液固流化床傳熱性能實驗研究

韓克鑫，孫 靖，謝春剛，尹立輝，王 鑫

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

在石油、化工等生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量含有硫酸鈉、硝酸鈉等多種鹽分的廢水，采用蒸發(fā)結晶法處理只能得到多種鹽分結晶的混合物，仍然屬于廢棄物，甚至是固體污染物。冷卻結晶是利用鹽分在高溫下溶解度大，低溫時溶解度小的特點而分離或提純的方法，通過對較高溫度的飽和溶液降溫使其析出晶體[1]。冷凍淡化利用溶質的凝固點比水的凝固點低得多的物理特性，使海水或苦咸水中的水先于溶質以固相冰晶態(tài)析出，從而得到較純凈的冰晶和濃縮液[2]。在傳統(tǒng)冷卻結晶和冷凍淡化裝置中，傳熱壁面容易堆積晶垢或冰層，從而使得傳熱阻力增大，設備出力降低，嚴重時甚至造成設備不能正常運行。

液固流化床換熱器由于顆粒對傳熱壁面的撞擊、刮削作用，具有不易結垢、傳熱效率高的特點，廣泛應用于化工、廢水處理、食品加工等領域[3-4]。液固流化床換熱器的防除垢功能已經(jīng)得到大量研究的驗證[5-7]?？赏茢鄬⒁汗塘骰矒Q熱器應用于冷卻結晶及冷凍淡化，能克服一般冷卻結晶和冷凍淡化裝置傳熱系數(shù)小、允許溫差小、清洗維護頻繁、規(guī)模不易放大等缺陷。因此，開發(fā)設計應用于冷卻結晶及冷凍濃縮領域的液固流化床換熱器具有重要意義。

液固流化床換熱器有非循環(huán)式、內(nèi)循環(huán)式、外循環(huán)式三種類型[8]。非循環(huán)式流化床中顆粒僅在管內(nèi)懸浮運動，流速固定[9]。內(nèi)循環(huán)式流化床中顆粒在一部分管內(nèi)上升運動，一部分管內(nèi)下降運動，流速可在一定范圍內(nèi)調節(jié)[10]。外循環(huán)式流化床中顆粒在所有管中上升運動，在換熱器外固液分離后進行循環(huán)利用，流速可以在較大范圍內(nèi)調節(jié)[11]。液固流化床換熱器的傳熱系數(shù)受幾何結構、流速、流體和顆粒物性、顆粒填充量等多方面因素影響[12-14]。特別是應用于冷卻結晶及冷凍淡化領域方面，傳熱系數(shù)值的確定缺乏參考依據(jù)。

文章利用單管流化床實驗臺，首先對非循環(huán)式液固流化床換熱器用于冷凍淡化時的傳熱性能進行研究，為此類換熱器的設計積累經(jīng)驗。內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式液固流化床換熱器的傳熱性能將在后續(xù)研究中開展。

1 實驗系統(tǒng)及實驗過程

1.1 實驗系統(tǒng)

單管流化床實驗臺如圖1所示，主要由制冷機、豎直換熱管段、循環(huán)泵、冷媒泵、循環(huán)水箱、固液分離器、加料器及必要的管路、閥門、儀表組成。換熱管段采用套管形式，內(nèi)管內(nèi)徑32 mm、外徑38 mm，外管內(nèi)徑65 mm、外徑73 mm。冷媒在內(nèi)外管之間從上到下流動，鹽水在內(nèi)管從下到上流動。實驗系統(tǒng)可以進行非循環(huán)和外循環(huán)兩種運行方式。在非循環(huán)運行方式下，內(nèi)管頂部需安裝防止顆粒被帶出的擴張段。為便于觀察管內(nèi)顆粒的運動和分布情況，換熱管段分為長度各1 m的4個部分，各部分之間、換熱管段與擴張段之間安裝有長度為10 cm的透明段。在固液分離器顆粒循環(huán)管的下部設置一段軟管，在非循環(huán)運行方式下用夾子將軟管段夾緊。冷媒泵和循環(huán)泵可變頻調節(jié)流量，所有儀表數(shù)據(jù)設置遠傳并自動記錄。

圖1 單管流化床實驗臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of test table of single tube fluidized bed

1.2 珠子添加量

床層空隙率定義為床層中珠子體積之外的空間占床層總體積的比率。分別設置0.88、0.86、0.84、0.82、0.80、0.78、0.76七種空隙率開展研究，對應的珠子添加量分別為3 kg、3.5 kg、4 kg、4.5 kg、5 kg、5.5 kg、6 kg。

1.3 實驗過程

在加料器中加入實驗所需的一定量珠子(直徑4 mm、高4 mm圓柱狀，不銹鋼材質)，打開軟管段的夾子。在循環(huán)水箱中加入NaCl質量分數(shù)為35 g/kg的鹽水。打開冷媒泵，調節(jié)冷媒流量至7 m3/h左右。打開循環(huán)泵，逐漸提高流速，待加料器中珠子全部運動到軟管段下部后用夾子把軟管夾緊。繼續(xù)逐漸提高流速，直到床層膨脹到從最上一個透明段觀察到為止。每隔1 s自動記錄鹽水流量F1，鹽水進口溫度T1，鹽水出口溫度T2，鹽水入口壓力P1，鹽水出口壓力P2，冷媒流量F2，冷媒進口溫度T3，冷媒出口溫度T4的數(shù)值。為避免鹽水過冷后大量冰晶瞬間析出，造成流化床工作的不穩(wěn)定，在鹽水出口溫度T2接近理論結冰溫度時，在循環(huán)水箱中加入冰晶500 g作為結晶核心。待鹽水出水管路有冰漿連續(xù)產(chǎn)生時結束一次實驗。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗結果的計算采用基本的對流傳熱換熱器計算公式：

(1)

傳熱面積：A=π·d·l

(2)

=F2·C2(T4-T3)

(3)

式中:T1為鹽水進口溫度、T2為鹽水出口溫度、T3為冷媒進口溫度、T4為冷媒出口溫度、d為內(nèi)管內(nèi)徑、l為換熱段總長度、F1為鹽水流量、F2為冷媒流量、C1為鹽水比熱容、C2為冷媒比熱容、h為傳熱系數(shù)。

由于結冰過程釋放的是相變潛熱，通過鹽水溫度的變化無法準確計算換熱量。因此，公式(3)的計算采用冷媒側的參數(shù)。

2.2 實驗過程中傳熱系數(shù)變化規(guī)律

圖2所示為一個典型實驗過程中傳熱系數(shù)的變化規(guī)律?？砂l(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)從珠子未膨脹(即光管傳熱)到珠子充滿整個床層的過程中，傳熱系數(shù)由1 500 W/m2·℃左右逐漸增大到5 700 W/m2·℃左右，可見液固流化床用于冷凍淡化時，與光管換熱器相比，傳熱系數(shù)可以提高4倍左右。這是由于隨著床層的膨脹，珠子對流場的擾動作用從傳熱管的下部逐步擴展到整個傳熱管高度。而珠子對流場的擾動作用破壞了光管狀態(tài)下傳熱管表面的邊界層，使得壁面處的傳熱阻力降低。在之后的運行過程中傳熱系數(shù)一直在5 700 W/m2·℃上下波動，這是由于換熱壁面存在結冰和冰層被珠子撞擊破碎的動態(tài)過程，當冰層覆蓋面積增加時，熱阻增大，傳熱系數(shù)降低，當冰層覆蓋面積減少時，熱阻減小，傳熱系數(shù)增大。

圖2 實驗過程中傳熱系數(shù)變化規(guī)律Fig.2 The change law of heat transfer coefficient in the process of experiment

2.3 不同空隙率傳熱系數(shù)變化規(guī)律

如圖3所示，在空隙率由0.88逐漸降低到0.76的過程中，傳熱系數(shù)首先迅速增大，然后有所減小，最后再緩慢增大?？梢园l(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)隨空隙率的降低不是簡單的線性相關關系，這是由于空隙率降低時存在正反兩方面的影響。一方面空隙率降低時珠子的填充密度增大，增加了珠子對傳熱壁面的撞擊頻率，即單位傳熱面積、單位時間有更多的珠子與傳熱壁面相接觸，有利于傳熱系數(shù)的提高。另一方面如圖4所示，隨著空隙率的降低，床層壓降增大，表觀流速降低，使得珠子的運動速度降低，珠子的運動沖量減小，減小了單個珠子的撞擊力度，珠子撞擊后的影響范圍減小，不利于傳熱系數(shù)的提高。結合圖3、圖4可以看出，空隙率為0.84時，床層壓降適中，且傳熱系數(shù)較大。

圖3 不同空隙率傳熱系數(shù)變化規(guī)律Fig.3 The change law of heat transfer coefficient with different void fraction

圖4 表觀流速和壓降隨珠子添加量的變化規(guī)律Fig.4 Variation of apparent velocity and pressure drop with the amount of beads added

3 結論

1)液固流化床用于冷凍淡化時，與光管換熱器相比，傳熱系數(shù)可以提高4倍左右。液固流化床中珠子對傳熱壁面的持續(xù)撞擊刮削作用，可以防止傳熱壁面冰層的積累，有利于換熱器的穩(wěn)定運行。

2)傳熱系數(shù)隨空隙率的減小經(jīng)歷了迅速增大，然后有所減小，最后再緩慢增大的過程。0.84的空隙率能夠使得珠子撞擊頻率和撞擊力度得到合理的搭配，達到較高的傳熱系數(shù)的同時，床層壓降適中。