水平液固循環(huán)流化床換熱器傳熱性能評(píng)價(jià)

劉燕，張英迪，裴程林，王智，張偉

（1河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2河北工業(yè)大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

研究開(kāi)發(fā)

水平液固循環(huán)流化床換熱器傳熱性能評(píng)價(jià)

劉燕1，2，張英迪1，裴程林1，王智1，張偉2

（1河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2河北工業(yè)大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

對(duì)管內(nèi)插入Kenics靜態(tài)混合器的水平液固循環(huán)流化床換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)考察了靜態(tài)混合器扭率、靜態(tài)混合器安裝方式、液體流速、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)傳熱性能和流阻性能的影響，并運(yùn)用綜合強(qiáng)化傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)（PEC）對(duì)其進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳熱性能和阻力系數(shù)均隨扭率增加而減小。當(dāng)雷諾數(shù)在10000～45000之間時(shí)，扭率為1.5、2、2.5、3.5的Kenics靜態(tài)混合器的PEC指標(biāo)均大于1，說(shuō)明了水平流化床換熱器插入Kenics靜態(tài)混合器能夠改善傳熱。在雷諾數(shù)達(dá)到25000左右、Kenics靜態(tài)混合器扭率為2.5、顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，水平流化床換熱器的PEC指標(biāo)最高達(dá)到1.18。當(dāng)兩個(gè)扭率均為2.5的Kenics靜態(tài)混合器安裝間距為200mm時(shí)，水平流化床換熱器的PEC指標(biāo)最高。

Kenics靜態(tài)混合器；水平液固循環(huán)流化床；多相流；強(qiáng)化傳熱；性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

在化工生產(chǎn)領(lǐng)域中，由于壁面污垢的存在造成換熱設(shè)備傳熱效率低下的現(xiàn)象非常普遍，需要利用有效的強(qiáng)化傳熱技術(shù)［1］來(lái)提高傳熱效果。研究者利用多相流化床技術(shù)來(lái)解決換熱器防、除垢問(wèn)題，開(kāi)發(fā)的循環(huán)流化床能達(dá)到在線清理污垢、傳熱系數(shù)高的特點(diǎn)。目前，循環(huán)流化床的研究主要集中在垂直管流化床的研究中，李修倫等［2-4］在垂直管流動(dòng)系統(tǒng)中加入惰性顆粒，對(duì)惰性顆粒的強(qiáng)化傳熱及防污除垢效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明由于惰性顆粒的加入使傳熱系數(shù)提高了2～3倍。近年來(lái)，研究者提出在水平管內(nèi)加入固體顆粒來(lái)達(dá)到提高傳熱效果的目的，張恒等［5-6］提出對(duì)管內(nèi)加入惰性顆粒來(lái)防止污垢形成，并在水平液固循環(huán)流化床進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于固體顆粒的加入，傳熱系數(shù)得到提高。在水平液固循環(huán)流化床中，由于固體顆粒重力作用，會(huì)造成水平管內(nèi)顆粒分布不均勻的問(wèn)題，為解決這一問(wèn)題，張少峰等［7-8］在水平液固裝置中加入起旋器，并利用CCD圖像測(cè)量與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，研究了起旋器在水平液固循環(huán)流化床中的作用，對(duì)起旋器的參數(shù)和安裝位置、流體流速對(duì)水平流化床內(nèi)顆粒分布的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：安裝局部起旋器后，顆粒沉積現(xiàn)象得到改善。張麗梅等［9］利用Star-ccm+計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)管內(nèi)插入Kenics靜態(tài)混合器的水平液固循環(huán)流化床的顆粒分布情況進(jìn)行了模擬研究，研究發(fā)現(xiàn)管內(nèi)插入Kenics靜態(tài)混合器能夠有效地改善顆粒的分布情況。劉燕等［10］在水平液固循環(huán)流化床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，考察了管內(nèi)插入Kenics靜態(tài)混合器后，靜態(tài)混合器扭率和顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)管內(nèi)壓降的影響。目前的研究主要考察傳熱系數(shù)、阻力性能等方面，而換熱管傳熱強(qiáng)化的同時(shí)，管內(nèi)的流動(dòng)阻力也顯著增加，綜合評(píng)價(jià)水平管液固循環(huán)流化床換熱器的傳熱性能更具有工程意義。

本文主要是對(duì)管內(nèi)插入Kenics靜態(tài)混合器的水平液固循環(huán)流化床系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，考察不同扭率的Kenics靜態(tài)混合器和不同固體顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)阻力性能和傳熱性能的影響，并利用綜合強(qiáng)化傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)PEC對(duì)水平管內(nèi)插入Kenics靜態(tài)混合器的傳熱性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為水平液固循環(huán)流化床換熱器的深入研究和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)流程

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)裝置由測(cè)試管、Kenics靜態(tài)混合器、電加熱系統(tǒng)、液固分離器、儲(chǔ)液罐、離心泵、流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。料液由儲(chǔ)液罐通過(guò)離心泵輸送至測(cè)試管，在測(cè)試管內(nèi)的液體通過(guò)電加熱系統(tǒng)加熱后，經(jīng)過(guò)液固分離器料液重新回到儲(chǔ)液罐參與循環(huán)。

圖1　實(shí)驗(yàn)流程示意圖

實(shí)驗(yàn)中采用電加熱帶對(duì)測(cè)試管進(jìn)行加熱，溫度通過(guò)Pt100熱電阻測(cè)量并實(shí)時(shí)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，實(shí)驗(yàn)整套裝置都包有保溫棉，熱損失忽略不計(jì)。料液的流量通過(guò)智能渦輪流量計(jì)測(cè)量，通過(guò)閥門調(diào)節(jié)大小，壓降采用U形壓差計(jì)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)固定的時(shí)間間隔（10min）測(cè)定測(cè)試管出口處顆粒體積分?jǐn)?shù)V來(lái)判斷工況是否達(dá)到穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定后的顆粒體積分?jǐn)?shù)測(cè)量誤差在0.2%以內(nèi)。

1.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖2　Kenics靜態(tài)混合器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的Kenics靜態(tài)混合器如圖2所示，其扭率Y為長(zhǎng)徑比，扭率分別為1.5、2、2.5、3.5，兩端打有圓孔用來(lái)在管內(nèi)的固定，Kenics靜態(tài)混合器材質(zhì)為碳鋼，厚度為2mm，寬度為24mm。測(cè)試管管內(nèi)徑為27mm，長(zhǎng)度為2m，在測(cè)試管中間處安裝Kenics靜態(tài)混合器，測(cè)試管外電加熱系統(tǒng)通過(guò)變壓器采用恒熱通量加熱，加熱熱通量為3500W/m2。實(shí)驗(yàn)中采用的固體顆粒材質(zhì)為工程塑料，形狀為圓柱形，尺寸為φ3mm×3mm密度為1100kg/m3，水平管內(nèi)加入固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%。

1.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要參數(shù)為：流體溫度T，傳熱量q，加熱系統(tǒng)的電壓U和電流I，測(cè)試管的外壁溫Tf和內(nèi)壁溫Tw，測(cè)試管的膜傳熱系數(shù)α，其參數(shù)的測(cè)定與計(jì)算與文獻(xiàn)［11］相同。

努塞爾數(shù)Nu表示對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)，按公式（1）計(jì)算。

式中，l為傳熱表面的特征尺寸，在水平管內(nèi)為管的直徑，m；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.6W/（m·℃）。

阻力系數(shù)f利用壓降由式（2）計(jì)算得來(lái)。

式中，L與D分別為水平管的長(zhǎng)度和直徑，m。

綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)采用PEC指標(biāo)［12］，為式（3）。

當(dāng)PEC指標(biāo)大于1時(shí)，說(shuō)明在相同條件下，強(qiáng)化管的綜合性能高于普通管。式中，Nu和Nu0分別為強(qiáng)化管努塞爾數(shù)和未強(qiáng)化管努塞爾數(shù)；f和f0分別為強(qiáng)化管的阻力系數(shù)和未強(qiáng)化管阻力系數(shù)。

1.4實(shí)驗(yàn)誤差分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，并利用二次方公式進(jìn)行誤差傳遞計(jì)算［13］，公式中Xj是函數(shù)y中相互獨(dú)立的變量。實(shí)驗(yàn)誤差如表1所示，實(shí)驗(yàn)參數(shù)誤差利用式（4）計(jì)算得出，如表2所示。

表1　實(shí)驗(yàn)儀器誤差

表2　實(shí)驗(yàn)參數(shù)誤差

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1傳熱性能考察

實(shí)驗(yàn)考察了不同扭率的Kenics靜態(tài)混合器對(duì)水平液固循環(huán)流化床傳熱性能的影響，圖3是在固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，考察安裝不同扭率的Kenics靜態(tài)混合器和未安裝Kenics靜態(tài)混合器對(duì)水平液固循環(huán)流化床的努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律。從圖3中可以看出，所有情況下隨著雷諾數(shù)提高，努塞爾數(shù)也提高。安裝Kenics靜態(tài)混合器后，較未安裝Kenics靜態(tài)混合器換熱管的努塞爾數(shù)提高了30%左右，最大努塞爾數(shù)達(dá)到了141。主要原因是水平液固循環(huán)流化床中，由于固體顆粒受到重力作用，在管路運(yùn)行一段距離后，產(chǎn)生了沉降，顆粒分布嚴(yán)重不均勻。在安裝了Kenics靜態(tài)混合器后，流體被分割與匯合，并作旋流運(yùn)動(dòng)，顆粒隨液體一起旋流運(yùn)動(dòng)，明顯消除了顆粒沉積的現(xiàn)象，部分顆粒隨液體的旋流運(yùn)動(dòng)使顆粒與壁面發(fā)生碰撞與摩擦，能夠破壞邊界層提高傳熱系數(shù)，并且對(duì)管壁污垢的形成有一定阻止作用，提高了管路的傳熱性能。從圖3中可以看出，在相同雷諾數(shù)下，努塞爾數(shù)隨著扭率的增大而減小，因?yàn)榕ぢ市〉腒enics靜態(tài)混合器在相對(duì)更短的距離內(nèi)扭轉(zhuǎn)180°，其對(duì)流體產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形更劇烈，顆粒隨液體在水平管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，由于顆粒隨液體更強(qiáng)烈的螺旋運(yùn)動(dòng)，顆粒與壁面的碰撞次數(shù)增多了，能夠?qū)吔鐚釉斐善茐?，使傳熱效果更好?/p>

圖3 扭率對(duì)傳熱性能的影響

圖4為固體顆粒體積分?jǐn)?shù)不同對(duì)水平液固循環(huán)流化床傳熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)在扭率為Y=1.5的情況下，對(duì)固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%進(jìn)行考察。從圖4可以看出，在相同雷諾數(shù)下，隨著固體顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，顆粒在水平管內(nèi)循環(huán)數(shù)量增多，顆粒與測(cè)試管內(nèi)壁碰撞的概率更大，顆粒與壁面的更多接觸，能夠更頻繁的減薄和破壞邊界層，提高傳熱性能。

圖4　顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)傳熱性能的影響

2.2流阻性能考察

由于安裝Kenics靜態(tài)混合器，雖然能夠改善固體顆粒分布的問(wèn)題，但是同時(shí)也增加了換熱管內(nèi)阻力，壓降的增大要求著更高的泵功率的消耗。圖5為不同扭率的Kenics靜態(tài)混合器對(duì)阻力系數(shù)的影響（固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%）。根據(jù)阻力系數(shù)的計(jì)算公式，可以通過(guò)測(cè)量壓降的變化計(jì)算出管路阻力系數(shù)的變化趨勢(shì)。從圖5中可以看出，安裝Kenics靜態(tài)混合器后，管內(nèi)的阻力系數(shù)均比未安裝前要大。在安裝Kenics靜態(tài)混合器后，管路內(nèi)流通面積變小，管內(nèi)流體局部阻塞造成了壓降提高。在扭率Y=1.5的情況下，壓降的增加最大，因?yàn)榕ぢ蔣=1.5時(shí)，流體在管內(nèi)最短的距離扭轉(zhuǎn)變形最劇烈，形成的螺旋流更強(qiáng)烈，與壁面摩擦阻力更大。

圖6為不同固體顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)阻力系數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)在扭率為Y=1.5的情況下，對(duì)固體顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%進(jìn)行考察。從圖6中可以看出，隨著固體顆粒含量的增多，顆粒數(shù)量的增多，使顆粒與壁面的摩擦更頻繁，造成阻力系數(shù)增大。

圖5　扭率對(duì)阻力系數(shù)的影響

圖6　固體顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)阻力系數(shù)的影響

2.3綜合強(qiáng)化傳熱性能評(píng)價(jià)

由于在水平管內(nèi)加入Kenics靜態(tài)混合器與固體顆粒會(huì)消耗泵的額外功率，需要利用綜合強(qiáng)化傳熱性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)傳熱性能。圖7為不同扭率對(duì)綜合強(qiáng)化傳熱性能指標(biāo)的影響，從圖7中可以看出，在雷諾數(shù)未達(dá)到25000左右時(shí)，所有扭率的綜合強(qiáng)化傳熱指標(biāo)均隨雷諾數(shù)增加而增加，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到25000左右時(shí)，扭率Y=2.5（顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%）的綜合強(qiáng)化傳熱指標(biāo)達(dá)到最大值1.18，說(shuō)明在扭率Y=2.5、顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%的情況下提高傳熱性能最明顯。隨著雷諾數(shù)的增加，所有扭率的綜合強(qiáng)化傳熱性能指標(biāo)下降。圖7中Y=2.5的PEC指標(biāo)最高，主要是因?yàn)閅=2.5的靜態(tài)混合器提升了相對(duì)較高的傳熱系數(shù)，卻帶來(lái)相對(duì)較低的阻力壓降，而Y=2的靜態(tài)混合器傳熱系數(shù)雖然提高的比Y=2.5的靜態(tài)混合器傳熱系數(shù)明顯，但其產(chǎn)生的阻力壓降也十分明顯，因此Y=2的PEC值較小。根據(jù)文獻(xiàn)［14］可知隨著雷諾數(shù)的增加，顆粒在管內(nèi)的分布均勻長(zhǎng)度變長(zhǎng)，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到25000左右時(shí)，就能夠達(dá)到在2m長(zhǎng)的管內(nèi)實(shí)現(xiàn)顆粒分布均勻，在雷諾數(shù)25000以后，隨著流速的增加對(duì)管內(nèi)顆粒分布情況影響不大，卻帶來(lái)了更大的阻力壓降。圖8為顆粒體積分?jǐn)?shù)不同對(duì)綜合強(qiáng)化傳熱性能指標(biāo)的影響。從圖8中可以看出，隨著顆粒含量的增加，綜合強(qiáng)化傳熱性能指標(biāo)增加。

2.4兩個(gè)Kenics靜態(tài)混合器的綜合性能考察

根據(jù)圖7所考察的不同扭率的Kenics靜態(tài)混合器對(duì)水平液固循環(huán)流化床換熱器的影響可以看出，在雷諾數(shù)25000左右、扭率Y=2.5、顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，其綜合傳熱性能最好。為了考察安裝兩個(gè)Kenics靜態(tài)混合對(duì)綜合傳熱性能的影響，對(duì)安裝不同間距的兩個(gè)Kenics靜態(tài)混合器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考察，考察間距分別為0、100mm、200mm、300mm，實(shí)驗(yàn)條件為雷諾數(shù)為25000左右，扭率Y=2.5，顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%。從圖9中可以看出，當(dāng)2個(gè)Kenics靜態(tài)混合器間距為0時(shí)，其PEC指數(shù)最低，當(dāng)間距為200mm時(shí)，其PEC指數(shù)達(dá)到最大值1.06。主要原因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)Kenics靜態(tài)混合器之間間距過(guò)大時(shí)，其阻力雖然變小，但是流體受到第一Kenics靜態(tài)混合器的影響所產(chǎn)生的螺旋流，在到達(dá)第二靜態(tài)混合器之前已經(jīng)衰減完全。當(dāng)兩個(gè)Kenics靜態(tài)混合器之間間距過(guò)小時(shí)，其形體阻力明顯增大，阻力系數(shù)增加，Kenics靜態(tài)混合器對(duì)流體產(chǎn)生的螺旋運(yùn)動(dòng)沒(méi)有衰減完全便進(jìn)入到下一個(gè)靜態(tài)混合器，沒(méi)有充分利用好靜態(tài)混合器所產(chǎn)生的自旋運(yùn)動(dòng)。

圖7　扭率對(duì)綜合強(qiáng)化傳熱性能指標(biāo)的影響

圖8　顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)綜合強(qiáng)化傳熱性能指標(biāo)的影響

圖9　間距對(duì)PEC指數(shù)的影響

3　結(jié) 論

（1）水平液固循環(huán)流化床內(nèi)安裝不同扭率的Kenics靜態(tài)混合器后，管內(nèi)的努賽爾數(shù)均得到了不同程度的提高，在考察的4個(gè)不同扭率中，扭率越小其提高的努塞爾數(shù)幅度越大，提高幅度在30%左右。在相同扭率下，固體顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)提高努塞爾數(shù)。

（2）安裝Kenics靜態(tài)混合器后管內(nèi)阻力系數(shù)明顯增加，相同情況下，扭率越小的靜態(tài)混合器，會(huì)帶來(lái)更大的阻力壓降。

（3）根據(jù)對(duì)不同工況下的PEC指數(shù)考察，當(dāng)扭率Y=2.5固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，其PEC指數(shù)在Re=25000達(dá)到最優(yōu)值。在此系統(tǒng)的水平液固流化床下，當(dāng)雷諾數(shù)大于25000時(shí)，其PEC指數(shù)反而會(huì)下降。

（4）在雷諾數(shù)達(dá)到25000左右、扭率Y=2.5、固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為4%的情況下，安裝兩個(gè)Kenics靜態(tài)混合器之間間距為200mm時(shí)，水平管換熱器的綜合傳熱性能達(dá)到最優(yōu)。

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Evaluation on heat transfer performance of horizontal liquid-solid circulating fluidized bed heat exchanger

LIU Yan1，2，ZHANG Yingdi1，PEI Chenglin1，WANG Zhi1，ZHANG Wei2
（1Department of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2School of Marine Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

The horizontal liquid-solid circulating fluidized bed heat exchanger with Kenics static mixer was studied by this experiment. The effects of Kenics static mixer twist rate，the installation method of Kenics static mixer，flow rate and particle volume fraction on heat transfer performance and flow resistance performance were investigated，which were analyzed by the comprehensive heat transfer performance evaluation criteria index. It was found that the heat transfer and resistance coefficient decrease with the increase of twist rate. Results showed that the performance evaluation criteria of Kenics static mixer with twist rate Y=1.5，2，2.5，3.5 were over 1 without exception in the range of Reynolds number 10000—45000，which indicates that the horizontal fluidized bed heat exchanger with Kenics static mixer can enhance heat transfer. The performance evaluation criteria of horizontal fluidized bed heat exchanger reached 1.18 at most，when the Reynolds number reached about 25000，the twist rate of Kenics static mixer is Y=2.5 and the particle volume fraction is 4%. The performance evaluation criteria of horizontal fluidized bed heat exchanger is the highest on the condition that the distance between two Kenics static mixers with twist rate Y=2.5 is 200mm.

Kenics static mixer；horizontal liquid-solid circulating fluidized bed；multiphase flow；heat transfer enhancement；performance evaluation criteria（PEC）

中文分類號(hào)：TQ 51A

1000-6613（2016）11-3421-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.005

2016-03-18；修改稿日期：2016-08-02。

河北省科技支撐計(jì)劃（14273105D）及河北省自然科學(xué)基金（D2014202074）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：劉燕（1970—），女，副教授，研究方向?yàn)榛み^(guò)程多相流。E-mail Julia_liuyan@hebut.edu.cn。