水平雙管程液-固循環(huán)流化床中顆粒分布和壓降

姜 峰，王錦錦，齊國鵬，梁 旭，韓妮莎，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)境工程學(xué)院，天津 300410)

循環(huán)流化床換熱器將流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)與換熱過程相結(jié)合，不僅可以在線防、除垢[1-3]，還可以有效地強(qiáng)化傳熱[4-6]。目前，該類型換熱器已用于石油[7]、化工[8]、廢水處理[9]和海水淡化[10]等工業(yè)領(lǐng)域。

在循環(huán)流化床換熱器中，流化的固體顆粒雜亂無章地運(yùn)動，可以破壞和減薄傳熱壁面處的流動和傳熱邊界層，降低傳熱熱阻，強(qiáng)化傳熱。同時(shí)，固體顆粒對邊界層的破壞和管內(nèi)流體的擾動，也會阻止溶質(zhì)在邊界層附近形成過飽和，延長結(jié)垢的誘導(dǎo)期，進(jìn)而達(dá)到在線防垢的目的。此外，由于傳熱強(qiáng)化，傳熱系數(shù)增加，導(dǎo)致壁溫下降，也有利于防垢和減輕對管壁的腐蝕[11-14]。

由流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)的原理可知，在該技術(shù)的實(shí)施中，顆粒的流化和分布對于其強(qiáng)化傳熱和防、除垢效果有著重要的影響。因此，許多研究者圍繞循環(huán)流化床換熱器中的顆粒分布開展了一定的研究。

按照流向，循環(huán)流化床換熱器可以分為上行床、水平床和下行床。目前對于循環(huán)流化床換熱器中顆粒分布的研究，主要集中在上行床[15-18]，而對于水平床，則少有報(bào)道[19-24]。

Jiang等[19-20]考察了水平液-固循環(huán)流化床中的顆粒分布。研究結(jié)果表明，由于受重力的影響，顆粒主要分布在水平管束和單管的下部；隨著循環(huán)流量和顆粒加入量的增加，管內(nèi)固含率增大，管束和單管中的顆粒分布也更加均勻；密度和粒徑較小的顆粒流化和分布的效果較好。Qi等[21]采用歐拉多相流模型模擬了水平液-固循環(huán)流化床換熱器中的顆粒分布和壓降。結(jié)果表明，隨著循環(huán)流速的增加，顆粒的分布更加均勻；粒徑和密度較大的顆粒易發(fā)生堆積。張少峰等[22-23]設(shè)計(jì)了Kenics靜態(tài)混合器和起旋器，改善了水平單管內(nèi)的顆粒分布，并建立了壓降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。鞏國棟[24]在水平換熱器的前管箱內(nèi)加入了可調(diào)節(jié)角度的擋板，以改善顆粒在管束中的分布，研究中獲得了較適宜的擋板角度和操作參數(shù)范圍。

上述對于水平循環(huán)流化床中顆粒分布的研究主要集中在單管程換熱器。同單管程換熱器相比，雙管程換熱器由于前管箱中隔板的設(shè)置和管程進(jìn)、出口位置的變化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，將會對顆粒的流化和分布產(chǎn)生影響，使其和單管程有所區(qū)別；同時(shí)系統(tǒng)的壓降和操作費(fèi)用也會有所增加。但在一定的管程流體流量下，雙管程換熱器換熱管中流體的流速增大，有利于強(qiáng)化管程的對流傳熱，減小總熱阻和所需的傳熱面積，進(jìn)而減少設(shè)備費(fèi)用。因此，雙管程換熱器在工業(yè)上，如化工、石化等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。但是，到目前為止，雙管程換熱器的強(qiáng)化傳熱和防、除垢問題仍沒有得到很好的解決。

因此，本研究將流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)和水平雙管程換熱器相結(jié)合，構(gòu)建了一套冷模透明水平雙管程循環(huán)流化床換熱裝置。利用CCD圖像測量和處理技術(shù)開展可視化研究，考察顆粒加入量和循環(huán)流量等操作參數(shù)對于顆粒分布和液-固兩相流壓降的影響。研究結(jié)果將有利于促進(jìn)流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)在水平多管程換熱器中的應(yīng)用，解決其強(qiáng)化傳熱和防、除垢問題。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建了一套冷模透明水平雙管程循環(huán)流化床換熱裝置，如圖1所示。裝置主要由水平加熱室、離心泵、電磁流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。

為便于觀察和測量，水平加熱室去除了殼體，僅包括水平管束和前、后管箱，采用透明的有機(jī)玻璃制成。水平管束由前管箱內(nèi)的分程隔板分為上、下2程，每程15根管子。管子直徑為Ф25.0 mm×2.5 mm，長為1 000 mm。每程內(nèi)管束呈正三角形排列，管間距為管外徑的1.5倍，如圖2所示。

圖1 水平雙管程循環(huán)流化床換熱裝置流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the horizontal two-pass circulating fluidized bed heat exchanger

圖2 管束分布Fig.2 Distribution of the tube bundle

CCD圖像測量和處理系統(tǒng)用于獲取系統(tǒng)中的顆粒運(yùn)動和分布圖像，由CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)和streamPix-5-S-STD軟件組成。CCD相機(jī)的型號為GT1920，幀數(shù)為40.7 fps，分辨率為1 936×1 456。由于遮擋，內(nèi)部管束不便測量；同時(shí)，根據(jù)管束分布的對稱性，實(shí)驗(yàn)中選取相應(yīng)的目標(biāo)管作為研究對象，其顆粒分布可以在一定程度上代表整個(gè)管束中的顆粒分布，如圖2所示。其中，1#～3#管處于上管程，4#～6#管處于下管程。

為考察惰性固體顆粒的加入對系統(tǒng)壓降的影響，采用壓差傳感器測量水平加熱室進(jìn)、出口的壓差。壓差傳感器的型號為SM93420DP，精度為0.25%FS。測量結(jié)果由數(shù)字顯示儀表AI-501MF和“組態(tài)王”軟件實(shí)時(shí)顯示和采集。循環(huán)泵為半開式不銹鋼離心泵，型號為BK200D；采用單相電機(jī)，額定功率為1.5 kW，流量通過變頻調(diào)節(jié)。電磁流量計(jì)型號為LDG-50，量程為2～40 m3/h，精度為0.5級。

首先，向系統(tǒng)中加入一定量的固體顆粒，然后加水至整個(gè)設(shè)備被充滿。開啟循環(huán)泵，通過調(diào)頻調(diào)節(jié)流量至指定值。液、固兩相在管程中流動。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，用CCD圖像測量和處理系統(tǒng)采集顆粒流化和分布的圖像，記錄水平加熱室進(jìn)、出口的壓差。改變循環(huán)流量和顆粒加入量，重復(fù)上述操作。

1.2 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中的液相工質(zhì)為自來水，采用聚甲醛(POM)顆粒作為惰性固體顆粒。顆粒的相關(guān)物性如表1所示。

表1 顆粒的相關(guān)物性Table 1 Relevant properties of the particles

a：沉降速度為常壓下，在20 ℃的水中測得。

實(shí)驗(yàn)中的操作參數(shù)主要為循環(huán)流量和顆粒加入量，所要考察的目標(biāo)參數(shù)為水平管束中顆粒的流化和分布情況以及水平加熱室的壓降。

實(shí)驗(yàn)中，循環(huán)流量Q分別取為6、7、8、9、10和11 m3/h。顆粒加入量ε為所加入顆粒的堆體積占系統(tǒng)中工質(zhì)總體積的百分比。實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，在顆粒加入量不超過2%時(shí)，即可取得明顯的強(qiáng)化傳熱和防、除垢效果[3]；而且顆粒加入量過大，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的壓降和操作費(fèi)用增加[21]。因此，實(shí)驗(yàn)中顆粒加入量ε分別取為0.50%、0.75%、1.00%和1.25%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用顆粒分布不均勻度M來描述水平管束中的顆粒分布。M越大，表示顆粒分布得越不均勻。M可采用式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

(4)

采用壓降比率S來描述顆粒的加入對系統(tǒng)壓降的影響，S越大，表明固體顆粒的加入引起的壓降損失越大；S為負(fù)值時(shí)，表明顆粒的加入降低了系統(tǒng)的壓降損失。S可采用式(5)計(jì)算：

(5)

式(5)中：ΔPls和ΔPl分別為液-固兩相流和單液相流的壓降。

2 結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)流量對顆粒分布和壓降的影響

圖3所示為循環(huán)流量對顆粒分布不均勻度的影響。

圖3 循環(huán)流量對顆粒分布不均勻度的影響Fig.3 Effect of the circulation flow rate on the nonuniform degree of particle distribution

由圖3可知，上管程和下管程的顆粒分布不均勻度隨著循環(huán)流量的變化規(guī)律不同。上管程的顆粒分布不均勻度基本上隨著循環(huán)流量的增加而波動，如圖3a)所示；而下管程的顆粒分布不均勻度則隨著循環(huán)流量的增加先迅速增大，而后則呈現(xiàn)出減小的趨勢，如圖3b)所示。

由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，上管程的顆粒分布不均勻度明顯小于下管程，這表明上管程中的顆粒分布更加均勻，具體情況可進(jìn)一步參見圖4和圖5。

圖4所示為循環(huán)流量對水平管束中固含率的影響。

圖4 循環(huán)流量對水平管束中固含率的影響Fig.4 Effect of the circulation flow rate on the solid holdup in the horizontal tube bundle

由圖4可知，對于上管程和下管程，其下部列管中的固含率均較上部為高，這反映了重力對水平管束中顆粒分布的影響。但同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，上管程和下管程中的顆粒分布還是存在著明顯的差異。對于上管程，各管內(nèi)的固含率均隨著循環(huán)流量的增加而緩慢地增大，而且各管內(nèi)的固含率及其變化趨勢差異不大，如圖4a)所示。但對于下管程，各管內(nèi)的固含率及其隨循環(huán)流量的變化趨勢有著明顯的差異。4#管處于上、下管程的分界面，其固含率接近于零，而且隨著循環(huán)流量的增加幾乎沒有變化。5#管內(nèi)的固含率隨著循環(huán)流量的增加而緩慢地增大，其變化規(guī)律與上管程相似。而位于管束底部的6#管，其固含率則隨著循環(huán)流量的增加先迅速增大，然后逐漸地降低，如圖4b)所示。

循環(huán)流量增加，流體的流速增大，有利于顆粒的流化和循環(huán)，更多的顆?？梢赃M(jìn)入到水平加熱室。顆粒由圖1所示的入口進(jìn)入到前管箱后，流體水平流動對顆粒產(chǎn)生的曳力和重力沉降的共同作用，有利于顆粒在上管程的水平管束中的均勻分布，使得各管中的固含率較為接近。在顆粒隨流體離開上管程，進(jìn)入到后管箱后，由于慣性和重力作用，顆粒會在靠近后管箱壁面處趨向于沉降，因此，不易進(jìn)入下管程中靠近管程分界面的列管，如4#管。這部分管內(nèi)的固含率很低，成為了“死區(qū)”，如圖5所示，不利于強(qiáng)化傳熱和防、除垢。同時(shí)，由于顆粒的沉降，6#管中的固含率迅速增大，如圖4b)所示。

圖5 不同循環(huán)流量下水平管束內(nèi)顆粒分布的CCD圖像Fig.5 Typical CCD images of particle distribution in the horizontal tube bundle under various circulation flow rates

隨著循環(huán)流量的進(jìn)一步增加，后管箱的湍流程度增大，顆?；旌虾团鲎驳某潭雀觿×?，這在一定程度上削弱了重力沉降對后管箱中顆粒分布的影響，有利于顆粒在后管箱和下管程水平管束中的均勻分布。因此，5#管中的固含率繼續(xù)增大，而6#管的固含率則逐漸降低。然而，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，循環(huán)流量的增加對4#管中的固含率影響不大，4#管中的固含率始終處于一個(gè)非常低的水平，如圖4b)所示。上述現(xiàn)象表明，在將流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于水平雙管程換熱器時(shí)，應(yīng)注意采取一定的措施改善下管程中靠近管程分界面的列管中的顆粒分布。

為全面了解流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)對雙管程換熱器的影響，本研究亦考察了顆粒的加入對于水平加熱室壓降的影響。圖6所示為循環(huán)流量對水平加熱室中液-固兩相流壓降比率的影響。

圖6 循環(huán)流量對壓降比率的影響Fig.6 Effect of the circulation flow rate on the pressure drop ratio

由圖6可知，總體來說，壓降比率隨著循環(huán)流量的增加而波動。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，在某些操作條件下，壓降比率出現(xiàn)了負(fù)值。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，壓降比率的最大值為18.3%。

顆粒的加入，一方面，會增加流體的表觀密度，導(dǎo)致顆粒之間及顆粒與壁面之間的碰撞和剪切，增加能量損失和壓降；但另一方面，顆粒的加入及其均勻分布，在一定程度上亦有利于抑制流體的湍流[19,25]，進(jìn)而降低壓降。因此，在某些操作條件下，壓降比率會出現(xiàn)負(fù)值。

循環(huán)流量的增加，一方面將會增加顆粒的循環(huán)速度，增大顆粒之間及顆粒與壁面之間碰撞和剪切所造成的能量損失；但另一方面，也會有利于顆粒在水平管束中的均勻分布，有利于減小壓降[25]；同時(shí)，循環(huán)流量增加，單液相流動的壓降增大，也會削弱顆粒對壓降的影響。因此，在上述因素的共同作用下，壓降比率隨著循環(huán)流量的增加而呈現(xiàn)出波動的趨勢。

2.2 顆粒加入量對顆粒分布和壓降的影響

圖7所示為顆粒加入量對水平管束中顆粒分布不均勻度的影響。

圖7 顆粒加入量對顆粒分布不均勻度的影響Fig.7 Effect of the amount of added particles on the nonuniform degree of particle distribution

由圖7可知，總體來說，隨著顆粒加入量的增加，上、下管程的顆粒分布不均勻度呈現(xiàn)出波動的趨勢，而并非單調(diào)地變化，且其變化規(guī)律與循環(huán)流量有關(guān)。同時(shí)，由于重力的影響，不同的顆粒加入量下，上、下管程水平管束中的固含率仍然是沿著重力的方向增大，如圖8所示。

圖8 顆粒加入量對水平管束中固含率的影響Fig.8 Effect of the amount of added particles on the solid holdup of the horizontal tube bundle

如前所述，水平加熱室的進(jìn)口位置和前管箱中顆粒的運(yùn)動機(jī)制，使得上管程水平管束中顆粒的分布較為均勻。因此，上管程各管內(nèi)的固含率均隨著顆粒加入量的增加而逐漸增大，如圖8a)所示。顆粒加入量的變化對上管程中顆粒分布的影響不大。

對于下管程，由于受水平運(yùn)動慣性和重力沉降的影響，新增加的顆粒更多地趨向于沉積到后管箱的底部，因此，各管內(nèi)的固含率隨著顆粒加入量的增加所呈現(xiàn)的變化趨勢不同。4#管內(nèi)的固含率始終保持在較低的數(shù)值，基本上不隨顆粒加入量的增加而發(fā)生變化。5#管和6#管中的固含率隨著顆粒加入量的增加而增大，但6#管中固含率的增加速率明顯高于5#管，如圖8b)和圖9所示。

圖9 不同顆粒加入量下水平管束中顆粒分布的CCD圖像Fig.9 Typical CCD image of particle distribution in the horizontal tube bundle under various amount of added particles

顆粒加入量的增加，一方面，會增加系統(tǒng)中循環(huán)的顆粒數(shù)量，可以降低顆粒在水平管束中分布的隨機(jī)性，有利于顆粒的均勻分布。另一方面，也會增大顆粒之間以及顆粒與壁面之間的碰撞頻率，增加顆粒在管箱中運(yùn)動和分布的隨機(jī)性，進(jìn)而影響水平管束中的顆粒分布。在上述因素的共同作用下，顆粒分布不均勻度隨著顆粒加入量的增加而波動。

圖10考察了顆粒加入量的變化對水平加熱室中液-固兩相流壓降比率的影響。

圖10 顆粒加入量對壓降比率的影響Fig.10 Effect of the amount of added particles on the pressure drop ratio

由圖10可知，與循環(huán)流量的影響相似，壓降比率隨著顆粒加入量的增加也基本上呈現(xiàn)出波動的趨勢。

一方面，顆粒加入量的增加，增大了循環(huán)顆粒的數(shù)量和流體的表觀密度，有助于提高顆粒之間及顆粒與壁面之間的碰撞頻率，這對于強(qiáng)化傳熱和防、除垢是有利的，但同時(shí)也會增加系統(tǒng)的壓降和能量損失。另一方面，顆粒加入量的增加，使得水平加熱室中的固含率增大，增加了對流體湍流程度的抑制，有利于減小壓降。因此，在上述因素的共同作用下，壓降比率隨著顆粒加入量的增加基本上呈現(xiàn)出波動的趨勢。

2.3 循環(huán)流量和顆粒加入量對顆粒分布和壓降的綜合影響

為綜合反映操作參數(shù)對顆粒分布和壓降的影響，構(gòu)建了相應(yīng)的三維圖，如圖11和圖12所示，分別反映了操作參數(shù)對顆粒分布不均勻度和壓降比率的影響。

圖11 循環(huán)流量和顆粒加入量對顆粒分布影響的三維圖Fig.11 Three-Dimensional diagrams of the effect of circulation flow rate and amount of added particles on the particle distribution

對比三維圖中上、下管程的顆粒分布不均勻度和相應(yīng)的壓降比率，可以確定不同循環(huán)流量下，較為適宜的顆粒加入量。如，循環(huán)流量為10 m3/h時(shí)，顆粒加入量為0.50%～0.75%較為適宜，顆粒分布較為均勻，壓降也相對較小。由圖11和圖12也可以確定在不同的循環(huán)流量和顆粒加入量下，顆粒分布不均勻度和壓降比率的變化范圍，進(jìn)而確定較優(yōu)的操作參數(shù)。工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，顆粒分布不均勻度M小于0.4[18]時(shí)，顆粒分布較為均勻，強(qiáng)化傳熱和防、除垢效果較好；壓降比率S小于10%時(shí)，顆粒的加入所引起的壓降損失在可接受的范圍內(nèi)。

圖12 循環(huán)流量和顆粒加入量對壓降比率影響的三維圖Fig.12 Three-dimensional diagram of the effect of the circulation flow rate and amount of added particles on the pressure drop ratio

3 結(jié)論

構(gòu)建了冷模水平雙管程循環(huán)流化床換熱裝置，通過可視化研究，考察了操作參數(shù)對水平管束中的顆粒分布和加熱室中壓降的影響。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，主要得到了以下結(jié)論：

1)上管程中的顆粒分布較為均勻，下管程中的顆粒分布不均。沿著重力的方向，上、下管程管束中的固含率均增大。在下管程中靠近管程分界面的管束內(nèi)，會出現(xiàn)“死區(qū)”，固含率很低，不利于強(qiáng)化傳熱和防、除垢。

2)上管程的顆粒分布不均勻度隨著循環(huán)流量的增加而波動，而下管程的顆粒分布不均勻度則隨著循環(huán)流量的增加先迅速增大，再逐漸減小。

3)隨著顆粒加入量的增加，上、下管程的顆粒分布不均勻度均呈現(xiàn)出波動的趨勢。

4)壓降比率隨著循環(huán)流量和顆粒加入量的增加呈現(xiàn)出波動的趨勢。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，壓降比率的最大值為18.3%。

5)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，增加循環(huán)流量和顆粒加入量，并不能明顯地改善顆粒在下管程中的分布。在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步拓展操作參數(shù)的范圍，同時(shí)考察水平雙管程換熱器的進(jìn)、出口位置對顆粒分布和壓降的影響，并確定適宜的改善顆粒分布的方法。