超重機中的氣液直接傳熱性能

李 艷 ，劉有智，于娜娜，王篤政

（中北大學化工與環境學院，山西省超重力化工工程技術研究中心，山西 太原030051）

研究開發

超重機中的氣液直接傳熱性能

李 艷 ，劉有智，于娜娜，王篤政

（中北大學化工與環境學院，山西省超重力化工工程技術研究中心，山西 太原030051）

采用熱空氣-水體系，在轉速為200～1400 r/min、水流量為40～140 L/h、熱空氣范圍為3～15 m3/h的實驗條件下，研究了熱空氣-水在超重機中的傳熱性能。實驗結果表明：總傳熱系數隨著轉速的升高而增大，隨著水流量的增加而增大，但增幅減小，隨著熱空氣流量的增加而增加。對傳熱單元高度的計算和分析也驗證了傳熱效果的增強。最后推導出傳熱系數關聯式，且進行了統計檢驗，所得關聯式與實驗數據擬合較好。

超重機；傳熱性能；傳熱系數；操作參數；關聯式

Abstract：Under the operation condition of rotating speed of 200～1400 r/min，water flow rate of 40～140 L/h，hot air flow rate of 3～15 m3/h，the heat transfer characteristics of high gravity rotary device was studied with the water-hot air system. The experimental results showed that heat transfer coefficient increased with the increase of rotating speed，water flow rate and hot air flow rate，but the slope of increase reduced with the increase of water flow rate. The increase of heat transfer was also proven by calculation and analysis of heat transfer unit height. Finally an empirical correlation of heat transfer coefficient was derived through dimensional analysis. The statistical tests showed that the results predicted by the correlation equation were in good agreement with the experimental data.

Key words：high gravity rotary device；heat transfer characteristics；heat transfer coefficient；operational parameters；correlation

超重力技術是化工過程強化的有效方法之一，廣泛應用于精餾、分離（除塵、除霧、煙氣中二氧化硫及有害氣體的去除、液-液分離、液-固分離）、吸收（對天然氣的干燥、脫碳、脫硫以及對二氧化碳的吸收）、解吸（從受污染的地下水中吹出芳烴）、聚合反應、聚合物脫除揮發物等化工過程[1-7]。在傳熱方面的研究也同樣引起了人們的廣泛關注。鄧先和等[8-9]采用噴霧區分格計算的方法對錯流結構的多級霧化旋轉填料床的傳熱過程進行計算，得出了傳熱系數的表達式；李正林等[10]采用因次分析方法對定-轉子反應器傳熱特性進行了研究，該反應器和普通超重機比較傳熱面積是固定的，而且研究過程中熱流體充足供應從而簡化了傳熱；徐春艷等[11-12]用熱電偶和計算機結合研究了液量等操作參量對旋轉床填料內徑向溫度分布的影響，但沒有對傳熱過程進行研究。

本文作者從空氣-水直接接觸傳熱實驗和因次分析法入手，試圖探索普通結構的超重機的傳熱過程的規律，得出傳熱總系數關聯式，為超重力場中的直接接觸式傳熱以及精餾、吸收、反應過程中涉及的傳熱提供理論研究基礎，為超重機的優化設計提供依據。

1 實驗裝置和流程

1.1 超重機強化傳熱機理

超重力場的傳熱過程是在如圖1所示的自制超重機（超重機的結構參數如表 1）內冷熱流體間直接接觸完成的，由于高速旋轉的填料對液體有高剪切作用，把液體分割成具有一定線速度的極薄的液膜和細小的液滴。氣體通過高速旋轉、彎曲、狹窄多變的、充滿極薄液膜和細小液滴的填料層中的空隙時，熱空氣和液體都與填料形成了急速的碰撞接觸，使得熱膜厚度減小，提高了傳熱系數，使得傳熱、傳質過程得以強化。

圖1 超重機結構示圖

表1 超重機傳熱裝置結構參數

1.2 超重機總傳熱系數K

對超重機空腔區傳熱系數進行因次分析[13]，見式（1）、式（2）。

由于實驗過程中壓力相同，實驗介質、液體的物性參數在實驗溫度范圍內取均值，為了研究方便，可將式（1）、式（2）中有關數值用直接測量的數值表示，則空腔區液體傳熱系數直接表示為式（3）。

式（3）、式（4）中，N為中轉速、q為液體流量、G為熱氣體流量。

忽略管內外污垢熱阻與管壁熱阻，則總傳熱系數見式（5）。

即從強化機理與總傳熱系數關聯式推導，可以得出：總傳熱系數K與氣體流量、液體流量、液體黏度、轉速有關。因為傳統的直接接觸式傳熱是以空氣與水為基礎研究的，為了向傳統的直接接觸式傳熱理論靠攏，本實驗選取的是熱空氣和冷卻水系統，在實驗溫度范圍內空氣和水的黏度變化不大，無液體汽化現象。且根據理論值估算以及實驗值計算α0+αi接近于0.6倍的超重力因子，見式（7）。

因此，本實驗的主要影響因素為氣量、液量和轉速。

1.3 實驗部分

超重機的傳熱實驗流程圖如圖2所示。實驗所用的空氣氣流由羅茨風機供給，通過空氣緩沖罐，為控制氣體的流量，在氣體流量計之前有一個控制閥，以此來調節風機的進風量。轉子流量計可以準確讀出進入超重機的氣體流量。通過流量計之后接有一個電加熱器，氣流在電加熱器內被加熱到合適的溫度（溫度由一個電壓控制器變換電壓控制）。從電加熱器內出來的高溫空氣送入超重機，在超重機的氣體進口處連接一個干球溫度計，可以讀出氣體進口溫度。換熱后，氣體由排氣口排出，經過溫度計和轉子流量計分別測出氣體出口的溫度與流量。在超重機進風前，水通過離心泵由水槽接入，然后通過控制閥和轉子流量計，從進水管進入超重機。在進水口之前也連有一溫度計以測量進水溫度。在超重機中氣液經過充分接觸，快速完成氣液傳熱過程。液體由下部出水口排出，液體出口連有溫度計測量出水的溫度。

圖2 超重機傳熱實驗流程圖

研究過程中，所有數據都采用正交實驗處理，非單因素關系，液體流量范圍為40～140 L/h，轉速范圍為200～1400 r/min；熱氣體流量范圍為3～15 m3/h，空氣的溫度范圍為16～200 ℃，水的溫度范圍在15～60 ℃。

2 結果與分析

用總傳熱系數K評價傳熱性能，最后用傳熱單元高度來驗證傳熱效果。傳熱單元高度的計算方法如式（8）。

式中，I1、I2分別為氣體進、出超重機的焓，Is為換熱后對應水溫下飽和濕空氣的焓。

2.1 操作條件對傳熱的影響

2.1.1 轉速對總傳熱系數的影響

如圖 3所示，液量不變，氣體進口流量為 13 m3/h，隨著轉速的升高，總傳熱系數K緩慢增大。產生這種現象的原因是：通過轉速的提高調節了超重力場的強度，一般用超重力因子來表征超重力場的強度，當轉速增加的時候，超重力因子增加，超重力場的強度增加，液體分散成更多的小液滴，分布情況得到改善，傳熱面和相界面上液滴增多，相界面更新加快有效地提高和利用了傳熱面積；此外液體不斷被剪切，湍動程度加劇，增強了傳熱效果。

圖3 轉速對總傳熱系數的影響

2.1.2 液量對總傳熱系數的影響

如圖 4所示，轉速不變，氣體進口流量為 14 m3/h，隨著液量的增加，總傳熱系數K增大，而且從一開始的迅速增加到后來的增速變緩。產生這種現象的原因是：在轉速相同的情況下，液量大，則液體受剪切分散成的小液滴更多，與相界面換熱面積的增大，提高了傳熱效果。因為傳熱的速度很快，一定相界面上的熱氣體和水的溫度相等時，熱量交換達到平衡狀態，液量的影響變小，這時傳熱系數就趨向一個固定值。

2.1.3 氣量對總傳熱系數的影響

圖4 液體流量對總傳熱系數的影響

圖5 氣體流量對總傳熱系數的影響

如圖 5所示，轉速不變，液體進口流量為 90 L/h，隨著熱氣體的增加，總傳熱系數 K增大。產生這種現象的原因是：在轉速相同的情況下，熱流率增大，相間換熱的面積增大，給熱增大，湍流程度增大，有效地提高了換熱效果；且液量大，液體受剪切分散成的小液滴更多，提高了傳熱效果。

2.2 傳熱性能的驗證

超重機的傳熱單元高度表達式見式（1），據式（1）得到不同操作條件下的等板高度數據如圖6所示。

圖6 轉速、液體流量對傳熱單元高度的影響

從圖6得到，固定氣體進口流量為13 m3/h，在轉速為200～1400 r/min、液體流量范圍為50～150 L/h時傳熱單元高度在(1.09×10－2)～(3.0×10－1) m之間，較普通傳熱提高了2～3個數量級；且隨著轉速和液體流量的增加，傳熱單元高度呈單調下降趨勢，這兩點充分的驗證了超重機增強了傳熱效果。

2.3 傳熱系數關聯式

研究結果顯示，超重機的總傳熱系數與轉速N、液體流量q、熱氣體流量G成冪指數關系。因此可將超重力總傳熱系數表達為K=ANaqbGc。應用最小二乘法對式（6）進行線性回歸，并通過試驗所測數據求解系數后得到超重機總傳熱系數關聯式如式（9）。

根據線性回歸的結果統計檢驗表明：在本文的實驗條件下，計算值K′與實驗測定值K的偏差在±15%以內，關聯式與實驗數據吻合良好（圖7）。

圖7 總傳熱系數擬合結果與實驗結果的對比曲線

實驗誤差分析原因：①忽略實驗溫度范圍內水和空氣的黏度變化的影響，這種實驗方法對實驗結果會產生一定的誤差；②實驗過程中對熱損失的考慮不夠詳細，也存在一定的誤差；③實驗儀器誤差，如液體流量計產生誤差、熱電阻測量及儀表顯示誤差。

3 結 論

通過以上實驗結果的分析討論，對超重機傳熱特性研究得出如下結論。

（1）液量不變，隨著轉速的升高，總傳熱系數K緩慢增大。轉速不變，隨著液量的增加， K增大。轉速不變，隨著熱氣體的增加，K增大。

（2）在轉速為200～1400 r/min、液體流量范圍為50～150 L/h時傳熱單元高度較普通傳熱提高了2～3個數量級；且隨著轉速和液體流量的增加，傳熱單元高度呈線性下降趨勢，這兩點充分驗證了超重機增強了傳熱效果。

（3）得出基于實驗的超重機的總傳熱系數關聯式K=5.76×10－3N0.3754q0.7453G1.2917，經統計方法驗證，此關聯式與實驗數據擬合較好，為超重機的后續研究提供傳熱基礎數據。

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Gas-liquid heat transfer characteristics of high gravity rotary device

LI Yan，LIU Youzhi，YU Nana，WANG Duzheng
（School of Chemical Engineering and Environment，Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

TQ 021.3；TQ 051

A

1000–6613（2011）04–0729–05

2010-09-26；修改稿日期：2010-11-09。

及聯系人：李艷（1978—），女，講師，研究方向為超重力場中的傳熱。E-mail 48228656@qq.com。