汽-液-固多管循環(huán)流化床蒸發(fā)器中固體顆粒的分布

姜 峰，王兵兵，齊國鵬，李修倫

(1. 天津大學化工學院，天津 300072；2. 天津職業(yè)大學生物與環(huán)境工程學院，天津 300410)

由于多相流節(jié)能防垢技術(shù)具有良好的強化傳熱和防、除垢性能[1-3]，可在線解決蒸發(fā)器、再沸器等諸多換熱裝置的強化傳熱和結(jié)垢問題，且操作穩(wěn)定，應用前景廣闊，因此，國、內(nèi)外的學者對其進行了大量的研究[4-12]．隨著世界和我國節(jié)能減排任務的日益嚴峻，加快實施多相流等諸多節(jié)能技術(shù)的工業(yè)化推廣則變得愈加迫切．在多相流技術(shù)的工業(yè)化實施中，一個關(guān)鍵的問題是如何實現(xiàn)惰性固體顆粒在加熱管束中的良好分布．雖然已有一些研究者在這方面進行了

初步探索[13-17]，但其研究結(jié)果使用的局限性較大，且均為冷模條件下的研究，距有效解決工業(yè)蒸發(fā)器等換熱裝置加熱管束中的顆粒分布問題尚有較大的差距．為此，筆者建立了一套熱模透明多管循環(huán)流化床蒸發(fā)器，在熱模條件下研究加熱管束中顆粒的分布規(guī)律，充分考察液體循環(huán)流量、熱通量、顆粒加入量和顆粒種類等參數(shù)的影響，為有效實現(xiàn)加熱管束中固體顆粒的良好分布提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)．

1 實 驗

1.1 實驗裝置及流程

實驗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“一” 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3相循環(huán)流化床蒸發(fā)器流程Fig.1 Flow chart of vapor-liquid-solid three-phase circulating fluid bed evaporator

先向系統(tǒng)中加入液相工質(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，待工質(zhì)溫度升至沸點左右時，開啟循環(huán)泵．調(diào)節(jié)加熱功率和泵的轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定后，采集顆粒運動及分布圖像．系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)動力為自然循環(huán)推動力和強制循環(huán)推動力之和．液相工質(zhì)在加熱管內(nèi)沸騰后，汽、液、固3 相向上運動至分離器．分離器內(nèi)，汽相上升，與液、固兩相分離，然后由分離器進入冷凝器，冷凝后由儲罐收集；液、固兩相則進入循環(huán)管進行循環(huán)．由泵和高位槽向系統(tǒng)內(nèi)在線補充液相工質(zhì)．

1.2 實驗工質(zhì)

實驗中液相工質(zhì)為自來水，所用固體顆粒的種類和相關(guān)物性如表1 所示，其中，尼龍和樹脂為圓柱形顆粒，粒徑表示為Ф 直徑×高度，沉降速度為水溫100,℃時的計算值．固體顆粒的加入量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)所加液相工質(zhì)體積的百分比來計算)．

表1 固體顆粒種類及性質(zhì)Tab.1 Types and properties of solid particles

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測量，型號為LDG-D80，量程為0～80 m3/h，精度為0.5級．顆粒運動及分布情況由 CCD 測量，型號為GC650，幀率為90 f/s．用相關(guān)程序?qū)Σ杉膱D像文件進行差影檢測、閾值分割、中值濾波等步驟處理后，可得各加熱管內(nèi)固含率．各鍍膜管均勻加熱，加熱功率等數(shù)據(jù)采用“組態(tài)王” 軟件在線采集．

管束中顆粒的分布采用顆粒分布的不均勻度M來描述．不均勻度M 越大，表明顆粒在加熱管束中的分布越不均勻．

式中：εi為加熱管束某一軸向位置上第 i 根加熱管內(nèi)的固含率；為同一軸向位置上的各加熱管內(nèi)固含率的算術(shù)平均值．

2 結(jié)果與討論

2.1 液體循環(huán)流量對顆粒分布的影響

實驗結(jié)果表明，在其他操作參數(shù)一定的條件下，循環(huán)流量的變化對管束中顆粒的分布會產(chǎn)生較大的影響．隨著循環(huán)流量的增大，顆粒分布的不均勻度減小，但減小的程度隨流量的增大逐漸降低，見圖2．

加熱管束中，靠近中間的管內(nèi)流速較大，而兩側(cè)的管內(nèi)流速較低．同時由于下管箱結(jié)構(gòu)的限制，顆粒由下管箱進入不同加熱管時，流動阻力大小不同：靠近中間，流動阻力較??；靠近兩側(cè)，流動通道較為曲折，阻力較大．上述因素導致顆粒在加熱管束中分布不均：靠中間的管內(nèi)固含率較大，而兩側(cè)的管內(nèi)固含率較低．這種分布不均在液體循環(huán)流量較低時尤為明顯．主要原因是循環(huán)流量較低時，靠中間的管子可實現(xiàn)顆粒的正常流化，而兩側(cè)的管子，由于流速低、阻力大，顆粒難以進入，使得不同管內(nèi)固含率相差較大．隨著循環(huán)流量的增加，已實現(xiàn)正常流化的靠中間的管內(nèi)固含率的增加幅度不大；而兩側(cè)的管內(nèi)，由于流化動力的增加，有效地克服了阻力的影響，使得進入管內(nèi)的顆粒量迅速增加，因而，管束中顆粒分布不均勻度迅速降低．隨著循環(huán)流量的進一步增加，下管箱內(nèi)湍流程度增加，管箱流動截面上流速和顆粒的分布也更加均勻，同時管箱結(jié)構(gòu)阻力的影響也進一步降低，因此，管束中顆粒分布的不均勻度繼續(xù)下降，但降低的幅度逐漸減?。?/p>

圖2 液體循環(huán)流量對管束中顆粒分布的影響Fig.2 Effect of circulating flow rate on distribution of particle in pipe bundle

2.2 熱通量對顆粒分布的影響

以Ф3.15 mm 聚甲醛為例，圖3 表明了熱通量對加熱管束中顆粒分布的影響．由圖3 可見，管束中顆粒分布的不均勻度隨著熱通量的增加而降低．該效應在循環(huán)流量較低時體現(xiàn)得較為明顯，隨著循環(huán)流量的增加，熱通量的影響逐漸減弱，甚至幾乎失去影響.

熱通量的增加，可以提高加熱管內(nèi)蒸汽含量，增大加熱管和循環(huán)管的密度差，進而增加流動的自然循環(huán)推動力，導致循環(huán)流量增大，顆粒分布更均勻．但是隨著泵轉(zhuǎn)速的增加，也就是強制循環(huán)推動力的增加，受熱通量影響的自然循環(huán)推動力在循環(huán)總推動力中所占的比例逐漸下降，故其影響逐漸減弱．

2.3 顆粒加入量對顆粒分布的影響

圖4所示為顆粒加入量對顆粒分布的影響(以Ф3.15 mm 聚甲醛，q＝4 kW/m2為例)．由圖4 可見，隨著顆粒加入量的增加，顆粒分布的不均勻度逐漸降低．

增加顆粒加入量有助于顆粒在下管箱流動橫截面上的均勻分布，使管箱內(nèi)的顆粒進入加熱管束各管內(nèi)的幾率更加接近，因而有利于管束中顆粒的均勻分配．但顆粒加入量的確定不能只考慮其分布情況，還要結(jié)合強化傳熱和防、除垢效果、流動壓降及成本等因素綜合確定．

2.4 顆粒種類對顆粒分布的影響

不同顆粒的密度、形狀等物性參數(shù)均會影響顆粒在管束中的分布，筆者主要考察了顆粒沉降速度的影響．表1 給出了所采用的5 種固體顆粒在操作條件下的沉降速度．如圖5 所示，在不同固體加入量下，隨著顆粒沉降速度的增加，顆粒分布的不均勻度增大．

顆粒的沉降速度越大，顆粒越不易流化，因此管束內(nèi)速度分布不均和管箱結(jié)構(gòu)造成的各管流化阻力的不同影響就越大，一定的循環(huán)流量和熱通量下，顆粒在管束內(nèi)的分布就越不均勻．

圖3 熱通量對管束中顆粒分布的影響Fig.3 Effect of heating flux on distribution of particle in pipe bundle

圖4 顆粒加入量對管束中顆粒分布的影響Fig.4 Effect of additive particle amount on distribution of particle in pipe bundle

圖5 顆粒種類對管束中顆粒分布的影響Fig.5 Effect of particle types on distribution of particle in pipe bundle

3 結(jié) 論

(1) 管束中顆粒分布的不均勻度隨著液體循環(huán)流量的增加而降低，但降低的程度隨著流量的增大而逐漸減?。?/p>

(2) 循環(huán)流量較低時，熱通量的增加可明顯降低管束中顆粒分布的不均勻度，但隨著液體循環(huán)流量的增大，熱通量的影響逐漸減弱直至幾乎消失．

(3) 顆粒加入量的增加可在一定程度上降低顆粒分布的不均勻度，而確定其合理用量應綜合考慮各方面因素．

(4) 顆粒分布的不均勻度隨著顆粒沉降速度的增加而增大．

［1］Zhang L B，Li X L. A study on boiling heat transfer in three-phase circulating fluidized bed[J]. Chemical Engineering Journal，2000，78：217-223.

［2］Wen J P，Zhou H，Li X L. Performance of a new vaporliquid-solid three-phase circulating fluidized bed evaporator[J]. Chemical Engineering and Processing，2004，43：49-56.

［3］Pronk P，Infante Ferreira C A，Witkamp G J. Mitigation of ice crystallization fouling in stationary and circulating liquid-solid-fluidized bed heat exchangers[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(1/2/3)：403-411.

［4］Liu M Y，Wang H，Lin R T. Visual investigations on radial solid holdup in vapor-liquid-solid fluidized bed evaporator with a CCD measuring system[J]. Chemical Engineering Science，2006，61(2)：802-813.

［5］Liu M Y，Qiang A H，Sun Y L. Characteristics of flow and heat transfer in a tube bundle evaporator with a vapor-liquid-solid flow[J]. Chemical Engineering Research and Design，2007，85(2)：256-262.

［6］Hashizume K，Kimura Y. Heat transfer characteristics of liquid-solid circulating fluidized beds[J]. Heat Transfer-Asian Research，2008，37(3)：127-137.

［7］Arumemi I M，Sefiane K，Duursma G，et al. Investigation of flow boiling in circulating three-phase fluidised bed(Part I)：Experiments and results[J]. Chemical Engineering Science，2008，63(4)：881-895.

［8］Arumemi I M，Sefiane K，Duursma G，et al. Investigation of flow boiling in circulating three-phase fluidised bed(Part Ⅱ)：Theoretical correlation[J]. Chemical Engineering Science，2008，63(4)：896-914.

［9］Kenichi H，Shinichi M. Particle holdup in a liquid-solid circulating fluidized bed[J]. Heat Transfer-Asian Research，2008，37(3)：184-196.

［10］Ramesh K V，Raju G M J，Sarma G V S，et al. Effect of internal on phase holdups of a three-phase fluidized bed[J]. Chemical Engineering Journal ， 2009 ， 145(3)：393-398.

［11］齊國鵬，姜 峰，趙燕禹，等. 氣-液-固自然循環(huán)流化床中的流動特性和壓降[J]. 天津大學學報，2009，42(10)：901-907.Qi Guopeng，Jiang Feng，Zhao Yanyu，et al. Flow properties and pressure drop of gas-liquid-solid natural circulating in fluidized bed [J]. Journal of Tianjin University，2009，42 (10)：901-907 (in Chinese).

［12］齊國鵬，劉 澤，姜 峰，等. 三相流重力熱管冷凝段傳熱性能研究[J]. 化學工業(yè)與工程， 2009 ，29(6)：56-61.Qi Guopeng，Liu Ze，Jiang Feng，et al. An experimental study on heat transfer performance in condensation section of three-phase flow closed gravity heat pipe[J].Chemical Industry and Engineering，2009，29(6)：56-61(in Chinese).

［13］Dong H L，Arturo M，John R，et al. Fluid maldistribution effects on phase holdups in three-phase fluidized beds[J]. Chemical Engineering Science，2001，56：6031-6038.

［14］王一平，劉俊杰，吳晨曦，等. 固液分布器中主分布器的實驗研究[J]. 化工進展，2005，24(12)：1396-1400.Wang Yiping，Liu Junjie，Wu Chenxi，et al. Research on main distributor of combined liquid-solid distributor[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2005，24(12)：1396-1400(in Chinese).

［15］王一平，劉俊杰，吳晨曦，等. 氣液固循環(huán)流化床換熱器中預分布器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[J]. 化工學報，2006，57(1)：31-35.Wang Yiping，Liu Junjie，Wu Chenxi，et al. Structural optimization pre-distributor in gas-liquid-solid circulating fluidized bed heat exchanger[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering ， 2006 ， 57(1)： 31-35(in Chinese).

［16］張少峰，孫 姣. 氣液固循環(huán)流化床顆粒分布板實驗研究[J]. 化學工程，2006，34(3)：20-23.Zhang Shaofeng，Sun Jiao. Experimental study on particle distributor in gas-liquid-solid circulating fluidized bed[J]. Chemical Engineering ， 2006 ， 34(3)： 20-23(in Chinese).

［17］張少峰，沈志遠，劉 燕. 三相分布板對外循環(huán)流化床壓降影響的實驗研究[J]. 河北工業(yè)大學學報，2009，38(5)：42-45.Zhang Shaofeng，Shen Zhiyuan，Liu Yan. Experimental study on the effect of three-phase distributor on pressure drop in exterior circulating fluidized bed [J]. Journal of Hebei University of Technology，2009，38(5)：42-45(in Chinese).