流態化顆粒流對換熱面的傳熱系數影響的CAT測定

李群松

摘 要：結合CAT技術，研制了一套對換熱器在不同工況下的傳熱系數的測定試驗臺，該試驗臺采用流態化球顆粒對換熱器進行強化傳熱及自動清洗防垢測試，并利用計算機得到的數據作為控制反饋各個工藝參數，如：進出口流量、球顆粒濃度、液面高度、結晶物排放時間等等，使得換熱器始終保持在良好的工作狀態下運行，實驗結果表明：該技術可行，具有極大的研究及工程應用價值。

中圖分類號：TK229 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0017-02

換熱器的強化傳熱及自動清洗是業內研究的熱點，吸引了眾多學者的關注，研究表明，傳熱面流態化球顆粒在換熱管內存在高速滾動和相對換熱管壁面的滑動，該種合成運動能對邊界層進行直接攪混強化了傳熱，同時也對換熱管進行了有效的清洗[1-4]。

文章針對結晶蒸發設備，設計了一試驗臺。綜合采用了CAT技術及流態化球顆粒自動清洗及強化傳熱技術，使其可以按既可以按要求自動控制其工藝過程，如：進料及出料、結晶物排出時間等等，又能自動控制換熱管清洗的時間，使得設備始終保持在良好的工況下運行。通過該平臺可以實現對流傳熱系數的測定，目前，國內外還未見此類報道。

1 基本原理

試驗裝置設計如圖1所示。母液從進口管1進入蒸發器，均勻的進入換熱管2，加熱蒸汽從管3進入殼程，冷凝水從管4出口，底部5為電加熱室，二次蒸汽由羅茨風機引出。操作時應保證管板上始終有3～5 mm的液面高度，羅茨風機液封面必須保證，有最低液面要求（見圖1最低液面指示線7）。底部結晶物高度達到指定高度時自動排放。當傳熱系數將至某一值時自動開啟粒子流閥門，球顆粒從頂部進口管6均勻的進入換熱管，球顆粒在換熱管中作高速滾動，并沿著換熱管壁面作小速度滑動。

在該裝置中需要控制的參數：（1）蒸汽進口溫度。（2）冷凝水出口溫度。（3）羅茨風機液封高度（最高與最低）。（4）結晶體高度。（5）結晶體排放時間。（6）傳熱系數k。（7）球顆粒開啟閥門控制。（8）球顆粒回收控制。各個參數的控制通過不同類型的傳感器進行。各傳感器將數據采集，經A/D轉換為計算機信號。

2 參數控制與處理（測控系統）

2.1 測控系統結構

CAT的任務就是運用智能檢測技術、計算機技術和控制技術來測試和調控傳熱系統的性能。在此過程中，計算機的任務是：調節和控制傳熱參數，如各進出口溫度、壓力、流量等;采集試驗數據;數據處理;試驗結果顯示、打印、繪圖，從而實現傳熱系統測試過程的全過程自動化。它具有程序自動控制和人工控制兩種信號輸入方式，采用這種模式的傳熱CAT系統，能夠通過交互作用對系統實行閉環控制，系統性能優越，測試精度高。

2.2 傳感器

傳熱CAT系統涉及了溫度、流量、壓力和液面的檢測，要求各傳感器具有防腐和隔爆功能。

2.3 控制執行器

循環結晶槽結晶沉降料位控制采用電動球型開關閥BQ41F。出于節能考慮，循環結晶槽液面控制擯棄了傳統的調節閥控制回流的控制手段，采用了變頻控制，執行機構采用了西門子公司MicroMaster430變頻器。

2.4 數據采集卡

數據采集卡（DAQ）負責從傳感器自動采集電量信號，送到上位機中進行分析和處理。并輸出控制信號給執行結構。數據采集卡結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。傳熱CAT系統采用了NI公司的PCI6220數據采集卡，通過PCI總線接入個人計算機。

2.5 抗干擾措施

為了保證計算機控制系統長期穩定可靠地運行，良好的接地系統是必不可少的，不僅供電系統要有良好的接地，更重要的是要為計算機控制系統埋設專門的接地點，敷設專門的接地線。本測試系統采用單點接地。

2.6 傳熱系數的反饋與控制

傳熱系數K的測定是一個非常重要的環節，我們不能直接在儀表上得到它，需要進行一系列的計算，準確的得出與各個參數的關聯式，利用LabVIEW在計算機上數顯出傳熱系數的大小。并且還要通過它反饋控制其他的參數，如閥門的開啟、液位的控制等到。

傳熱系數K的計算基本方程式為：

其中 K為總傳熱系數，W/（m2.K）;

S為傳熱面積為設備常數，按規定須以傳熱管外徑面積計算，m2;

Q為傳熱的熱功率，W。其值采用冷卻水通過傳熱管得到的熱功率的實測值，計算式為由于冷卻水的進出口溫度相差不大，一般只有3℃左右，有時甚至只有1℃，成為傳熱系數K測量精度的控制因素。為此建議直接測量兩者的溫差。

式中的V為冷卻水的體積流量，;

為冷卻水的密度，kg/m3;

為冷卻水的比熱，J/（kg.K）;

為傳熱管內冷卻水的進出口溫度，℃;

為傳熱溫差，℃。由于冷卻水的進出口溫度相差不大，因此，對數平均溫度可以用算數平均溫度代替，并且誤差很小。因此，有：

為加熱蒸汽的溫度，℃。

因此，與直接測量參數相關的傳熱系數計算式為：

雖然系數在同一個實驗過程中為常數，但是對不同物料的實驗卻不是常數，因此，要求數據處理系統有兩個參數可以人工修改。

3 強化傳熱及自動清洗試驗

3.1 測試平臺試驗結果

利用該裝置進行一系列試驗，得到無顆粒摻入流體及有顆粒（體積比例為2%）摻入的強化傳熱對比圖。顯然，采用流態化球顆粒強化傳熱及自動清洗效果非常明顯，其強化傳熱效果優于傳統的其他管內插入件。（見圖2）

3.2 數值模擬結果

簡化試驗模型，利用FLUENT及其組合軟件對系統進行了數值模擬得到圖3、圖4。

數值模擬結果與測試系統的測試結果比較吻合，說明裝置的設計是合理、有效的。

4 結論

（1）流態化固體顆粒流對傳熱面強化傳熱效果明顯。

（2）利用該試驗裝置能較準確的測定傳熱面的傳熱系數，測試數據是有效的，為相關研究提供了很好的試驗平臺。

參考文獻

[1] 溫娟，丁京偉，齊承英，等.壁面擾流影響邊界層湍流擬序結構及強化傳熱機理的研究[J].河北工業大學學報，2009，38（3）.

[2] 彭德其，支校衡，俞秀民.管口沖推塑料螺旋線自轉清洗防垢及其傳熱強化[J].礦機械，2005（9）：29-31.

[3] Deqi PENG，XiaoHeng ZHI， XiuMin YU，et al.Research on vertical water-cooled condensers of fluidized-bed of internal circulation with bubble cap plate[J].The 3rd International Symposium On Heat Transfer Enhancement And Energy Conservation，2004：880-884.

[4] 俞天蘭，彭德其，俞秀民，等.汽輪機冷凝器自轉塑料紐帶自動在線連續除垢防垢技術研究[J].現代化工，2002（6）：44-46.

摘 要：結合CAT技術，研制了一套對換熱器在不同工況下的傳熱系數的測定試驗臺，該試驗臺采用流態化球顆粒對換熱器進行強化傳熱及自動清洗防垢測試，并利用計算機得到的數據作為控制反饋各個工藝參數，如：進出口流量、球顆粒濃度、液面高度、結晶物排放時間等等，使得換熱器始終保持在良好的工作狀態下運行，實驗結果表明：該技術可行，具有極大的研究及工程應用價值。

中圖分類號：TK229 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0017-02

換熱器的強化傳熱及自動清洗是業內研究的熱點，吸引了眾多學者的關注，研究表明，傳熱面流態化球顆粒在換熱管內存在高速滾動和相對換熱管壁面的滑動，該種合成運動能對邊界層進行直接攪混強化了傳熱，同時也對換熱管進行了有效的清洗[1-4]。

文章針對結晶蒸發設備，設計了一試驗臺。綜合采用了CAT技術及流態化球顆粒自動清洗及強化傳熱技術，使其可以按既可以按要求自動控制其工藝過程，如：進料及出料、結晶物排出時間等等，又能自動控制換熱管清洗的時間，使得設備始終保持在良好的工況下運行。通過該平臺可以實現對流傳熱系數的測定，目前，國內外還未見此類報道。

1 基本原理

試驗裝置設計如圖1所示。母液從進口管1進入蒸發器，均勻的進入換熱管2，加熱蒸汽從管3進入殼程，冷凝水從管4出口，底部5為電加熱室，二次蒸汽由羅茨風機引出。操作時應保證管板上始終有3～5 mm的液面高度，羅茨風機液封面必須保證，有最低液面要求（見圖1最低液面指示線7）。底部結晶物高度達到指定高度時自動排放。當傳熱系數將至某一值時自動開啟粒子流閥門，球顆粒從頂部進口管6均勻的進入換熱管，球顆粒在換熱管中作高速滾動，并沿著換熱管壁面作小速度滑動。

在該裝置中需要控制的參數：（1）蒸汽進口溫度。（2）冷凝水出口溫度。（3）羅茨風機液封高度（最高與最低）。（4）結晶體高度。（5）結晶體排放時間。（6）傳熱系數k。（7）球顆粒開啟閥門控制。（8）球顆?；厥湛刂?。各個參數的控制通過不同類型的傳感器進行。各傳感器將數據采集，經A/D轉換為計算機信號。

2 參數控制與處理（測控系統）

2.1 測控系統結構

CAT的任務就是運用智能檢測技術、計算機技術和控制技術來測試和調控傳熱系統的性能。在此過程中，計算機的任務是：調節和控制傳熱參數，如各進出口溫度、壓力、流量等;采集試驗數據;數據處理;試驗結果顯示、打印、繪圖，從而實現傳熱系統測試過程的全過程自動化。它具有程序自動控制和人工控制兩種信號輸入方式，采用這種模式的傳熱CAT系統，能夠通過交互作用對系統實行閉環控制，系統性能優越，測試精度高。

2.2 傳感器

傳熱CAT系統涉及了溫度、流量、壓力和液面的檢測，要求各傳感器具有防腐和隔爆功能。

2.3 控制執行器

循環結晶槽結晶沉降料位控制采用電動球型開關閥BQ41F。出于節能考慮，循環結晶槽液面控制擯棄了傳統的調節閥控制回流的控制手段，采用了變頻控制，執行機構采用了西門子公司MicroMaster430變頻器。

2.4 數據采集卡

數據采集卡（DAQ）負責從傳感器自動采集電量信號，送到上位機中進行分析和處理。并輸出控制信號給執行結構。數據采集卡結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。傳熱CAT系統采用了NI公司的PCI6220數據采集卡，通過PCI總線接入個人計算機。

2.5 抗干擾措施

為了保證計算機控制系統長期穩定可靠地運行，良好的接地系統是必不可少的，不僅供電系統要有良好的接地，更重要的是要為計算機控制系統埋設專門的接地點，敷設專門的接地線。本測試系統采用單點接地。

2.6 傳熱系數的反饋與控制

傳熱系數K的測定是一個非常重要的環節，我們不能直接在儀表上得到它，需要進行一系列的計算，準確的得出與各個參數的關聯式，利用LabVIEW在計算機上數顯出傳熱系數的大小。并且還要通過它反饋控制其他的參數，如閥門的開啟、液位的控制等到。

傳熱系數K的計算基本方程式為：

其中 K為總傳熱系數，W/（m2.K）;

S為傳熱面積為設備常數，按規定須以傳熱管外徑面積計算，m2;

Q為傳熱的熱功率，W。其值采用冷卻水通過傳熱管得到的熱功率的實測值，計算式為由于冷卻水的進出口溫度相差不大，一般只有3℃左右，有時甚至只有1℃，成為傳熱系數K測量精度的控制因素。為此建議直接測量兩者的溫差。

式中的V為冷卻水的體積流量，;

為冷卻水的密度，kg/m3;

為冷卻水的比熱，J/（kg.K）;

為傳熱管內冷卻水的進出口溫度，℃;

為傳熱溫差，℃。由于冷卻水的進出口溫度相差不大，因此，對數平均溫度可以用算數平均溫度代替，并且誤差很小。因此，有：

為加熱蒸汽的溫度，℃。

因此，與直接測量參數相關的傳熱系數計算式為：

雖然系數在同一個實驗過程中為常數，但是對不同物料的實驗卻不是常數，因此，要求數據處理系統有兩個參數可以人工修改。

3 強化傳熱及自動清洗試驗

3.1 測試平臺試驗結果

利用該裝置進行一系列試驗，得到無顆粒摻入流體及有顆粒（體積比例為2%）摻入的強化傳熱對比圖。顯然，采用流態化球顆粒強化傳熱及自動清洗效果非常明顯，其強化傳熱效果優于傳統的其他管內插入件。（見圖2）

3.2 數值模擬結果

簡化試驗模型，利用FLUENT及其組合軟件對系統進行了數值模擬得到圖3、圖4。

數值模擬結果與測試系統的測試結果比較吻合，說明裝置的設計是合理、有效的。

4 結論

（1）流態化固體顆粒流對傳熱面強化傳熱效果明顯。

（2）利用該試驗裝置能較準確的測定傳熱面的傳熱系數，測試數據是有效的，為相關研究提供了很好的試驗平臺。

參考文獻

[1] 溫娟，丁京偉，齊承英，等.壁面擾流影響邊界層湍流擬序結構及強化傳熱機理的研究[J].河北工業大學學報，2009，38（3）.

[2] 彭德其，支校衡，俞秀民.管口沖推塑料螺旋線自轉清洗防垢及其傳熱強化[J].礦機械，2005（9）：29-31.

[3] Deqi PENG，XiaoHeng ZHI， XiuMin YU，et al.Research on vertical water-cooled condensers of fluidized-bed of internal circulation with bubble cap plate[J].The 3rd International Symposium On Heat Transfer Enhancement And Energy Conservation，2004：880-884.

[4] 俞天蘭，彭德其，俞秀民，等.汽輪機冷凝器自轉塑料紐帶自動在線連續除垢防垢技術研究[J].現代化工，2002（6）：44-46.

摘 要：結合CAT技術，研制了一套對換熱器在不同工況下的傳熱系數的測定試驗臺，該試驗臺采用流態化球顆粒對換熱器進行強化傳熱及自動清洗防垢測試，并利用計算機得到的數據作為控制反饋各個工藝參數，如：進出口流量、球顆粒濃度、液面高度、結晶物排放時間等等，使得換熱器始終保持在良好的工作狀態下運行，實驗結果表明：該技術可行，具有極大的研究及工程應用價值。

中圖分類號：TK229 ? ?文獻標識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0017-02

換熱器的強化傳熱及自動清洗是業內研究的熱點，吸引了眾多學者的關注，研究表明，傳熱面流態化球顆粒在換熱管內存在高速滾動和相對換熱管壁面的滑動，該種合成運動能對邊界層進行直接攪混強化了傳熱，同時也對換熱管進行了有效的清洗[1-4]。

文章針對結晶蒸發設備，設計了一試驗臺。綜合采用了CAT技術及流態化球顆粒自動清洗及強化傳熱技術，使其可以按既可以按要求自動控制其工藝過程，如：進料及出料、結晶物排出時間等等，又能自動控制換熱管清洗的時間，使得設備始終保持在良好的工況下運行。通過該平臺可以實現對流傳熱系數的測定，目前，國內外還未見此類報道。

1 基本原理

試驗裝置設計如圖1所示。母液從進口管1進入蒸發器，均勻的進入換熱管2，加熱蒸汽從管3進入殼程，冷凝水從管4出口，底部5為電加熱室，二次蒸汽由羅茨風機引出。操作時應保證管板上始終有3～5 mm的液面高度，羅茨風機液封面必須保證，有最低液面要求（見圖1最低液面指示線7）。底部結晶物高度達到指定高度時自動排放。當傳熱系數將至某一值時自動開啟粒子流閥門，球顆粒從頂部進口管6均勻的進入換熱管，球顆粒在換熱管中作高速滾動，并沿著換熱管壁面作小速度滑動。

在該裝置中需要控制的參數：（1）蒸汽進口溫度。（2）冷凝水出口溫度。（3）羅茨風機液封高度（最高與最低）。（4）結晶體高度。（5）結晶體排放時間。（6）傳熱系數k。（7）球顆粒開啟閥門控制。（8）球顆?；厥湛刂啤８鱾€參數的控制通過不同類型的傳感器進行。各傳感器將數據采集，經A/D轉換為計算機信號。

2 參數控制與處理（測控系統）

2.1 測控系統結構

CAT的任務就是運用智能檢測技術、計算機技術和控制技術來測試和調控傳熱系統的性能。在此過程中，計算機的任務是：調節和控制傳熱參數，如各進出口溫度、壓力、流量等;采集試驗數據;數據處理;試驗結果顯示、打印、繪圖，從而實現傳熱系統測試過程的全過程自動化。它具有程序自動控制和人工控制兩種信號輸入方式，采用這種模式的傳熱CAT系統，能夠通過交互作用對系統實行閉環控制，系統性能優越，測試精度高。

2.2 傳感器

傳熱CAT系統涉及了溫度、流量、壓力和液面的檢測，要求各傳感器具有防腐和隔爆功能。

2.3 控制執行器

循環結晶槽結晶沉降料位控制采用電動球型開關閥BQ41F。出于節能考慮，循環結晶槽液面控制擯棄了傳統的調節閥控制回流的控制手段，采用了變頻控制，執行機構采用了西門子公司MicroMaster430變頻器。

2.4 數據采集卡

數據采集卡（DAQ）負責從傳感器自動采集電量信號，送到上位機中進行分析和處理。并輸出控制信號給執行結構。數據采集卡結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。傳熱CAT系統采用了NI公司的PCI6220數據采集卡，通過PCI總線接入個人計算機。

2.5 抗干擾措施

為了保證計算機控制系統長期穩定可靠地運行，良好的接地系統是必不可少的，不僅供電系統要有良好的接地，更重要的是要為計算機控制系統埋設專門的接地點，敷設專門的接地線。本測試系統采用單點接地。

2.6 傳熱系數的反饋與控制

傳熱系數K的測定是一個非常重要的環節，我們不能直接在儀表上得到它，需要進行一系列的計算，準確的得出與各個參數的關聯式，利用LabVIEW在計算機上數顯出傳熱系數的大小。并且還要通過它反饋控制其他的參數，如閥門的開啟、液位的控制等到。

傳熱系數K的計算基本方程式為：

其中 K為總傳熱系數，W/（m2.K）;

S為傳熱面積為設備常數，按規定須以傳熱管外徑面積計算，m2;

Q為傳熱的熱功率，W。其值采用冷卻水通過傳熱管得到的熱功率的實測值，計算式為由于冷卻水的進出口溫度相差不大，一般只有3℃左右，有時甚至只有1℃，成為傳熱系數K測量精度的控制因素。為此建議直接測量兩者的溫差。

式中的V為冷卻水的體積流量，;

為冷卻水的密度，kg/m3;

為冷卻水的比熱，J/（kg.K）;

為傳熱管內冷卻水的進出口溫度，℃;

為傳熱溫差，℃。由于冷卻水的進出口溫度相差不大，因此，對數平均溫度可以用算數平均溫度代替，并且誤差很小。因此，有：

為加熱蒸汽的溫度，℃。

因此，與直接測量參數相關的傳熱系數計算式為：

雖然系數在同一個實驗過程中為常數，但是對不同物料的實驗卻不是常數，因此，要求數據處理系統有兩個參數可以人工修改。

3 強化傳熱及自動清洗試驗

3.1 測試平臺試驗結果

利用該裝置進行一系列試驗，得到無顆粒摻入流體及有顆粒（體積比例為2%）摻入的強化傳熱對比圖。顯然，采用流態化球顆粒強化傳熱及自動清洗效果非常明顯，其強化傳熱效果優于傳統的其他管內插入件。（見圖2）

3.2 數值模擬結果

簡化試驗模型，利用FLUENT及其組合軟件對系統進行了數值模擬得到圖3、圖4。

數值模擬結果與測試系統的測試結果比較吻合，說明裝置的設計是合理、有效的。

4 結論

（1）流態化固體顆粒流對傳熱面強化傳熱效果明顯。

（2）利用該試驗裝置能較準確的測定傳熱面的傳熱系數，測試數據是有效的，為相關研究提供了很好的試驗平臺。

參考文獻

[1] 溫娟，丁京偉，齊承英，等.壁面擾流影響邊界層湍流擬序結構及強化傳熱機理的研究[J].河北工業大學學報，2009，38（3）.

[2] 彭德其，支校衡，俞秀民.管口沖推塑料螺旋線自轉清洗防垢及其傳熱強化[J].礦機械，2005（9）：29-31.

[3] Deqi PENG，XiaoHeng ZHI， XiuMin YU，et al.Research on vertical water-cooled condensers of fluidized-bed of internal circulation with bubble cap plate[J].The 3rd International Symposium On Heat Transfer Enhancement And Energy Conservation，2004：880-884.

[4] 俞天蘭，彭德其，俞秀民，等.汽輪機冷凝器自轉塑料紐帶自動在線連續除垢防垢技術研究[J].現代化工，2002（6）：44-46.