水平液固循環流化床換熱器傳熱性能評價

劉燕，張英迪，裴程林，王智，張偉

（1河北工業大學化工學院，天津 300130；2河北工業大學海洋科學與工程學院，天津 300130）

研究開發

水平液固循環流化床換熱器傳熱性能評價

劉燕1，2，張英迪1，裴程林1，王智1，張偉2

（1河北工業大學化工學院，天津 300130；2河北工業大學海洋科學與工程學院，天津 300130）

對管內插入Kenics靜態混合器的水平液固循環流化床換熱器進行實驗研究，實驗考察了靜態混合器扭率、靜態混合器安裝方式、液體流速、顆粒體積分數對傳熱性能和流阻性能的影響，并運用綜合強化傳熱性能評價指標（PEC）對其進行分析。實驗發現，傳熱性能和阻力系數均隨扭率增加而減小。當雷諾數在10000～45000之間時，扭率為1.5、2、2.5、3.5的Kenics靜態混合器的PEC指標均大于1，說明了水平流化床換熱器插入Kenics靜態混合器能夠改善傳熱。在雷諾數達到25000左右、Kenics靜態混合器扭率為2.5、顆粒體積分數為4%時，水平流化床換熱器的PEC指標最高達到1.18。當兩個扭率均為2.5的Kenics靜態混合器安裝間距為200mm時，水平流化床換熱器的PEC指標最高。

Kenics靜態混合器；水平液固循環流化床；多相流；強化傳熱；性能評價指標

在化工生產領域中，由于壁面污垢的存在造成換熱設備傳熱效率低下的現象非常普遍，需要利用有效的強化傳熱技術［1］來提高傳熱效果。研究者利用多相流化床技術來解決換熱器防、除垢問題，開發的循環流化床能達到在線清理污垢、傳熱系數高的特點。目前，循環流化床的研究主要集中在垂直管流化床的研究中，李修倫等［2-4］在垂直管流動系統中加入惰性顆粒，對惰性顆粒的強化傳熱及防污除垢效果進行了實驗研究，研究表明由于惰性顆粒的加入使傳熱系數提高了2～3倍。近年來，研究者提出在水平管內加入固體顆粒來達到提高傳熱效果的目的，張恒等［5-6］提出對管內加入惰性顆粒來防止污垢形成，并在水平液固循環流化床進行研究，實驗發現由于固體顆粒的加入，傳熱系數得到提高。在水平液固循環流化床中，由于固體顆粒重力作用，會造成水平管內顆粒分布不均勻的問題，為解決這一問題，張少峰等［7-8］在水平液固裝置中加入起旋器，并利用CCD圖像測量與數據處理系統，研究了起旋器在水平液固循環流化床中的作用，對起旋器的參數和安裝位置、流體流速對水平流化床內顆粒分布的影響進行了研究。結果表明：安裝局部起旋器后，顆粒沉積現象得到改善。張麗梅等［9］利用Star-ccm+計算流體力學軟件對管內插入Kenics靜態混合器的水平液固循環流化床的顆粒分布情況進行了模擬研究，研究發現管內插入Kenics靜態混合器能夠有效地改善顆粒的分布情況。劉燕等［10］在水平液固循環流化床上進行實驗研究，考察了管內插入Kenics靜態混合器后，靜態混合器扭率和顆粒體積分數對管內壓降的影響。目前的研究主要考察傳熱系數、阻力性能等方面，而換熱管傳熱強化的同時，管內的流動阻力也顯著增加，綜合評價水平管液固循環流化床換熱器的傳熱性能更具有工程意義。

本文主要是對管內插入Kenics靜態混合器的水平液固循環流化床系統進行實驗研究，考察不同扭率的Kenics靜態混合器和不同固體顆粒體積分數對阻力性能和傳熱性能的影響，并利用綜合強化傳熱性能評價指標PEC對水平管內插入Kenics靜態混合器的傳熱性能進行評價，為水平液固循環流化床換熱器的深入研究和工程應用提供理論依據。

1　實驗方法

1.1實驗流程

圖1為實驗裝置示意圖。實驗裝置由測試管、Kenics靜態混合器、電加熱系統、液固分離器、儲液罐、離心泵、流量計和數據采集系統組成。料液由儲液罐通過離心泵輸送至測試管，在測試管內的液體通過電加熱系統加熱后，經過液固分離器料液重新回到儲液罐參與循環。

圖1　實驗流程示意圖

實驗中采用電加熱帶對測試管進行加熱，溫度通過Pt100熱電阻測量并實時被數據采集系統記錄，實驗整套裝置都包有保溫棉，熱損失忽略不計。料液的流量通過智能渦輪流量計測量，通過閥門調節大小，壓降采用U形壓差計測量。實驗中通過固定的時間間隔（10min）測定測試管出口處顆粒體積分數V來判斷工況是否達到穩定。實驗發現，系統穩定后的顆粒體積分數測量誤差在0.2%以內。

1.2實驗參數

圖2　Kenics靜態混合器

實驗過程中采用的Kenics靜態混合器如圖2所示，其扭率Y為長徑比，扭率分別為1.5、2、2.5、3.5，兩端打有圓孔用來在管內的固定，Kenics靜態混合器材質為碳鋼，厚度為2mm，寬度為24mm。測試管管內徑為27mm，長度為2m，在測試管中間處安裝Kenics靜態混合器，測試管外電加熱系統通過變壓器采用恒熱通量加熱，加熱熱通量為3500W/m2。實驗中采用的固體顆粒材質為工程塑料，形狀為圓柱形，尺寸為φ3mm×3mm密度為1100kg/m3，水平管內加入固體顆粒體積分數分別為1%、2%、3%、4%。

1.3實驗數據處理

實驗過程中主要參數為：流體溫度T，傳熱量q，加熱系統的電壓U和電流I，測試管的外壁溫Tf和內壁溫Tw，測試管的膜傳熱系數α，其參數的測定與計算與文獻［11］相同。

努塞爾數Nu表示對流傳熱系數的準數，按公式（1）計算。

式中，l為傳熱表面的特征尺寸，在水平管內為管的直徑，m；λ為流體的導熱系數，取0.6W/（m·℃）。

阻力系數f利用壓降由式（2）計算得來。

式中，L與D分別為水平管的長度和直徑，m。

綜合性能評價指標采用PEC指標［12］，為式（3）。

當PEC指標大于1時，說明在相同條件下，強化管的綜合性能高于普通管。式中，Nu和Nu0分別為強化管努塞爾數和未強化管努塞爾數；f和f0分別為強化管的阻力系數和未強化管阻力系數。

1.4實驗誤差分析

對實驗數據進行誤差分析，并利用二次方公式進行誤差傳遞計算［13］，公式中Xj是函數y中相互獨立的變量。實驗誤差如表1所示，實驗參數誤差利用式（4）計算得出，如表2所示。

表1　實驗儀器誤差

表2　實驗參數誤差

2　實驗結果及分析

2.1傳熱性能考察

實驗考察了不同扭率的Kenics靜態混合器對水平液固循環流化床傳熱性能的影響，圖3是在固體顆粒體積分數為4%時，考察安裝不同扭率的Kenics靜態混合器和未安裝Kenics靜態混合器對水平液固循環流化床的努塞爾數隨雷諾數的變化規律。從圖3中可以看出，所有情況下隨著雷諾數提高，努塞爾數也提高。安裝Kenics靜態混合器后，較未安裝Kenics靜態混合器換熱管的努塞爾數提高了30%左右，最大努塞爾數達到了141。主要原因是水平液固循環流化床中，由于固體顆粒受到重力作用，在管路運行一段距離后，產生了沉降，顆粒分布嚴重不均勻。在安裝了Kenics靜態混合器后，流體被分割與匯合，并作旋流運動，顆粒隨液體一起旋流運動，明顯消除了顆粒沉積的現象，部分顆粒隨液體的旋流運動使顆粒與壁面發生碰撞與摩擦，能夠破壞邊界層提高傳熱系數，并且對管壁污垢的形成有一定阻止作用，提高了管路的傳熱性能。從圖3中可以看出，在相同雷諾數下，努塞爾數隨著扭率的增大而減小，因為扭率小的Kenics靜態混合器在相對更短的距離內扭轉180°，其對流體產生的扭轉變形更劇烈，顆粒隨液體在水平管內運動，由于顆粒隨液體更強烈的螺旋運動，顆粒與壁面的碰撞次數增多了，能夠對邊界層造成破壞，使傳熱效果更好。

圖3 扭率對傳熱性能的影響

圖4為固體顆粒體積分數不同對水平液固循環流化床傳熱性能的影響，實驗在扭率為Y=1.5的情況下，對固體顆粒體積分數分別為1%、2%、3%、4%進行考察。從圖4可以看出，在相同雷諾數下，隨著固體顆粒體積分數的增加，顆粒在水平管內循環數量增多，顆粒與測試管內壁碰撞的概率更大，顆粒與壁面的更多接觸，能夠更頻繁的減薄和破壞邊界層，提高傳熱性能。

圖4　顆粒體積分數對傳熱性能的影響

2.2流阻性能考察

由于安裝Kenics靜態混合器，雖然能夠改善固體顆粒分布的問題，但是同時也增加了換熱管內阻力，壓降的增大要求著更高的泵功率的消耗。圖5為不同扭率的Kenics靜態混合器對阻力系數的影響（固體顆粒體積分數為4%）。根據阻力系數的計算公式，可以通過測量壓降的變化計算出管路阻力系數的變化趨勢。從圖5中可以看出，安裝Kenics靜態混合器后，管內的阻力系數均比未安裝前要大。在安裝Kenics靜態混合器后，管路內流通面積變小，管內流體局部阻塞造成了壓降提高。在扭率Y=1.5的情況下，壓降的增加最大，因為扭率Y=1.5時，流體在管內最短的距離扭轉變形最劇烈，形成的螺旋流更強烈，與壁面摩擦阻力更大。

圖6為不同固體顆粒體積分數對阻力系數的影響，實驗在扭率為Y=1.5的情況下，對固體顆粒體積分數分別為1%、2%、3%、4%進行考察。從圖6中可以看出，隨著固體顆粒含量的增多，顆粒數量的增多，使顆粒與壁面的摩擦更頻繁，造成阻力系數增大。

圖5　扭率對阻力系數的影響

圖6　固體顆粒體積分數對阻力系數的影響

2.3綜合強化傳熱性能評價

由于在水平管內加入Kenics靜態混合器與固體顆粒會消耗泵的額外功率，需要利用綜合強化傳熱性能指標來評價傳熱性能。圖7為不同扭率對綜合強化傳熱性能指標的影響，從圖7中可以看出，在雷諾數未達到25000左右時，所有扭率的綜合強化傳熱指標均隨雷諾數增加而增加，當雷諾數達到25000左右時，扭率Y=2.5（顆粒體積分數為4%）的綜合強化傳熱指標達到最大值1.18，說明在扭率Y=2.5、顆粒體積分數為4%的情況下提高傳熱性能最明顯。隨著雷諾數的增加，所有扭率的綜合強化傳熱性能指標下降。圖7中Y=2.5的PEC指標最高，主要是因為Y=2.5的靜態混合器提升了相對較高的傳熱系數，卻帶來相對較低的阻力壓降，而Y=2的靜態混合器傳熱系數雖然提高的比Y=2.5的靜態混合器傳熱系數明顯，但其產生的阻力壓降也十分明顯，因此Y=2的PEC值較小。根據文獻［14］可知隨著雷諾數的增加，顆粒在管內的分布均勻長度變長，當雷諾數達到25000左右時，就能夠達到在2m長的管內實現顆粒分布均勻，在雷諾數25000以后，隨著流速的增加對管內顆粒分布情況影響不大，卻帶來了更大的阻力壓降。圖8為顆粒體積分數不同對綜合強化傳熱性能指標的影響。從圖8中可以看出，隨著顆粒含量的增加，綜合強化傳熱性能指標增加。

2.4兩個Kenics靜態混合器的綜合性能考察

根據圖7所考察的不同扭率的Kenics靜態混合器對水平液固循環流化床換熱器的影響可以看出，在雷諾數25000左右、扭率Y=2.5、顆粒體積分數為4%時，其綜合傳熱性能最好。為了考察安裝兩個Kenics靜態混合對綜合傳熱性能的影響，對安裝不同間距的兩個Kenics靜態混合器進行實驗考察，考察間距分別為0、100mm、200mm、300mm，實驗條件為雷諾數為25000左右，扭率Y=2.5，顆粒體積分數為4%。從圖9中可以看出，當2個Kenics靜態混合器間距為0時，其PEC指數最低，當間距為200mm時，其PEC指數達到最大值1.06。主要原因為當兩個Kenics靜態混合器之間間距過大時，其阻力雖然變小，但是流體受到第一Kenics靜態混合器的影響所產生的螺旋流，在到達第二靜態混合器之前已經衰減完全。當兩個Kenics靜態混合器之間間距過小時，其形體阻力明顯增大，阻力系數增加，Kenics靜態混合器對流體產生的螺旋運動沒有衰減完全便進入到下一個靜態混合器，沒有充分利用好靜態混合器所產生的自旋運動。

圖7　扭率對綜合強化傳熱性能指標的影響

圖8　顆粒體積分數對綜合強化傳熱性能指標的影響

圖9　間距對PEC指數的影響

3　結 論

（1）水平液固循環流化床內安裝不同扭率的Kenics靜態混合器后，管內的努賽爾數均得到了不同程度的提高，在考察的4個不同扭率中，扭率越小其提高的努塞爾數幅度越大，提高幅度在30%左右。在相同扭率下，固體顆粒體積分數的增加會提高努塞爾數。

（2）安裝Kenics靜態混合器后管內阻力系數明顯增加，相同情況下，扭率越小的靜態混合器，會帶來更大的阻力壓降。

（3）根據對不同工況下的PEC指數考察，當扭率Y=2.5固體顆粒體積分數為4%時，其PEC指數在Re=25000達到最優值。在此系統的水平液固流化床下，當雷諾數大于25000時，其PEC指數反而會下降。

（4）在雷諾數達到25000左右、扭率Y=2.5、固體顆粒體積分數為4%的情況下，安裝兩個Kenics靜態混合器之間間距為200mm時，水平管換熱器的綜合傳熱性能達到最優。

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Evaluation on heat transfer performance of horizontal liquid-solid circulating fluidized bed heat exchanger

LIU Yan1，2，ZHANG Yingdi1，PEI Chenglin1，WANG Zhi1，ZHANG Wei2
（1Department of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2School of Marine Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

The horizontal liquid-solid circulating fluidized bed heat exchanger with Kenics static mixer was studied by this experiment. The effects of Kenics static mixer twist rate，the installation method of Kenics static mixer，flow rate and particle volume fraction on heat transfer performance and flow resistance performance were investigated，which were analyzed by the comprehensive heat transfer performance evaluation criteria index. It was found that the heat transfer and resistance coefficient decrease with the increase of twist rate. Results showed that the performance evaluation criteria of Kenics static mixer with twist rate Y=1.5，2，2.5，3.5 were over 1 without exception in the range of Reynolds number 10000—45000，which indicates that the horizontal fluidized bed heat exchanger with Kenics static mixer can enhance heat transfer. The performance evaluation criteria of horizontal fluidized bed heat exchanger reached 1.18 at most，when the Reynolds number reached about 25000，the twist rate of Kenics static mixer is Y=2.5 and the particle volume fraction is 4%. The performance evaluation criteria of horizontal fluidized bed heat exchanger is the highest on the condition that the distance between two Kenics static mixers with twist rate Y=2.5 is 200mm.

Kenics static mixer；horizontal liquid-solid circulating fluidized bed；multiphase flow；heat transfer enhancement；performance evaluation criteria（PEC）

中文分類號：TQ 51A

1000-6613（2016）11-3421-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.005

2016-03-18；修改稿日期：2016-08-02。

河北省科技支撐計劃（14273105D）及河北省自然科學基金（D2014202074）項目。

及聯系人：劉燕（1970—），女，副教授，研究方向為化工過程多相流。E-mail Julia_liuyan@hebut.edu.cn。