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循环流态化自动清洗式换热器的传热强化点击：1735 日期：[ 2014-04-26 22:21:48 ] |
| 循环流态化自动清洗式换热器的传热强化 1俞天兰 1.2 刘桂英 3李桂芳 3任卫红 (1．湖南工业大学清洗研究所，湖南株洲412008；2．长沙理工大学机械工程学院。湖南长沙410076；3．长沙华海节能装备公司，湖南长沙 410000) 摘要：液一固流态化传热强化的机理尚未完全清楚，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一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Dp 2ram(8目)左右为好；粒子体积分数以2．4 比较好；流速在0．2～ 0．28 m／s(Re为6 000～ 9 ooo)较好。虽然粒子体积分数低，但是在优化条件下的流态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；粒子体积分数；粒子粒度；流速最佳化 中图分类号：TK124 文献标识码：A 0 引 言 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，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、4．9、8．7、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 ’。 管程液一固内循环流态化换热器技术，列为国家科委九五重点推广计划项目，不仅自动清洗除垢防垢、节能节水效果显著 ，而且与外循环流态化相比具有较多优越性：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，本文研究流态化换热器的传热强化的运行参数优化问题。 1 对流传热的流态化强化 流态化沙粒向上运动的过程中沙粒并不是简单地沿轴向做直线运动，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。在无污垢的传热管内，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够充分的，其认识也尚未清楚和统一。粗略的解释[s。 比较多的倾向于湍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，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，使截面的平均温度t 提高了，因此管内传热膜系数q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 4O mm×4mm×2 000 mm的不锈钢管，通冷却水，阀门4调节流速，管内为流态化的沙粒。LZB一50玻璃转子流量计测量其流速，流量计采用时间一体积法进行标定修正。管内的流态化沙粒随着水向上运动，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度分刻的玻璃管精密温度计。管外蒸汽夹套加热，夹套高度500 mm。传热热量采用管内冷却水得到的热量计算。流态化粒子的体积分数是采用测量回沙管的回沙体积流量，再考虑传热管内冷却水的流量计算得到。在流量调节稳定5 rain后测量数据。 传热系数与传热管内的流速、或尺e之间的关系已经有许多研究，得到的曲线或计算式也多，但是相互之间的差别大，有的甚至可以达到倍数[8]。其主要原因可能在于粒子体积分数、粒子的性质。为此，在本次试验研究中，采用同样的沙子，在不同体积分数(2．4％、1．2 )和不同的粒度(6目(约4 mm)粗沙、8目(约2 mm)中沙、和12目(约1 mm))细沙的条件下进行传热系数的试验测定。 3.粒子大小的影响 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Caldas的博士论文[g]，冷却水中Dp0．68、0．50、0．29和0．22 mm 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数愈高。德国人Kronberg在1972年的卧式换热器管内试验中，采用Dpl2、25、40、70和120 m 的五种粒子，得到类似的结果[1 。但是，1987年Kollbach和Rautenbachd的试验结果不同，却是Dp2．2mm 的粒子比Dp1．95mm 的更好[8_。应该说，文献[9—10]的试验粒子是1 mm以下的细粒子，其粒度范围不够宽，尤其在传热强化机理尚未完全清楚时将试验结果推广到更大的粒子范围，因而未必正确。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，同样难以肯定得出正确的结论。并且，上述文献的试验粒子对于流态化清洗污垢的要求来说太细，工程意义不大。 为此，进行同样材质、相同体积分数(2．4 )、不同粒度的流态化传热系数试验，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2 mm沙粒表现出较好的传热特性，比4和1 mm 的都要好，相比之下大颗粒的沙粒效果比较差，1 mm 的居中。这是因为在同样的体积分数下，流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。虽然在同样的体积分数下，Dplmm的粒子数比Dp2mm增加7倍，但是细粒子的跟随性很好，几乎不再有边界层粒子富集作用，加上单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.粒子体积分数的影响 文献[8]介绍了水平管内Dpl2～120 m五种粒度、1．5～3．0 m／s四种不同流速条件下流态化粒子体积分数对传热强化的影响曲线，粒子体积分数在0 9／6～ 39 9，6的宽广范围进行试验。所有曲线一致表明，在粒子体积分数分别低于2．5～ 6％ 时，传热系数随粒度体积分数增大而增大，然后逐步下降。由于流态化粒子体积分数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体积分数。此外，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分数比中心区高。这种边界层富集现象非常有利于低体积分数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，虽然粒子体积分数低，但是对提高管内侧的传热膜系数的作用却很显著。这种低体积分数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，本文在优选Dp2mm 中等沙粒的基础上，进行2．5 o／；以下的低体积分数对比试验。图3的传热系数曲线比较表明，体积分数2．4 时显著高低于体积分数为1．2 时。其理显然，在于体积分数高时，流态化粒子对热边界层的扰动频数比的体积分数时要高。 5 流速(R )的影响 在文献[8]列举的11个流态化传热学计算式中，只有1959年Ruckenstein和Shorr的计算式是Nu 正比于Re负次幂，其余均是正比于Re正次幂。但是文献[8—10]的试验曲线却都表明，流速(Re)超过一定值以后，传热系数反而下降。不过，文献[8]既没有表明粒子体积分数条件，粒度和密度又不相同；虽然文献[10]表明了粒度体积分数相同的条件，但是在低体积分数时彼此难以区分，并且试验条件是水平传热管、1．5～ 3．0 m／s的高流速(Re一88 000～ 166 000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，作者进行流态化清洗防垢适宜的粒度、低体积分数、立式传热管的试验测定。如图2、3所示，除了粒子粒径2mm 的外，结果也是流速(Re)超过一定值以后，传热系数反而下降。因此，对于运行优化来说是可以肯定是：在较低流速(Re)下运行最好；并且传热系数可以比无粒子时提高一倍左右。 但是，对于流速(Re)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以上，系统中的颗粒体积分数过低，以致不能破坏流态化床壁的液膜。这一解释不好理解，也与作者粒子体积分数不变的试验条件相抵触。 6 阻 力 大型试验台架由33根 38 mm × 3 mm ×4 000 mm的传热管组成。进口底室直径370 mm，高280 mm，出口室直径370 mm，高260 mm。系统加入的沙子量为0．051 m。，大部分沙子集中在进口底室和出口室内。传热管内的沙子体积分数远低于系统平均值，具体数值因缺少仪器没有测量。设备的总阻力是11．52 kPa，传热管长1 500 mm的两测点之间的阻力在110 Pa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 语 1)从传热强化角度优化，流态化清洗式换热器运行的最佳参数是：在0．3 m／s以下的低流速(Re< 10 ooo)、粒度以8目(Dp2mm)、体积分数为2．4 左右。 2)流态化清洗式换热器在优化参数下运行时，水一沙流态化的传热系数可以比无沙子时提高了一倍左右，阻力又很低，是一种很有效的传热强化方法。 |
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