浓度低时要高。 5 流速(雷诺数)对传热强化的影响 在文献[8]列举的11个流态化传热学计算式中,只有1969年Ｒｕｃｋｅｎｓｔｅｌｎ和Ｓｈｏｒｒ的计算式是Ｎｕｐ正比与Ｒｅ负次幂,其余均是正比与Ｒｅ正次幂。但是文献[8-10]的试验曲线却都表明,流速(雷诺数)超过一定值以后,传热系数反而下降。不过,文献[8]没有表明粒子浓度条件,即粒度、密度均不相同;文献[9]没有表明粒子浓度条件;显然文献[10]表明了粒子浓度相同的条件,但是在低浓度时彼此难以区分,并且试验条件是水平传热管、1.5～3.0ｍ/ｓ的高流速(Ｒｅ88000-166000的高雷诺数),而传热设备流态化自动清洗应用的条件是立式传热管、0.25ｍ/ｓ左右的低流速,两者实在相差太远。为此,作者进行自动清洗防垢适宜的粒度、低浓度、立式传热管的试验测定。如图2、图3所示,结果也是流速(雷诺数)超过一定值以后,传热系数反而下降。因此,对于运行优化来说可以肯定的是在较低流速(雷诺数)下运行最好;并且传热系数可以比无粒子的提高一倍左右。 但是,对于流速(雷诺数)超过一定值以后传热系数反而下降的机理应该说还不清楚,文献[9]解释为在临界Ｒｅ数以上,系数的颗粒浓度过低,以致不能破坏流态化床壁的液膜,这一解释不好理解,也与作者粒子浓度不变的试验条件相抵触。 6 阻力 试验台架由33根Φ38ｍｍ×3ｍｍ×4000ｍｍ的热管组成。进口底室直径370ｍｍ,高280ｍｍ,出口室直径370ｍｍ,高260ｍｍ。系统加入的沙子量为0.051ｍ3,大部分沙子集中在进口底室和出口室内。传热管内的沙子浓度远低于系统平均值,具体数值因缺少仪器没有测量。设备的总阻力是11.52ｋＰａ,传管长1500ｍｍ的两测点之间的阻力的110Ｐａ左右,两者都很低。流态化设备的阻力主要在流态化底室,约占3/4。 7 结束语 1)从传热强化角度优化试验的结果看,在本实验中自动清洗式液态化换热器最适合在0.3ｍ/ｓ以下的低流速(10000以下的低雷诺数)下运行,流速(雷诺数)更高时传热系统反而下降;粒度以8目(Ｄｐ2ｍｍ)、体积浓度为2.4%为佳。 2)在本实验中,在优化参数下运行时,水—沙流态化的传热系数可以比无沙子时提高了一倍左右,阻力又低,是一种很有效的传热强化方法。 参考文献 [1] 国家发展和改革委员会.节能中长期专项规划[Ｊ].节能与环保,2003,(11):03-10. [2] 愈秀民,吴金香.管程内循环液固流态化高效换热热器研究[Ｊ].压力容器,1995,13(1):33-36. [3] 叶施仁,愈天兰,愈秀民.液固液态化换热器结构改进及应用[Ｊ].化工机械,1998,25(1):31-32. [4] ＫｌａｒｅｎＤｉｃｋＧｅｒｒｉｔ,ＣｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄＡｐｐａｒａｔｕｓ:ＵＳ,5676201[Ｐ].1997-10-14. [5] 顾毓珍.湍流传热导论[Ｍ].上海:上海科技出版社,1964.11,200,204-206. [6] Ｍ.李伐著.离天明,谢舜韶译.液态化[Ｍ].北京:科学出版社,1964.3.240-241. [7] 梁在潮.工程湍流[Ｍ].武汉:华中理工大学出版社,1999.(4):254-259. [8] ＪｏｃｈｅｎＳｔＫｏｌｌｂａｃｈ,Ｗ.ＤａｈｍＲ.Ｒａｕｔｅｎｂａｃｈ.ＣｏｎｔｉｎａｏｕｓＣｌｅａｎｉｎｇｏｆＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｒｗｉｔｈＲｅｃｉｒｃａｌａｔｉｎｇＦｌｕｉｄｉｚｅｄＢｅｄ[Ｊ].ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,1987,8(4):26-32. [9] Ｃａｌｄａｓ,ＩＰｈ,Ｄｔｅｓｉｓ,ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｉｎｃｉｎｎａｔｉ,1955. [10] ＬｕｄｏｉｆＰＬＡＳＳｋｒｏｕｄｅｒｇ,ＭｅｔｈｂｏｄｏｆＯｐｅｒａｔｉｎｇａＨｅａｔＥｘ ｃｈａｎｇｅｒＩｐｌ:ＶＳ,3886997[Ｐ].1975-01-03. |
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