超重機(jī)中的氣液直接傳熱性能

李 艷 ，劉有智，于娜娜，王篤政

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原030051）

研究開(kāi)發(fā)

超重機(jī)中的氣液直接傳熱性能

李 艷 ，劉有智，于娜娜，王篤政

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原030051）

采用熱空氣-水體系，在轉(zhuǎn)速為200～1400 r/min、水流量為40～140 L/h、熱空氣范圍為3～15 m3/h的實(shí)驗(yàn)條件下，研究了熱空氣-水在超重機(jī)中的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：總傳熱系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，隨著水流量的增加而增大，但增幅減小，隨著熱空氣流量的增加而增加。對(duì)傳熱單元高度的計(jì)算和分析也驗(yàn)證了傳熱效果的增強(qiáng)。最后推導(dǎo)出傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，且進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，所得關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好。

超重機(jī)；傳熱性能；傳熱系數(shù)；操作參數(shù)；關(guān)聯(lián)式

Abstract：Under the operation condition of rotating speed of 200～1400 r/min，water flow rate of 40～140 L/h，hot air flow rate of 3～15 m3/h，the heat transfer characteristics of high gravity rotary device was studied with the water-hot air system. The experimental results showed that heat transfer coefficient increased with the increase of rotating speed，water flow rate and hot air flow rate，but the slope of increase reduced with the increase of water flow rate. The increase of heat transfer was also proven by calculation and analysis of heat transfer unit height. Finally an empirical correlation of heat transfer coefficient was derived through dimensional analysis. The statistical tests showed that the results predicted by the correlation equation were in good agreement with the experimental data.

Key words：high gravity rotary device；heat transfer characteristics；heat transfer coefficient；operational parameters；correlation

超重力技術(shù)是化工過(guò)程強(qiáng)化的有效方法之一，廣泛應(yīng)用于精餾、分離（除塵、除霧、煙氣中二氧化硫及有害氣體的去除、液-液分離、液-固分離）、吸收（對(duì)天然氣的干燥、脫碳、脫硫以及對(duì)二氧化碳的吸收）、解吸（從受污染的地下水中吹出芳烴）、聚合反應(yīng)、聚合物脫除揮發(fā)物等化工過(guò)程[1-7]。在傳熱方面的研究也同樣引起了人們的廣泛關(guān)注。鄧先和等[8-9]采用噴霧區(qū)分格計(jì)算的方法對(duì)錯(cuò)流結(jié)構(gòu)的多級(jí)霧化旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，得出了傳熱系數(shù)的表達(dá)式；李正林等[10]采用因次分析方法對(duì)定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器傳熱特性進(jìn)行了研究，該反應(yīng)器和普通超重機(jī)比較傳熱面積是固定的，而且研究過(guò)程中熱流體充足供應(yīng)從而簡(jiǎn)化了傳熱；徐春艷等[11-12]用熱電偶和計(jì)算機(jī)結(jié)合研究了液量等操作參量對(duì)旋轉(zhuǎn)床填料內(nèi)徑向溫度分布的影響，但沒(méi)有對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行研究。

本文作者從空氣-水直接接觸傳熱實(shí)驗(yàn)和因次分析法入手，試圖探索普通結(jié)構(gòu)的超重機(jī)的傳熱過(guò)程的規(guī)律，得出傳熱總系數(shù)關(guān)聯(lián)式，為超重力場(chǎng)中的直接接觸式傳熱以及精餾、吸收、反應(yīng)過(guò)程中涉及的傳熱提供理論研究基礎(chǔ)，為超重機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和流程

1.1 超重機(jī)強(qiáng)化傳熱機(jī)理

超重力場(chǎng)的傳熱過(guò)程是在如圖1所示的自制超重機(jī)（超重機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1）內(nèi)冷熱流體間直接接觸完成的，由于高速旋轉(zhuǎn)的填料對(duì)液體有高剪切作用，把液體分割成具有一定線速度的極薄的液膜和細(xì)小的液滴。氣體通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)、彎曲、狹窄多變的、充滿極薄液膜和細(xì)小液滴的填料層中的空隙時(shí)，熱空氣和液體都與填料形成了急速的碰撞接觸，使得熱膜厚度減小，提高了傳熱系數(shù)，使得傳熱、傳質(zhì)過(guò)程得以強(qiáng)化。

圖1 超重機(jī)結(jié)構(gòu)示圖

表1 超重機(jī)傳熱裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 超重機(jī)總傳熱系數(shù)K

對(duì)超重機(jī)空腔區(qū)傳熱系數(shù)進(jìn)行因次分析[13]，見(jiàn)式（1）、式（2）。

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力相同，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)、液體的物性參數(shù)在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)取均值，為了研究方便，可將式（1）、式（2）中有關(guān)數(shù)值用直接測(cè)量的數(shù)值表示，則空腔區(qū)液體傳熱系數(shù)直接表示為式（3）。

式（3）、式（4）中，N為中轉(zhuǎn)速、q為液體流量、G為熱氣體流量。

忽略管內(nèi)外污垢熱阻與管壁熱阻，則總傳熱系數(shù)見(jiàn)式（5）。

即從強(qiáng)化機(jī)理與總傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式推導(dǎo)，可以得出：總傳熱系數(shù)K與氣體流量、液體流量、液體黏度、轉(zhuǎn)速有關(guān)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的直接接觸式傳熱是以空氣與水為基礎(chǔ)研究的，為了向傳統(tǒng)的直接接觸式傳熱理論靠攏，本實(shí)驗(yàn)選取的是熱空氣和冷卻水系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)空氣和水的黏度變化不大，無(wú)液體汽化現(xiàn)象。且根據(jù)理論值估算以及實(shí)驗(yàn)值計(jì)算α0+αi接近于0.6倍的超重力因子，見(jiàn)式（7）。

因此，本實(shí)驗(yàn)的主要影響因素為氣量、液量和轉(zhuǎn)速。

1.3 實(shí)驗(yàn)部分

超重機(jī)的傳熱實(shí)驗(yàn)流程圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)所用的空氣氣流由羅茨風(fēng)機(jī)供給，通過(guò)空氣緩沖罐，為控制氣體的流量，在氣體流量計(jì)之前有一個(gè)控制閥，以此來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量。轉(zhuǎn)子流量計(jì)可以準(zhǔn)確讀出進(jìn)入超重機(jī)的氣體流量。通過(guò)流量計(jì)之后接有一個(gè)電加熱器，氣流在電加熱器內(nèi)被加熱到合適的溫度（溫度由一個(gè)電壓控制器變換電壓控制）。從電加熱器內(nèi)出來(lái)的高溫空氣送入超重機(jī)，在超重機(jī)的氣體進(jìn)口處連接一個(gè)干球溫度計(jì)，可以讀出氣體進(jìn)口溫度。換熱后，氣體由排氣口排出，經(jīng)過(guò)溫度計(jì)和轉(zhuǎn)子流量計(jì)分別測(cè)出氣體出口的溫度與流量。在超重機(jī)進(jìn)風(fēng)前，水通過(guò)離心泵由水槽接入，然后通過(guò)控制閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)，從進(jìn)水管進(jìn)入超重機(jī)。在進(jìn)水口之前也連有一溫度計(jì)以測(cè)量進(jìn)水溫度。在超重機(jī)中氣液經(jīng)過(guò)充分接觸，快速完成氣液傳熱過(guò)程。液體由下部出水口排出，液體出口連有溫度計(jì)測(cè)量出水的溫度。

圖2 超重機(jī)傳熱實(shí)驗(yàn)流程圖

研究過(guò)程中，所有數(shù)據(jù)都采用正交實(shí)驗(yàn)處理，非單因素關(guān)系，液體流量范圍為40～140 L/h，轉(zhuǎn)速范圍為200～1400 r/min；熱氣體流量范圍為3～15 m3/h，空氣的溫度范圍為16～200 ℃，水的溫度范圍在15～60 ℃。

2 結(jié)果與分析

用總傳熱系數(shù)K評(píng)價(jià)傳熱性能，最后用傳熱單元高度來(lái)驗(yàn)證傳熱效果。傳熱單元高度的計(jì)算方法如式（8）。

式中，I1、I2分別為氣體進(jìn)、出超重機(jī)的焓，Is為換熱后對(duì)應(yīng)水溫下飽和濕空氣的焓。

2.1 操作條件對(duì)傳熱的影響

2.1.1 轉(zhuǎn)速對(duì)總傳熱系數(shù)的影響

如圖 3所示，液量不變，氣體進(jìn)口流量為 13 m3/h，隨著轉(zhuǎn)速的升高，總傳熱系數(shù)K緩慢增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：通過(guò)轉(zhuǎn)速的提高調(diào)節(jié)了超重力場(chǎng)的強(qiáng)度，一般用超重力因子來(lái)表征超重力場(chǎng)的強(qiáng)度，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加的時(shí)候，超重力因子增加，超重力場(chǎng)的強(qiáng)度增加，液體分散成更多的小液滴，分布情況得到改善，傳熱面和相界面上液滴增多，相界面更新加快有效地提高和利用了傳熱面積；此外液體不斷被剪切，湍動(dòng)程度加劇，增強(qiáng)了傳熱效果。

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)總傳熱系數(shù)的影響

2.1.2 液量對(duì)總傳熱系數(shù)的影響

如圖 4所示，轉(zhuǎn)速不變，氣體進(jìn)口流量為 14 m3/h，隨著液量的增加，總傳熱系數(shù)K增大，而且從一開(kāi)始的迅速增加到后來(lái)的增速變緩。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在轉(zhuǎn)速相同的情況下，液量大，則液體受剪切分散成的小液滴更多，與相界面換熱面積的增大，提高了傳熱效果。因?yàn)閭鳠岬乃俣群芸欤欢ㄏ嘟缑嫔系臒釟怏w和水的溫度相等時(shí)，熱量交換達(dá)到平衡狀態(tài)，液量的影響變小，這時(shí)傳熱系數(shù)就趨向一個(gè)固定值。

2.1.3 氣量對(duì)總傳熱系數(shù)的影響

圖4 液體流量對(duì)總傳熱系數(shù)的影響

圖5 氣體流量對(duì)總傳熱系數(shù)的影響

如圖 5所示，轉(zhuǎn)速不變，液體進(jìn)口流量為 90 L/h，隨著熱氣體的增加，總傳熱系數(shù) K增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：在轉(zhuǎn)速相同的情況下，熱流率增大，相間換熱的面積增大，給熱增大，湍流程度增大，有效地提高了換熱效果；且液量大，液體受剪切分散成的小液滴更多，提高了傳熱效果。

2.2 傳熱性能的驗(yàn)證

超重機(jī)的傳熱單元高度表達(dá)式見(jiàn)式（1），據(jù)式（1）得到不同操作條件下的等板高度數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速、液體流量對(duì)傳熱單元高度的影響

從圖6得到，固定氣體進(jìn)口流量為13 m3/h，在轉(zhuǎn)速為200～1400 r/min、液體流量范圍為50～150 L/h時(shí)傳熱單元高度在(1.09×10－2)～(3.0×10－1) m之間，較普通傳熱提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)；且隨著轉(zhuǎn)速和液體流量的增加，傳熱單元高度呈單調(diào)下降趨勢(shì)，這兩點(diǎn)充分的驗(yàn)證了超重機(jī)增強(qiáng)了傳熱效果。

2.3 傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

研究結(jié)果顯示，超重機(jī)的總傳熱系數(shù)與轉(zhuǎn)速N、液體流量q、熱氣體流量G成冪指數(shù)關(guān)系。因此可將超重力總傳熱系數(shù)表達(dá)為K=ANaqbGc。應(yīng)用最小二乘法對(duì)式（6）進(jìn)行線性回歸，并通過(guò)試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)求解系數(shù)后得到超重機(jī)總傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式如式（9）。

根據(jù)線性回歸的結(jié)果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明：在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，計(jì)算值K′與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值K的偏差在±15%以內(nèi)，關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好（圖7）。

圖7 總傳熱系數(shù)擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線

實(shí)驗(yàn)誤差分析原因：①忽略實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)水和空氣的黏度變化的影響，這種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的誤差；②實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)熱損失的考慮不夠詳細(xì)，也存在一定的誤差；③實(shí)驗(yàn)儀器誤差，如液體流量計(jì)產(chǎn)生誤差、熱電阻測(cè)量及儀表顯示誤差。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論，對(duì)超重機(jī)傳熱特性研究得出如下結(jié)論。

（1）液量不變，隨著轉(zhuǎn)速的升高，總傳熱系數(shù)K緩慢增大。轉(zhuǎn)速不變，隨著液量的增加， K增大。轉(zhuǎn)速不變，隨著熱氣體的增加，K增大。

（2）在轉(zhuǎn)速為200～1400 r/min、液體流量范圍為50～150 L/h時(shí)傳熱單元高度較普通傳熱提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)；且隨著轉(zhuǎn)速和液體流量的增加，傳熱單元高度呈線性下降趨勢(shì)，這兩點(diǎn)充分驗(yàn)證了超重機(jī)增強(qiáng)了傳熱效果。

（3）得出基于實(shí)驗(yàn)的超重機(jī)的總傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式K=5.76×10－3N0.3754q0.7453G1.2917，經(jīng)統(tǒng)計(jì)方法驗(yàn)證，此關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好，為超重機(jī)的后續(xù)研究提供傳熱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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Gas-liquid heat transfer characteristics of high gravity rotary device

LI Yan，LIU Youzhi，YU Nana，WANG Duzheng
（School of Chemical Engineering and Environment，Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

TQ 021.3；TQ 051

A

1000–6613（2011）04–0729–05

2010-09-26；修改稿日期：2010-11-09。

及聯(lián)系人：李艷（1978—），女，講師，研究方向?yàn)槌亓?chǎng)中的傳熱。E-mail 48228656@qq.com。