氣-固循環流化床換熱器的傳熱性能與壓降

姜 峰韓妮莎齊國鵬王錦錦李修倫

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

氣相換熱過程廣泛存在于化工[1]、能源[2]、航天[3]、建筑[4]、冶金[5]和環保[6]等多個工業領域。在氣相換熱過程中,由于氣體的密度、熱容和導熱系數較小,其傳熱速率較低[7];同時,還經常存在著結垢問題[8]。因此,隨著能源需求的日益劇增和能源緊張問題的突顯,研究者圍繞氣相換熱過程的強化開展了一定的研究[9-16]。

Li等[9]考察了內置自攪拌裝置對板翅式換熱器中氣相傳熱性能和壓降的影響。研究結果表明,在不同的流動型態下,自攪拌裝置所引起的湍流可以強化傳熱;依據實驗結果,他們還構建了相應的壓降關聯式。徐百平等[10-11]研究了不同的擾流元件對波紋板式氣-氣換熱器傳熱性能和流動阻力的影響。研究結果表明,三角翼型翅片的強化傳熱效果比較明顯,但流動阻力會有所增加;而螺旋形擾流件在強化傳熱的同時,也能降低流動阻力。根據實驗結果,他們建立了傳熱系數和壓降的經驗關聯式。夏德宏等[12]設計并提出了一種帶有內插件的間壁式氣體-散料換熱器,利用Fluent軟件,模擬了管內插件-金屬纖維多孔體對換熱器傳熱性能和流動特性的影響。結果表明,裝入內插件后,傳熱性能明顯提高。Li等[13]向換熱管內填充部分泡沫金屬,考察了泡沫金屬的填充率和孔密度對氣體傳熱性能的影響。研究結果表明,加入泡沫金屬后,明顯提高了傳熱性能;金屬泡沫的填充率和孔密度越高,傳熱性能越好。Gerken等[14]考察了氣-氣微換熱器的傳熱性能和壓降。研究發現,隔板材料和厚度影響微換熱器的傳熱性能。Dai等[15]構建了一種帶有矩形封閉回路的氣相換熱系統。采用數值模擬的方法,考察了回路長度、氣體流量和冷、熱流體溫差等參數對傳熱性能的影響。研究結果表明,矩形封閉回路的加入明顯起到了強化傳熱的效果,傳熱系數隨著回路長度和流體溫差的增加而增大。Tang等[16]結合實驗和數值模擬,考察了進氣角度對翅片管式換熱器中對流傳熱的影響。結果表明,進氣角度為45°時,傳熱性能最佳。

上述各種方法雖然可以在一定的條件上強化氣相的換熱,但往往會使設備的結構更加復雜,流動阻力增大,制造和操作費用明顯增加,而且不能從根本上解決設備的結垢問題,因此,其在工業上的應用受到了一定程度的限制。

流化床換熱防垢節能技術是將流化床技術和換熱過程相結合。在流化床換熱系統中,流化的固體顆粒雜亂無章地運動,可以破壞和減薄傳熱壁面處的流動和傳熱邊界層,特別是層流底層,降低傳熱熱阻,強化傳熱;同時,固體顆粒對邊界層的破壞和管內流體的擾動,也會阻止溶質在邊界層附近形成過飽和,延長結垢的誘導期,進而達到在線防垢的目的;此外,由于傳熱強化,傳熱系數增加,導致壁溫下降,也有利于防垢和減輕對管壁的腐蝕[17-19]。

常見的氣-固流化床包括鼓泡床、湍流床和循環流化床。目前,對于氣-固流化床傳熱的研究,主要集中在鼓泡床和湍流床,而對于循環流化床的報道則較少。

Masoumifard等[20]的研究結果表明,氣-固流化床的傳熱系數隨氣速的增加而增大,隨顆粒粒徑的增大而減小;傳熱系數沿軸向位置的變化較小。研究中所建立的模型與實驗數據吻合較好。Bisognin等[21]考察了顆粒粒徑、氣速和顆粒熱導率等操作參數對氣-固流化床傳熱系數的影響。其研究結果表明,顆粒粒徑對傳熱系數影響較大,而氣速和固體熱導率對傳熱系數影響很小。Wagialla等[22]考察了床層尺寸對于氣-固流化床傳熱性能的影響,并建立了相應的經驗關聯式。Taofeeq等[23]考察了換熱管徑對豎直氣-固流化床傳熱性能的影響。他們發現,床層內局部傳熱系數隨管徑的增加而增大。Merzsch等[24]在流化床中考察了加熱管直徑和含水量對氣-固流化床傳熱系數的影響。結果表明,傳熱系數隨加熱管徑變化的幅度可能超過30%。Wang等[25]考察了床層高度和氣體流量對低溫振動氣-固流化床傳熱性能的影響。結果表明,流化床各處的溫度較為均勻,振動強化了氣-固兩相的傳熱。Bellan[26]和Lattinz[27]等對氣-固流化床的換熱進行了相應的數值模擬。

同普通流化床換熱過程相比,循環流化床換熱技術操作彈性大、性能穩定,可以在較低的固含率下實現良好的強化傳熱和防、除垢效果[28-29],具有廣闊的應用前景。目前該技術已在化工[30]、石化[31]和制藥[32]等行業領域具有一定的應用。然而,目前關于循環流化床換熱器傳熱性能的研究,主要集中在以液相作為連續介質的液-固或汽-液-固循環流化床[33-35],而對于氣-固循環流化床的報道則較少[36-41]。

Zhang等[36]以細沙和煙煤等作為固體顆粒,考察了氣速和顆粒循環流量對氣-固循環流化床換熱器傳熱性能的影響,并將實驗數據與現有的模型進行了對比。他們發現,顆粒的添加可以強化傳熱,氣-固兩相流的對流傳熱系數介于60～200 W·m-2·℃-1之間。Dutta等[37]采用沙子和陶瓷顆粒作為固相工質,考察了循環流化床鍋爐的下行床中氣-固兩相流的傳熱性能。研究結果表明,床層分為稀相區和濃相區,濃相區的傳熱系數高于稀相區;傳熱系數隨顆粒循環流量的增加而增大,隨顆粒粒徑的增大而減小。Moon等[38]考察了氣-固循環流化床上行床的傳熱性能,分析了近壁面處顆粒的流體力學行為對于傳熱的影響。Zhao[39]和Murata等[40]考察了床層的擺動對氣-固循環流化床傳熱性能的影響,并開展了相應的數值模擬。研究結果表明,床層的擺動可以強化傳熱,且強化傳熱的效果隨著擺動角度的增加而增大。Wanchan等[41]采用雙流體模型,對循環流化床反應器中的流體力學和傳熱特性進行了數值模擬。模型中考慮了顆粒尺寸、固體循環流量和表觀氣速的影響,模擬結果和實驗數據吻合較好。

上述研究針對氣-固循環流化床換熱器的傳熱性能和流體力學特性進行了初步的探索,并已取得了一定的成果。然而,總體來說,目前對于氣-固循環流化床換熱器的研究還非常有限,遠遠不能滿足工業推廣應用的需要。為此,本研究將流化床換熱防垢節能技術和氣相換熱過程相結合,設計并構建了氣-固循環流化床換熱裝置,擬考察顆粒加入量、空氣流量和熱通量等操作參數對于其傳熱性能和壓降的影響。研究中采用空氣作為氣相工質,選用玻璃珠顆粒作為惰性固體顆粒。玻璃珠顆粒理化性質較為穩定,來源容易,價格便宜,適合于工業推廣應用。研究結果有助于氣-固循環流化床換熱器的工業應用。

1 實驗

1.1 實驗裝置及流程

研究中設計并構建了一套氣-固循環流化床換熱裝置,如圖1所示。該裝置主要由旋渦氣泵、轉子流量計、加熱管,旋風分離器和數據采集系統組成。除視窗外,裝置其余部分均采用304不銹鋼制成;視窗則采用有機玻璃制成,以便于觀測。

圖1 氣-固循環流化床換熱裝置Fig.1 Schematic diagram of the gas-solid circulating fluidized bed heat-exchange apparatus

裝置的核心為被測試的加熱管。加熱管的長度為1 200 mm,直徑為Φ25.0 mm×2.5 mm,采用由鎳鉻合金絲制成的電加熱帶加熱,額定功率為600 W。沿著加熱管的一側豎直安裝了7個熱電阻(RTD),用以測量加熱管的外壁溫,如圖2所示。流體在加熱管進、出口的溫度也采用熱電阻進行測量。整個裝置外面包有保溫棉,以最大程度地減少熱散失。采用差壓傳感器測量流體流經加熱管的壓降。在循環管和加熱管進口管路的連接處設置了視窗,用以觀察顆粒的循環和流化。相關設備儀表的規格如表1所示。

表1 相關設備儀表的規格Table 1 Specification of the relevant apparatuses

圖2 熱電阻和電阻絲在加熱管上的分布Fig.2 Distribution of RTDs and resistance wire on the tested heating tube

熱電阻和差壓傳感器與數字顯示儀表AI-501MF相連。熱電阻已進行了引線電阻補償,溫度和壓差的最大測量誤差分別為0.1 ℃和0.1 kPa。

首先,向系統中添加一定量的固體顆粒。然后,通過調頻調節旋渦氣泵的流量至指定值,開啟加熱系統。氣-固兩相流在加熱管中被加熱后進入旋風分離器,空氣由旋風分離器頂部排放到環境中,而固體顆粒則通過循環管與新鮮空氣混合后進入加熱管。系統達到穩態后,采用“組態王”軟件自動采集溫度和壓差等數據。實驗中,當5 min內熱電阻的溫度變化不超過0.1 ℃,認為系統達到穩態。每次實驗運行3次,以檢查數據的重復性。改變操作參數,重復上述操作。

為深入分析傳熱性能和壓降的變化規律,本課題亦開展了相應的冷模可視化研究。采用結構尺寸相同的有機玻璃管替代原有的不銹鋼加熱管。研究中,當系統達到穩態后,利用CCD圖像測量和處理系統采集顆粒流化和分布的圖像,考察操作參數對顆粒流化和分布的影響。CCD圖像測量和處理系統由CCD相機,StreamPix-5-S-STD數據采集軟件和計算機構成。CCD相機型號為GT1920,分辨率為1 936×1 456,幀率為40.7 fps。

1.2 實驗工質及參數

實驗中采用空氣和玻璃珠顆粒分別作為氣相和固相工質。其中,玻璃珠顆粒的相關物性如表2所示。

表2 顆粒相關物性Table 2 Physical properties of the particles

研究中主要考察氣-固循環流化床換熱器的傳熱性能和壓降。實驗中的操作參數主要包括顆粒加入量、空氣流量和熱通量。其中,顆粒加入量ε是指添加到系統的顆粒的堆體積與循環系統的總容積之比。實驗中ε分別取為0.5%,1.0%,1.5%和2.0%;空氣流量Vg分別取為11.30,14.13,16.96,19.78和22.61 m3·h-1;熱通量q分別取為1,2和3 kW·m-2。

1.3 數據處理和誤差分析

研究中采用對流傳熱系數和傳熱增強因子來評估氣-固循環流化床換熱器的傳熱性能。其中,對流傳熱系數可按式(1)進行計算:

式(1)中:q和Q分別為扣除熱損失后的熱通量和加熱功率;Si為加熱管的內表面積;twi和tf分別為加熱管的平均內壁溫和流體的平均溫度。

式(2)～式 (4)中:two為加熱管的平均外壁溫;di和do分別為加熱管的內、外徑;L為加熱管的長度;λ為管壁的導熱系數;tfi和tfo分別為流體的進、出口溫度。

傳熱增強因子E可用來描述強化傳熱效果,E可以根據式(5)計算:

式(5)中:αgs和αg分別為氣-固兩相流和單氣相的對流傳熱系數。

此外,采用壓降比率S描述顆粒的加入對系統壓降的影響,S可通過式(6)計算:

式(6)中:ΔPgs和ΔPg分別為氣-固兩相流和單氣相流動的壓降。

對流傳熱系數、傳熱增強因子和壓降比率的不確定度可分別由式(7)～(9)來進行計算[34]。

實驗范圍內,對流傳熱系數、傳熱增強因子和壓降比率的不確定度分別為5.23%,6.09%和3.67%,滿足工程計算的要求。

2 實驗結果與討論

2.1 顆粒加入量對傳熱性能和壓降的影響

顆粒加入量將影響床層中的固含率,影響顆粒和加熱壁面之間的相互作用,因此,是循環流化床中氣-固兩相流傳熱的重要影響因素之一。圖3所示為顆粒加入量對傳熱增強因子的影響。

由圖3可知,玻璃珠顆粒的添加,可以有效地強化傳熱。實驗范圍內,傳熱增強因子最大可達33.4%,所對應的操作參數為ε=1.5%,Vg=19.78 m3·h-1和q=1 kW·m-2。

圖3 顆粒加入量對傳熱增強因子的影響Fig.3 Effects of the amount of added particles on the heat transfer enhancing factor

固體顆粒的加入和流化,可以破壞和減薄傳熱壁面處的流動和傳熱邊界層,降低傳熱熱阻,強化傳熱;同時,由于顆粒的密度、比熱容和導熱系數明顯高于氣體,因此在與加熱壁面接觸時亦可以促進與壁面之間的導熱。

顆粒加入量的增加,一方面,可以增加加熱管中的固含率,有利于增加顆粒之間、顆粒與加熱壁面之間的碰撞頻率,增強傳熱效果,如圖4所示;另一方面,管內固含率的增加,也會增加對加熱管內氣體湍流程度的抑制[34,42],不利于對流傳熱。因此,隨著顆粒加入量的增加,傳熱增強因子呈現出波動的趨勢。

圖4 Vg=16.96 m3·h-1加熱管中顆粒分布的典型CCD圖像Fig.4 Typical CCD images of the particle distribution in the heating tube Vg=16.96 m3·h-1

圖5進一步反映了顆粒加入量對于管內對流傳熱系數的影響。

由圖5可知,氣-固兩相流的對流傳熱系數要高于單氣相的對流傳熱系數。

圖5 顆粒加入量對對流傳熱系數的影響Fig.5 Effects of the amount of added particles on the convective heat transfer coefficient

圖6進一步考察了顆粒加入量對壓降比率的影響。

由圖6可知,同單氣相相比,顆粒的加入將會增加系統的壓降。但總體來說,增加的幅度不大。在實驗范圍內,最大的壓降比率為7.14%,所對應的操作參數為ε=2.0%,Vg=19.78 m3·h-1和q=1 kW·m-2。流量較低時,隨著顆粒加入量的增加,壓降比率也基本上呈現出波動的趨勢;而流量較高時,隨著顆粒加入量的增加,壓降比率增大。

顆粒加入量增加,加熱管內固含率增大。一方面,增加了流體的表觀密度,增加了顆粒之間、顆粒與壁面之間的碰撞頻率,導致能量損失和壓降增大;另一方面,如前所述,固含率的增加有利于抑制流體的湍流程度,有利于降低壓降。因此,當氣體流量較低時,在上述因素的共同作用下,壓降比率隨顆粒加入量的增加而波動。而在氣體流量較高時,由于顆粒流化較好,速度和碰撞動能較大,顆粒加入量的增加更有利于增加顆粒之間、顆粒與壁面之間碰撞,導致更大的能量損失。因此,壓降比率隨著顆粒加入量的增加而增大。

由圖6c)可知,當ε=0.5%,q=3 kW·m-2時,隨著氣體流量的增加,壓降比率先減小,后增大,并在Vg=16.96 m3·h-1時出現了0值。這是因為在相同的顆粒加入量和熱通量下,空氣流量的增加,一方面有利于增加顆粒的碰撞動能,增加壓降;另一方面,也有利于促進顆粒在氣體中的均勻分布,在一定程度上抑制氣體的湍流,減小壓降。上述兩方面因素的共同作用導致了局部壓降比率極值的出現。

圖6 顆粒加入量對壓降比率的影響Fig.6 Effects of the amount of added particles on the pressure drop ratio

圖7所示為顆粒加入量和空氣流量對傳熱增強因子和壓降比率影響的三維圖,可用于確定不同的操作條件下,傳熱增強因子和壓降比率的變化范圍,以指導工業實踐。同時,對比三維圖中的傳熱增強因子和相應的壓降比率,可以確定較為適宜的顆粒加入量。如,當q=2 kW·m-2,顆粒加入量為1.5%～2.0%較為適宜,此時傳熱增強因子較大,同時壓降比率基本上不超過4%,可為工業應用所接受。

圖7 操作參數對傳熱增強因子和壓降比率影響的三維圖Fig.7 Three-dimensional diagrams of the effects of the operating parameters on the enhancing factor and pressure drop ratio

2.2 空氣流量的影響

氣速將影響循環流化床中顆粒的流化和分布,影響顆粒之間、顆粒和壁面之間的相互作用,進而影響傳熱。因此,氣速是影響循環流化床中氣-固兩相流傳熱的另一重要因素。

圖8所示為空氣流量對傳熱增強因子的影響。

由圖8可知,隨著空氣流量的增大,傳熱增強因子基本上呈現出波動的趨勢,而并非單調變化。

圖8 空氣流量對傳熱增強因子的影響Fig.8 Effects of the air flow rate on the heat transfer enhancing factor

一方面,加熱管內的氣速隨著空氣流量的增加而增大,有利于顆粒的循環流化和管內固含率的增加,進而增加顆粒和加熱壁面之間的碰撞頻率和幅度,有助于強化對流換熱,如圖9所示。另一方面,空氣流量的增加,也會使得氣相的湍流程度更加劇烈,增加了單氣相的對流傳熱系數,進而削弱了顆粒的影響。因此,在上述因素的共同作用下,增強因子隨著空氣流量的增加而呈現出波動的趨勢。

圖9 加熱管內顆粒分布的典型CCD圖像(ε=1.0%)Fig.9 Typical CCD images of the particle distribution in the heating tube (ε=1.0%)

圖10所示為空氣流量對壓降比率的影響。由圖10可知,與增強因子相似,壓降比率也基本上隨空氣流量的增加而波動,且波動的趨勢和幅度與顆粒加入量和熱通量有關。

圖10 空氣流量對壓降比率的影響Fig.10 Effects of the air flow rate on the pressure drop ratio

如前所述,一方面,空氣流量的增加使得加熱管內氣速增大,有利于顆粒的循環流化,增大管內固含率,進而導致顆粒之間、顆粒與壁面之間的碰撞頻率和幅度增加,增大了能量損失和壓降;另一方面,隨著空氣流量的增加,氣體的湍流程度增大,導致單氣相流動的壓降增大,從而削弱了顆粒對于壓降的影響。因此,在上述因素的共同作用下,壓降比率隨空氣流量的增大而波動。

2.3 熱通量的影響

熱通量將影響流體的受熱程度,導致流體的物性,如密度和黏度等發生變化,進而影響流動和傳熱邊界層,以及顆粒的流化和分布,影響傳熱效果。圖11反映了熱通量對傳熱增強因子的影響。

由圖11可知,空氣流量較低時,傳熱增強因子隨著熱通量的增加而增大。隨著空氣流量的增加,熱通量對傳熱增強因子的影響減小;而且在不同的固含率下,傳熱增強因子隨著熱通量的增加呈現出不同的變化趨勢。

圖11 熱通量對傳熱增強因子的影響Fig.11 Effects of the heat flux on the heat transfer enhancing factor

熱通量增加,空氣的黏度增大,不利于流體的湍流;壁面處層流底層的厚度增加,不利于空氣的對流傳熱。此時,顆粒與壁面之間的相互作用,有利于減薄和破壞流動和傳熱邊界層,特別是層流底層,增加壁面處流體的湍流,有助于強化傳熱。因此,空氣流量較低時,傳熱增強因子隨著熱通量的增加而增大。

然而,隨著氣體流量的增加,流體的湍流程度更加劇烈,層流底層的厚度減薄,導致上述顆粒的影響減弱;同時,流體流量的增加,有利于顆粒的流化和在流體中的均勻分布,可以在一定的程度上抑制流體的湍流。因此,在上述因素的共同作用下,熱通量對傳熱增強因子的影響減小。在不同的固含率下,傳熱增強因子隨著熱通量的增加呈現出不同的趨勢。

圖12為熱通量對壓降比率的影響。熱通量的變化主要影響流體的物性。熱通量增加,氣體的密度減小,黏度增大,進而對顆粒的流化和分布產生影響,導致氣-固兩相流的壓降發生變化。總體來說,實驗范圍內,壓降比率隨著熱通量的增加變化不大,且其變化規律與空氣流量和顆粒加入量有關。

圖12 熱通量對壓降比率的影響Fig.12 Effects of the heat flux on the pressure drop ratio

2.4 氣-固循環流化床換熱器性能的綜合評價

為綜合考察流化床換熱防垢節能技術對氣相換熱過程的影響,圖13反映了傳熱增強因子與壓降比率的比值E/S隨操作參數的變化規律。傳熱強化效果越好,顆粒引起的附加壓降越小,E/S的值越大。因此,圖13可以在考察氣-固循環流化床換熱器的性能時作為參考,以確定適宜的操作參數。實驗范圍內,當E/S高于3.5時,傳熱增強因子基本上大于10%,而壓降比率基本上小于4%,此時,操作參數范圍較為適宜。E/S的最大值為34.7,此時相對應的操作參數為ε=0.5%,Vg=16.96 m3·h-1和q=2 kW·m-2。

圖13 操作參數對傳熱性能和壓降的綜合影響Fig.13 Comprehensive effects of the operating parameters on the heat transfer performance and the pressure drop

3 結論

設計和構建了氣-固循環流化床換熱裝置,系統地考察了顆粒加入量、空氣流量和熱通量等操作參數對于其傳熱性能和壓降的影響,得到的主要結論如下:

1)玻璃珠顆粒的加入可以明顯地強化氣相的傳熱。實驗范圍內,最大的傳熱增強因子為33.4%,所對應的操作參數為ε=1.5%,Vg=19.78 m3·h-1和q=1 kW·m-2。

2)除了在氣體流量較大時,熱通量對傳熱增強因子的影響相對較小外,其余條件下,顆粒加入量、空氣流量和熱通量均對傳熱增強因子有較明顯的影響,且各因素之間的影響相互制約。

3)傳熱增強因子隨顆粒加入量和空氣流量的增加呈現出波動的趨勢。空氣流量較低時(Vg=11.30 m3·h-1～14.13 m3·h-1),傳熱增強因子隨著熱通量的增加而增大。隨著空氣流量的增加,熱通量對傳熱增強因子的影響減小;而且在不同的固含率下,傳熱增強因子隨著熱通量的增加呈現出不同的變化趨勢。

4)氣-固兩相流較單氣相流的壓降有所增加,但增加的幅度較小。實驗范圍內,最大壓降比率為7.14%,所對應的操作參數為ε=2.0%,Vg=19.78 m3·h-1和q=1 kW·m-2。

5)流量較低時,壓降比率隨著顆粒加入量的增加呈現出波動的趨勢;而流量較高時,壓降比率隨著顆粒加入量的增加而增大。壓降比率隨空氣流量的增加而波動,且波動的趨勢與顆粒加入量和熱通量有關。熱通量對壓降比率的影響不大。

6)考察了操作參數對E/S的影響,并構建了傳熱增強因子和壓降比率的三維圖,用于指導工業實踐。實驗結果表明,當E/S高于3.5時,傳熱增強因子基本上大于10%,而壓降比率基本上小于4%,此時,相應的操作參數范圍較為適宜。