汽-液-固循環流化床蒸發器熱效率的實驗研究

賈文婷，姜 峰*，齊國鵬，王兵兵，李修倫

（1.天津大學化工學院，天津 300072；2.天津職業大學生物與環境學院，天津 300410）

多相流節能防垢技術具有良好的在線強化傳熱和防垢性能［1-3］，應用前景廣闊，因此，引起了國內外學者廣泛的研究興趣［4-13］。在該技術的研究中，確定適宜的惰性顆粒參數非常重要；而這一參數的確定，則需要根據設備傳熱情況來確定。關于多相流強化傳熱雖已有研究者進行了初步的探索［14-16］，但其研究多在單管條件下進行，多為傳熱模型的建立與傳熱系數的計算，定性的研究了一定操作條件下的平均傳熱系數，但對蒸發器熱效率的研究甚少，沒有考察這類多相流蒸發器的經濟性。鑒于上述原因，本研究建立了一套熱模透明多管循環流化床蒸發器，在強制循環的條件下研究蒸發器中熱效率的變化規律，充分考察液體循環流量、熱通量和顆粒加入量、顆粒性質等參數的影響，為多相流化床蒸發器傳熱狀況的進一步研究及應用提供數據基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及流程

實驗裝置為熱模透明多管循環流化床蒸發器，如圖1所示。加熱室由上、下管箱及5根呈“1”字形排列的透明鍍膜加熱管構成。鍍膜管材質為硬質玻璃，管長1.1 m，管徑為Φ45×3 mm。

圖1 汽-液-固三相循環流化床蒸發器流程圖Fig.1 Flowchart of vapor-liquid-solid three-phase circu lating fluid bed evaporator

向蒸發裝置中加入液體工質至指定液位，然后加入一定量的固體顆粒。開啟鍍膜加熱系統和數據在線采集系統，逐漸增大加熱功率，待液體溫度達到沸點左右時，打開冷卻水開關，開啟循環泵。調節加熱功率和泵轉速。待穩定后，利用CCD圖像測量和處理系統獲取加熱管束內顆粒的運動與分布情況，在線采集溫度、壓力和循環流量等數據，同時用容積法測量相應條件下冷凝水的生成量。汽、液、固三相進入分離器后，汽相與液、固兩相分離，進入冷凝器被冷凝、收集和計量，適時由離心泵和高位槽補充回系統，液、固兩相則循環回至加熱室。

1.2 實驗工質

液相工質為自來水，固體顆粒的種類和相關物性如表1所示。固體顆粒加入的體積分率φ分別為1%、2%、3%、4%（以加入固體顆粒的堆體積占系統內所加液、固工質總體積的百分比來計算）。

1.3 參數測量及數據處理方法

循環泵為管道排污泵，型號為GW80-40-7，無級變頻調節流量；液體循環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。各鍍膜管均勻加熱，溫度和加熱功率及泵功率等數據采用“組態王”軟件在線采集。

表1 固體顆粒種類及性質Tab le 1 Types and p roperties of solid par ticles

由于蒸汽冷凝液流量較小，因此可以采用容積法便可以測量，即用秒表測量一定時間內冷凝液的體積，用量筒進行測量，然后計算冷凝液的質量流量（Wg）。

熱效率根據冷凝液流量進行計算。根據加熱管進、出口處混合料液的溫度和冷凝液的流量分別計算出料液入口溫度升至泡點所吸收的顯熱及混合料液沸騰所吸收的汽化潛熱。熱效率η計算公式為：

其中：Qg為單位時間內產生的蒸汽所需的加熱功率，kW；Q1為單位時間進入加熱管的流體至沸騰溫度所需的功率，kW；Q總為蒸發器加熱功率，kW；Wg為產生蒸汽的質量流量，kg·s-1；r為料液在沸騰溫度下的汽化潛熱，kJ·kg-1；Cp為料液的平均定壓比熱容，kJ·kg-1·℃-1；W1為料液的質量流量，kg·s-1；Tl，T2為加熱管進出口溫度，℃；U、I為加在鍍膜管的電壓和電流；由于加熱管進、出口溫差很小，即Q1很小，熱效率主要取決于Qg。

2 結果與討論

2.1 液體循環流量對熱效率的影響

如圖2所示，循環流量增加，蒸發器的熱效率增大。表明循環流量越大，熱量的利用率越高。

循環流量增加，一方面，設備內湍動程度增大，加熱管束中的顆粒逐漸實現流態化，加強了對管壁面流動邊界層的破壞，有利于液體對流傳熱；另一方面，管束中固體顆粒的分布逐漸趨向均勻，每根管的固含率都增大，固體粒子與管壁的接觸機率增多，與傳熱壁面碰撞的頻率和動量增大，進一步增強了沸騰傳熱，使得水分蒸發量增加，提高了熱效率。

圖2 液體循環流量對熱效率的影響Fig.2 Effect of circu lating flowrate on thermal efficiency

2.2 熱通量對熱效率的影響

如圖3所示，流化床蒸發器的熱效率隨著熱通量的增加而增大，而且增加的幅度非常明顯。

圖3 熱通量對熱效率的影響Fig.3 Effect of heating flux on thermal efficiency

熱通量增加，則熱流密度升高，壁面過熱度增大，汽泡生成頻率增加，同時單位面積上的汽化核心數也增加，泡核沸騰傳熱得到了強化。汽相含率及其擾動程度的增加還使得固體粒子與壁面間的碰撞頻率及強度增大，降低了傳熱及流動邊界層的厚度，強化了對流傳熱；而且顆粒與壁面間的碰撞頻率及強度增大，進一步強化了粒子與壁面間的傳熱。這些強化作用使得蒸汽的產生量增多，熱量的利用率提高。

2.3 顆粒加入量對熱效率的影響

由圖4可見，隨著顆粒加入量的增加，熱效率增大，但增大趨勢逐漸變緩。

顆粒加入量增加，加熱管束內固含率增大，使得顆粒與壁面碰撞時的接觸面積和總停留時間增

圖4 顆粒加入量對熱效率的影響Fig.4 E ffect of additive particle amount on thermal efficiency

加，一方面為泡核沸騰提供了更多的汽化核心，另一方面使壁面上形成的汽泡躍離周期變短，強化了泡核沸騰傳熱。顆粒加入量增加，單位時間內與壁面碰撞的顆粒數增加，由壁面傳遞給固體顆粒的熱量增加，強化了固體顆粒與壁面間的傳熱。此外，顆粒加入量增加，其不規則的雜亂運動引起的湍動程度增大，減小了流動與傳熱邊界層的厚度，使強制對流傳熱增加，這些綜合作用使傳熱效果強化，水分蒸發量增大，提高了熱效率。

但是顆粒的加入量并不是越多越好，當顆粒加入量增加到一定程度時，繼續增大顆粒加入量，傳熱效率的增大幅度很小，反而使流動阻力增大，增加了能耗。

2.4 顆粒性質對熱效率的影響

顆粒性質對熱效率的影響如圖5所示。如圖5a），在固含率和循環流量一定時，隨熱通量的增加，3種顆粒的熱效率均增大，加入PA6顆粒時，熱效率最高，加入聚甲醛時熱效率最低。原因是PA6和PA66的圓柱形狀與壁面的接觸面積及對邊界層的破壞程度都要大于聚甲醛的球形顆粒；其次PA6的導熱系數較大，有利于增加顆粒表面汽化核心；最后，PA6的密度大于其他兩種顆粒，在實驗中撞擊管內壁的力度強于其他顆粒，對邊界層的破壞程度更大。這些因素都有利于強化傳熱，增加蒸汽的產生量。

雖然PA6的導熱系數比其它2種顆粒大得多，但是熱效率與PA66相比只提高2%左右，其原因可能是：一方面，PA6的密度較大，相同循環流量下流化程度沒有其他兩種顆粒好；另一方面，PA6的表面潤濕性能較好，會減少顆粒表面汽化核心。

圖5b）顯示了相同操作條件時3種顆粒的熱效率隨循環流量的變化規律。在循環流量較低時，PA6的傳熱效率甚至低于聚甲醛，這是因為PA6密度較大，實驗中從透明管束觀察到循環流量低于16 m3·h-1時，PA6很難流化，在循環流量大于16 m3·h-1，PA6逐漸開始流化，熱效率最高。

圖5 顆粒性質對熱效率的影響Fig.5 E ffect of particle p roperties on thermal efficiency

2.5 泵功率隨顆粒加入量的變化

實驗所用設備為強制循環，循環泵消耗的功率也是實驗系統能耗的一個重要方面。圖6為顆粒完全流化的2個循環流量下泵消耗功率隨顆粒加入量的變化關系，由于顆粒加入量是成倍增加的，泵消耗功率增加幅度并不大。

3 結論

1）隨著液體循環流量和熱通量的增加，蒸發器的熱效率增大。隨著顆粒加入量的增加，熱效率增大，當顆粒加入量在3%時繼續增加，對熱效率的影響很小。在保證完全流化的狀態下，顆粒密度和傳熱系數越大，熱效率越高。

2）循環泵消耗的功率隨顆粒加入量的增加而增大，但是增加幅度不大。

對蒸發器熱效率與管束內顆粒分布的內在聯系，將進一步開展系統的研究，以在能耗小、經濟性好的條件下獲得更高的熱效率。

圖6 泵功率隨固體顆粒加入量的變化Fig.6 E ffect of additive particle amount on power consump tion of circulating pump

符號說明：

N-泵功率，kW；

Q-循環流量，m3·h-1；

q-熱通量，kW·m-2；

η-熱效率；

φ-顆粒加入體積分率。

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