汽-液-固循環(huán)流化床蒸發(fā)器熱效率的實(shí)驗(yàn)研究

賈文婷，姜 峰*，齊國鵬，王兵兵，李修倫

（1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2.天津職業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，天津 300410）

多相流節(jié)能防垢技術(shù)具有良好的在線強(qiáng)化傳熱和防垢性能［1-3］，應(yīng)用前景廣闊，因此，引起了國內(nèi)外學(xué)者廣泛的研究興趣［4-13］。在該技術(shù)的研究中，確定適宜的惰性顆粒參數(shù)非常重要；而這一參數(shù)的確定，則需要根據(jù)設(shè)備傳熱情況來確定。關(guān)于多相流強(qiáng)化傳熱雖已有研究者進(jìn)行了初步的探索［14-16］，但其研究多在單管條件下進(jìn)行，多為傳熱模型的建立與傳熱系數(shù)的計(jì)算，定性的研究了一定操作條件下的平均傳熱系數(shù)，但對蒸發(fā)器熱效率的研究甚少，沒有考察這類多相流蒸發(fā)器的經(jīng)濟(jì)性。鑒于上述原因，本研究建立了一套熱模透明多管循環(huán)流化床蒸發(fā)器，在強(qiáng)制循環(huán)的條件下研究蒸發(fā)器中熱效率的變化規(guī)律，充分考察液體循環(huán)流量、熱通量和顆粒加入量、顆粒性質(zhì)等參數(shù)的影響，為多相流化床蒸發(fā)器傳熱狀況的進(jìn)一步研究及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)裝置為熱模透明多管循環(huán)流化床蒸發(fā)器，如圖1所示。加熱室由上、下管箱及5根呈“1”字形排列的透明鍍膜加熱管構(gòu)成。鍍膜管材質(zhì)為硬質(zhì)玻璃，管長1.1 m，管徑為Φ45×3 mm。

圖1 汽-液-固三相循環(huán)流化床蒸發(fā)器流程圖Fig.1 Flowchart of vapor-liquid-solid three-phase circu lating fluid bed evaporator

向蒸發(fā)裝置中加入液體工質(zhì)至指定液位，然后加入一定量的固體顆粒。開啟鍍膜加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)，逐漸增大加熱功率，待液體溫度達(dá)到沸點(diǎn)左右時(shí)，打開冷卻水開關(guān)，開啟循環(huán)泵。調(diào)節(jié)加熱功率和泵轉(zhuǎn)速。待穩(wěn)定后，利用CCD圖像測量和處理系統(tǒng)獲取加熱管束內(nèi)顆粒的運(yùn)動與分布情況，在線采集溫度、壓力和循環(huán)流量等數(shù)據(jù)，同時(shí)用容積法測量相應(yīng)條件下冷凝水的生成量。汽、液、固三相進(jìn)入分離器后，汽相與液、固兩相分離，進(jìn)入冷凝器被冷凝、收集和計(jì)量，適時(shí)由離心泵和高位槽補(bǔ)充回系統(tǒng)，液、固兩相則循環(huán)回至加熱室。

1.2 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)

液相工質(zhì)為自來水，固體顆粒的種類和相關(guān)物性如表1所示。固體顆粒加入的體積分率φ分別為1%、2%、3%、4%（以加入固體顆粒的堆體積占系統(tǒng)內(nèi)所加液、固工質(zhì)總體積的百分比來計(jì)算）。

1.3 參數(shù)測量及數(shù)據(jù)處理方法

循環(huán)泵為管道排污泵，型號為GW80-40-7，無級變頻調(diào)節(jié)流量；液體循環(huán)流量采用電磁流量計(jì)測量，型號為 LDG-D80，量程為 0～80 m3/h，精度為0.5級。各鍍膜管均勻加熱，溫度和加熱功率及泵功率等數(shù)據(jù)采用“組態(tài)王”軟件在線采集。

表1 固體顆粒種類及性質(zhì)Tab le 1 Types and p roperties of solid par ticles

由于蒸汽冷凝液流量較小，因此可以采用容積法便可以測量，即用秒表測量一定時(shí)間內(nèi)冷凝液的體積，用量筒進(jìn)行測量，然后計(jì)算冷凝液的質(zhì)量流量（Wg）。

熱效率根據(jù)冷凝液流量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)加熱管進(jìn)、出口處混合料液的溫度和冷凝液的流量分別計(jì)算出料液入口溫度升至泡點(diǎn)所吸收的顯熱及混合料液沸騰所吸收的汽化潛熱。熱效率η計(jì)算公式為：

其中：Qg為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽所需的加熱功率，kW；Q1為單位時(shí)間進(jìn)入加熱管的流體至沸騰溫度所需的功率，kW；Q總為蒸發(fā)器加熱功率，kW；Wg為產(chǎn)生蒸汽的質(zhì)量流量，kg·s-1；r為料液在沸騰溫度下的汽化潛熱，kJ·kg-1；Cp為料液的平均定壓比熱容，kJ·kg-1·℃-1；W1為料液的質(zhì)量流量，kg·s-1；Tl，T2為加熱管進(jìn)出口溫度，℃；U、I為加在鍍膜管的電壓和電流；由于加熱管進(jìn)、出口溫差很小，即Q1很小，熱效率主要取決于Qg。

2 結(jié)果與討論

2.1 液體循環(huán)流量對熱效率的影響

如圖2所示，循環(huán)流量增加，蒸發(fā)器的熱效率增大。表明循環(huán)流量越大，熱量的利用率越高。

循環(huán)流量增加，一方面，設(shè)備內(nèi)湍動程度增大，加熱管束中的顆粒逐漸實(shí)現(xiàn)流態(tài)化，加強(qiáng)了對管壁面流動邊界層的破壞，有利于液體對流傳熱；另一方面，管束中固體顆粒的分布逐漸趨向均勻，每根管的固含率都增大，固體粒子與管壁的接觸機(jī)率增多，與傳熱壁面碰撞的頻率和動量增大，進(jìn)一步增強(qiáng)了沸騰傳熱，使得水分蒸發(fā)量增加，提高了熱效率。

圖2 液體循環(huán)流量對熱效率的影響Fig.2 Effect of circu lating flowrate on thermal efficiency

2.2 熱通量對熱效率的影響

如圖3所示，流化床蒸發(fā)器的熱效率隨著熱通量的增加而增大，而且增加的幅度非常明顯。

圖3 熱通量對熱效率的影響Fig.3 Effect of heating flux on thermal efficiency

熱通量增加，則熱流密度升高，壁面過熱度增大，汽泡生成頻率增加，同時(shí)單位面積上的汽化核心數(shù)也增加，泡核沸騰傳熱得到了強(qiáng)化。汽相含率及其擾動程度的增加還使得固體粒子與壁面間的碰撞頻率及強(qiáng)度增大，降低了傳熱及流動邊界層的厚度，強(qiáng)化了對流傳熱；而且顆粒與壁面間的碰撞頻率及強(qiáng)度增大，進(jìn)一步強(qiáng)化了粒子與壁面間的傳熱。這些強(qiáng)化作用使得蒸汽的產(chǎn)生量增多，熱量的利用率提高。

2.3 顆粒加入量對熱效率的影響

由圖4可見，隨著顆粒加入量的增加，熱效率增大，但增大趨勢逐漸變緩。

顆粒加入量增加，加熱管束內(nèi)固含率增大，使得顆粒與壁面碰撞時(shí)的接觸面積和總停留時(shí)間增

圖4 顆粒加入量對熱效率的影響Fig.4 E ffect of additive particle amount on thermal efficiency

加，一方面為泡核沸騰提供了更多的汽化核心，另一方面使壁面上形成的汽泡躍離周期變短，強(qiáng)化了泡核沸騰傳熱。顆粒加入量增加，單位時(shí)間內(nèi)與壁面碰撞的顆粒數(shù)增加，由壁面?zhèn)鬟f給固體顆粒的熱量增加，強(qiáng)化了固體顆粒與壁面間的傳熱。此外，顆粒加入量增加，其不規(guī)則的雜亂運(yùn)動引起的湍動程度增大，減小了流動與傳熱邊界層的厚度，使強(qiáng)制對流傳熱增加，這些綜合作用使傳熱效果強(qiáng)化，水分蒸發(fā)量增大，提高了熱效率。

但是顆粒的加入量并不是越多越好，當(dāng)顆粒加入量增加到一定程度時(shí)，繼續(xù)增大顆粒加入量，傳熱效率的增大幅度很小，反而使流動阻力增大，增加了能耗。

2.4 顆粒性質(zhì)對熱效率的影響

顆粒性質(zhì)對熱效率的影響如圖5所示。如圖5a），在固含率和循環(huán)流量一定時(shí)，隨熱通量的增加，3種顆粒的熱效率均增大，加入PA6顆粒時(shí)，熱效率最高，加入聚甲醛時(shí)熱效率最低。原因是PA6和PA66的圓柱形狀與壁面的接觸面積及對邊界層的破壞程度都要大于聚甲醛的球形顆粒；其次PA6的導(dǎo)熱系數(shù)較大，有利于增加顆粒表面汽化核心；最后，PA6的密度大于其他兩種顆粒，在實(shí)驗(yàn)中撞擊管內(nèi)壁的力度強(qiáng)于其他顆粒，對邊界層的破壞程度更大。這些因素都有利于強(qiáng)化傳熱，增加蒸汽的產(chǎn)生量。

雖然PA6的導(dǎo)熱系數(shù)比其它2種顆粒大得多，但是熱效率與PA66相比只提高2%左右，其原因可能是：一方面，PA6的密度較大，相同循環(huán)流量下流化程度沒有其他兩種顆粒好；另一方面，PA6的表面潤濕性能較好，會減少顆粒表面汽化核心。

圖5b）顯示了相同操作條件時(shí)3種顆粒的熱效率隨循環(huán)流量的變化規(guī)律。在循環(huán)流量較低時(shí)，PA6的傳熱效率甚至低于聚甲醛，這是因?yàn)镻A6密度較大，實(shí)驗(yàn)中從透明管束觀察到循環(huán)流量低于16 m3·h-1時(shí)，PA6很難流化，在循環(huán)流量大于16 m3·h-1，PA6逐漸開始流化，熱效率最高。

圖5 顆粒性質(zhì)對熱效率的影響Fig.5 E ffect of particle p roperties on thermal efficiency

2.5 泵功率隨顆粒加入量的變化

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為強(qiáng)制循環(huán)，循環(huán)泵消耗的功率也是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能耗的一個(gè)重要方面。圖6為顆粒完全流化的2個(gè)循環(huán)流量下泵消耗功率隨顆粒加入量的變化關(guān)系，由于顆粒加入量是成倍增加的，泵消耗功率增加幅度并不大。

3 結(jié)論

1）隨著液體循環(huán)流量和熱通量的增加，蒸發(fā)器的熱效率增大。隨著顆粒加入量的增加，熱效率增大，當(dāng)顆粒加入量在3%時(shí)繼續(xù)增加，對熱效率的影響很小。在保證完全流化的狀態(tài)下，顆粒密度和傳熱系數(shù)越大，熱效率越高。

2）循環(huán)泵消耗的功率隨顆粒加入量的增加而增大，但是增加幅度不大。

對蒸發(fā)器熱效率與管束內(nèi)顆粒分布的內(nèi)在聯(lián)系，將進(jìn)一步開展系統(tǒng)的研究，以在能耗小、經(jīng)濟(jì)性好的條件下獲得更高的熱效率。

圖6 泵功率隨固體顆粒加入量的變化Fig.6 E ffect of additive particle amount on power consump tion of circulating pump

符號說明：

N-泵功率，kW；

Q-循環(huán)流量，m3·h-1；

q-熱通量，kW·m-2；

η-熱效率；

φ-顆粒加入體積分率。

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