氣液交叉流裝置冷凝過(guò)程的傳熱傳質(zhì)特性

張峰榛，楊 虎，劉興勇

（四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川 自貢 643000）

氣液交叉流裝置冷凝過(guò)程的傳熱傳質(zhì)特性

張峰榛，楊 虎，劉興勇

（四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，四川 自貢 643000）

建立了氣液交叉流冷凝過(guò)程的傳熱傳質(zhì)模型并給出其動(dòng)力學(xué)參數(shù)的表達(dá)式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同工況下高溫含濕氣體橫掠冷卻液柱流陣列的熱質(zhì)傳遞特性，獲得傳熱、傳質(zhì)系數(shù)。研究表明，錯(cuò)列排列對(duì)應(yīng)的傳熱、傳質(zhì)系數(shù)值為直列排列對(duì)應(yīng)值的1.2～1.4倍；液柱流動(dòng)誘發(fā)氣液界面附近的氣體發(fā)生湍動(dòng)以及氣體繞流液柱引起的自身湍動(dòng)，分別是低氣速和高氣速條件下強(qiáng)化氣液相間傳熱傳質(zhì)的主要因素；本研究體系下路易斯準(zhǔn)數(shù)在0.75～0.85范圍內(nèi)。

氣液交叉流；冷凝；傳熱傳質(zhì)；直列與錯(cuò)列

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境的日趨重視，于2016年1月1日全國(guó)實(shí)施《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)。該標(biāo)準(zhǔn)增加了臭氧和PM2.5兩項(xiàng)污染物控制指標(biāo)，規(guī)定PM2.5年平均小于35μg/m3?；剂先紵?，如火電廠發(fā)電燃煤尾氣是PM2.5的主要來(lái)源之一。從美國(guó)國(guó)家航空航天局2010年9月公布的世界各地PM2.5的密度圖來(lái)看，在我國(guó)東部沿海地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度高達(dá)80μg/m3。源頭控制PM2.5勢(shì)在必行。

現(xiàn)有PM2.5脫除技術(shù)主要有纖維過(guò)濾、特殊場(chǎng)分離以及濕法分離。纖維過(guò)濾[1,2]的分離機(jī)理是細(xì)小顆粒由布朗運(yùn)動(dòng)引起的擴(kuò)散沉積。具有分離效率高的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在阻力大、過(guò)濾材料再生難等不足；特殊場(chǎng)分離技術(shù)主要是依靠引入電場(chǎng)[3,4]、磁場(chǎng)[5]、聲場(chǎng)[6-8]等使顆粒受到一場(chǎng)力的作用，加速其在固體表面上的沉積。不過(guò)目前該方法并未廣泛用于工業(yè)尾氣處理中；傳統(tǒng)濕法分離主要是利用氣液兩相間高比表面實(shí)現(xiàn)微小顆粒的洗滌，該技術(shù)分離效率高，不過(guò)存在因霧沫夾帶帶來(lái)的二次分離問(wèn)題[9]。

基于此，提出了利用高溫含濕氣體橫掠冷卻液柱流陣列實(shí)現(xiàn)凈化氣體的方法[10]。該方法具有推動(dòng)力大、分離效率高、阻力小且霧沫夾帶少等特點(diǎn)。為此本文研究了含濕氣體橫掠冷卻液柱流陣列的氣液相際熱質(zhì)傳遞特性，以期優(yōu)化氣體凈化系統(tǒng)的過(guò)程參數(shù)以及指導(dǎo)設(shè)備制造。

1 氣液交叉流冷凝過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型

高溫含濕氣體橫掠冷卻液柱流陣列，氣相主體濕分壓力大于液柱流表面飽和濕分壓力，濕蒸汽從氣相主體向液柱流表面?zhèn)鬟f，即液柱流表面冷凝和氣體降溫減濕過(guò)程。在下述簡(jiǎn)化假設(shè)條件下建立該過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型：

(1)僅考慮含濕氣體沿流動(dòng)方向的溫度、濕度變化，將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化成一維；

(2)忽略液柱流熱焓變化；

(3)因液柱流表面更新較快，將液柱流溫度視為均勻，且等于其進(jìn)口溫度；

(4)忽略液柱表面收縮，將液柱流視為圓柱。

圖1是氣液交叉流冷凝過(guò)程一維示意圖。以含濕氣體為研究對(duì)象，取微元控制體dl。

圖1 氣液交叉流冷凝過(guò)程微元控制體示意圖Fig.1 Schemeofgas-liquid cross-flow condensation process control system

控制體內(nèi)傳熱方程由式(1)表達(dá)：

控制體內(nèi)濕蒸汽傳質(zhì)方程由式(2)表達(dá)：

式(1)、(2)中：wn-絕干氣體質(zhì)量流量，kg/s；cH-干基濕比容，J/(kg·K)；T-干球溫度，K；h-給熱系數(shù)，W/(m2· K)；Tliq-液柱流溫度，K；a-液柱流陣列比表面積，m2/ m3；S-氣體流通橫截面積，m2；H-含濕量，為m(H2O)/ m(絕干氣)；kH-傳質(zhì)系數(shù)，kg(絕干氣)/(m2·s)；Hliq-液柱流表面溫度對(duì)應(yīng)的飽和含濕量，為m(H2O)/m(絕干氣)。

由式(1)、(2)可獲得氣液交叉流冷凝過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，即給熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)，分別如表達(dá)式(3)和(4)。

式(3)和(4)中，A為液柱流陣列表面積，可由式(5)近似計(jì)算。

其中：n-液柱流根數(shù)；d0-液柱流直徑，m；L0-液柱流長(zhǎng)度，m。不同實(shí)驗(yàn)工況下，通過(guò)測(cè)得氣體流量、氣體的進(jìn)出口溫度、濕度以及液體的溫度，可先獲得傳質(zhì)系數(shù)kH；再采用數(shù)值解法求解式(3)，進(jìn)而獲得給熱系數(shù)h。

根據(jù)Chilton-Colburn J因子的類(lèi)比關(guān)系[11]，給出描述氣液交叉流冷凝過(guò)程傳熱速率與傳質(zhì)速率之比的路易斯準(zhǔn)數(shù)Le，如式(6)所示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

本文利用如圖2所示的氣液交叉流冷凝實(shí)驗(yàn)裝置獲得其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。裝置主要由氣液交叉流冷凝室、風(fēng)機(jī)、蒸汽發(fā)生裝置、電加熱器、離心泵、恒溫水槽組成。其中冷凝室的幾何尺寸為80×80×50mm，多孔布液器上開(kāi)孔孔徑d0=5mm，開(kāi)孔布置分直列和錯(cuò)列兩種，如圖3所示。

恒溫水槽將儲(chǔ)水池內(nèi)的液體溫度降低至實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度后，磁力泵將恒溫水槽內(nèi)的水加壓并通過(guò)液體流量計(jì)計(jì)量，送入冷凝室頂部的儲(chǔ)液槽，通過(guò)多孔板布液器使之均勻分布，形成連續(xù)穩(wěn)定液柱流；氣體經(jīng)風(fēng)機(jī)加壓，由氣體流量計(jì)計(jì)量后，與蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽混合并由電換熱器中加熱，進(jìn)入氣液交叉流冷凝室，與液柱流陣列形成交叉流動(dòng)發(fā)生傳熱傳質(zhì)，最后從冷凝室出口流出。氣液交叉流冷凝室頂部及底部分別安裝溫度計(jì)測(cè)量液體溫度；冷凝室的氣體入口和出口處分別安裝數(shù)顯溫濕度計(jì)測(cè)量氣體溫度及相對(duì)濕度。實(shí)驗(yàn)控制含濕氣體進(jìn)口溫度和相對(duì)濕度分別在55～60℃和25%～30%范圍內(nèi)。每組實(shí)驗(yàn)液體進(jìn)出冷凝室的溫差皆小于0.2℃。

圖2 氣液交叉流冷凝實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Experimental setup scheme of gas-liquid cross flow condensation process

圖3 布液器開(kāi)孔布置示意圖Fig.3 Schematic openings layout of liquid distributor

3 結(jié)果與討論

3.1 液柱流陣列排列方式影響

圖4、5分別給出了在液速為0.79m/s條件下，液柱流陣列排列方式對(duì)給熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)的影響。可見(jiàn)，給熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)隨氣速增大而顯著增加；在同一氣速條件下，錯(cuò)列排列對(duì)應(yīng)的給熱系數(shù)值和傳質(zhì)系數(shù)值為直列排列對(duì)應(yīng)值的1.2～1.4倍。這主要是由于氣體繞流錯(cuò)列排列的液柱流陣列更有助于增強(qiáng)氣體的湍動(dòng)，強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程。

圖4 液柱流陣列排列方式對(duì)給熱系數(shù)的影響Fig.4 Effect of liquid column arrangement on heat transfer coefficient

圖5 液柱流陣列排列方式對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.5 Effect of liquid column arrangement on mass transfer coefficient

3.2 液柱流速影響

圖6、7分別給出了液柱流速對(duì)給熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)的影響?？梢?jiàn)直列與錯(cuò)列排列條件下皆表現(xiàn)出：低氣速下，隨液柱流速的增大，給熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)增加趨勢(shì)明顯；而高氣速下，給熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)隨液柱流速的增大變化趨勢(shì)不明顯。以氣體流速為1.30m/s，錯(cuò)列排列的實(shí)驗(yàn)工況為例，液柱流速?gòu)?.53m/s增至1.0m/s，給熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)分別從111.6W/(m2·K)和0.134kg(絕干氣)/(m2·s)增加至134.1W/(m2·K)和0.163kg(絕干氣)/(m2·s)，增幅分別達(dá)20.2%和21.1%；而氣體流速為2.50m/s，液柱流速?gòu)?.53m/s增至1.0m/s，給熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)分別維持在190W/(m2·K)和0.24kg(絕干氣)/(m2·s)左右。這主要是由于在低氣速條件下，液柱流動(dòng)誘發(fā)氣體在氣液界面附近發(fā)生湍動(dòng)，強(qiáng)化了氣液相間的傳熱傳質(zhì)過(guò)程；而高氣速條件下，由液柱流動(dòng)誘發(fā)的氣體湍動(dòng)程度較高氣速氣體繞流液柱引起的湍動(dòng)小，給熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)不隨液柱流速改變而改變。

圖6 液柱流速對(duì)給熱系數(shù)的影響Fig.6 Effect of liquid column flow rate on heat transfer coefficient

圖7 液柱流速對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.7 Effect of liquid column flow rate on mass transfer coefficient

3.3 熱質(zhì)傳遞規(guī)律

為進(jìn)一步探討氣液交叉流冷凝過(guò)程熱量質(zhì)量傳遞規(guī)律，圖8給出了不同實(shí)驗(yàn)工況下的路易斯準(zhǔn)數(shù)。可見(jiàn)，在本研究體系下路易斯數(shù)Le值在0.75～0.85的范圍內(nèi)。這一結(jié)果與常壓下空氣-水系統(tǒng)獲得的Le值約為0.868的結(jié)果[11]是一致的。

圖8 不同實(shí)驗(yàn)工況下的Le值Fig.8 Lewis numbers in various experimental conditions

4 結(jié)論

(1)相同氣速下，錯(cuò)列排列對(duì)應(yīng)的給熱系數(shù)值和傳質(zhì)系數(shù)值為直列排列對(duì)應(yīng)值的1.2～1.4倍；

(2)低氣速下，液柱流動(dòng)誘發(fā)氣液界面附近的氣體發(fā)生湍動(dòng)是強(qiáng)化氣液相間傳熱傳質(zhì)過(guò)程的主要因素；而高氣速下，氣體繞流液柱引起的自身湍動(dòng)是強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程的主要因素；

(3)本研究體系下，描述氣液交叉流冷凝過(guò)程傳熱速率與傳質(zhì)速率之比的路易斯準(zhǔn)數(shù)Le在0.75～0.85范圍內(nèi)。該研究結(jié)果對(duì)氣液交叉流氣體凈化系統(tǒng)的過(guò)程參數(shù)優(yōu)化及設(shè)備制造具有指導(dǎo)意義。

[1]Brunazzi E,Paglianti A.Design of complex wire-mesh mist eliminators[J].AICHE J,2000,46：1131-1137.

[2]Steffens J,Coury J R.Collection efficiency of fiber filters operating on the removal of nano-sized aerosol particles：Homogeneous fibers[J].Sep Purif Technol,2007,58：99-112.

[3]Kwetkus B A.Particle triboelectrification and its use in the electrostatic separation process [J].Particul Sci Technol,1998,16：55-68.

[4]Byeon J H,Hwang J,Park J H,et al.Collection of submicron particles by an electrostatic precipitator using a dielectric barrier discharge[J].J Aerosol Sci,2006,37：1618-1628.

[5]李永旺,趙長(zhǎng)遂,吳新,等.燃煤可吸入顆粒物在磁場(chǎng)中聚并脫除機(jī)理[J].化工學(xué)報(bào)，2007,58(4)：987-993.

[6]Hoffmann T L,Koopmann G H.Visualization of acoustic particle interaction and agglomeration：theory and experiments[J].J Acoust Soc AM,1996,99：2130-2141.

[7]袁竹林,凡鳳仙,姚剛,等.聲波對(duì)懸浮PM2.5作用的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2005,11(4)：298-302.

[8]張光學(xué),劉建忠,周俊虎,等.燃煤飛灰低頻下聲波團(tuán)聚的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào)，2009,60(4)：1001-1006.

[9]Akbar M K,Ghiaasiaan S M.Monte Carlo simulation of aerosol transport in rising gas bubbles undergoing shape deformation[J].J Aerosol Sci,2006,37：735-749.

[10]張峰榛,劉興勇,楊虎,等.一種多級(jí)濕法脫除工業(yè)尾氣中PM2.5的方法[P].CN：2015103523369,2015.

[11]陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理(下)[M].第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：219-224.

Characteristics of heat and mass transfer in condensation processof gas-liquid cross flow device

ZHANG Feng-zhen,YANG Hu,LIU Xing-yong
（School of Material and Chemical Engineering,Sichuan University of Science and Engineering,Zigong 643000,China）

The heat and mass transfer models for the condensation process of liquid-gas cross flow were established mathematically,and the expressions of heat and mass transfer coefficients were obtained.The characteristics of high temperature and humidity gas that flowed across an array of liquid columns were experimentally studied in various working conditions to get the heat and mass transfer coefficient.The results show that the heat and mass transfer coefficients of the staggered arrangement are 20%-40%higher than that of the aligned arrangement,and the gas turbulence near the gas-liquid interface caused by the flow of the liquid columns and the gas turbulence caused by the gas flow around liquid columns are the main factors that intensify the heat and mass transfer in low and high gas flow rates,respectively.The Lewis numbers in this study are between 0.75 and 0.85.

gas-liquid cross flow;condensation;heat and mass transfer;aligned arrangement and staggered arrangement

TQ02

：A

：1001-9219(2016）04-77-04

2016-03-16；

：四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014GZ0132），四川理工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目（2012RC07）；

：張峰榛（1980-），男，講師，電話 15881329605，電郵zhangfengzhen421@163.com。