第2章 流态化类节能技术.docx
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第2章流态化类节能技术
第二章传热设备内部循环流态化节能技术
2.1.对流传热过程的流态化强化
2.1.1流态化传热强化
流态化沙粒向上运动的过程中沙粒并不是沿速度方向做直线运动,随机、频繁地碰擦传热管内壁表面,实现除垢防垢,消除了管内的污垢热阻,极大地提高了传热设备的运行效率。
对于无污垢的传热管内对流传热的热阻主要在热边界层。
对于流态化传热强化的机理研究应该说是不充分的,其认识也远未清楚和统一。
粗略的解释比较多[5-7]的倾向于,湍流中含有异质粒子以后产生附加的湍动,低频大涡体使粒子发生径向输运,犹如搅拌相仿,有效地扰动了热边界层,使管内流态化液的径向温度分布曲线扁平化,并且截面平均温度tw提高了,因此,管内传热膜系数αi得以加大。
2.1.2试验系统与试验方法
1温度计2加热夹套3流量计4流量阀5加沙阀6冷凝水7加热蒸汽8不凝性气体9粒子循环管10冷却水
图2.1传热系数K测试系统
试验装置如图2.1所示。
传热管为Φ40×4的不锈钢管,通冷却水,通过阀门4调节流速,管内为流态化的沙粒。
LZB-50玻璃转子流量计测量其流速,流量计采用时间-体积法进行标定修正。
管内的流态化沙粒随着水向上运动,到顶部出口槽内分离沉降下来,经回沙管再循环使用。
温度测量全部采用0.1度分刻的玻璃管精密温度计。
管外夹套通加热蒸汽,夹套高度500mm。
传热热量采用管内冷却水得到的热量计算。
流态化粒子的体积浓度是采用测量回沙管的回沙速度,再考虑传热管内冷却水的流量计算得到。
每次流量调节稳定5分钟后读数记录数据。
传热系数与传热管内的流速、或雷诺数的关系由许多研究,得到的曲线或计算式也较多,而且相互的差别不少,有的甚至是倍数[8]。
其主要原因可能在于粒子浓度、粒子的性质。
为此,本次研究中,采用同样的沙子,分别在(2.4%、1.2%)不同浓度和不同粒度-粗沙、中沙、细沙分别为6目(约4mm)、8目(约2mm)和12目(约1mm)的条件下进行传热系数的试验测定。
图2.2流态化粒子粒度的影响
2.1.3流态化粒子粒度的影响
对流态化粒子大小与传热强化的关系最早进行研究的是1955年Caldas的博士论文[9],冷却水中Dp0.68mm、0.50mm、0.29mm、0.22mm0四种粒度的玻璃珠流态化的进行传热系数测定,其结论是粒子愈小传热系数愈高。
德国人LudolfPLASSKronberg在1972年的卧式换热器管内试验中,采用Dp12μm、25μm、40μm、70μm、120μm的五种粒子,得到类似的结果[10]。
但是,1987年JochenStKollbach,W.DahmR.Rautenbachd的试验结果不同,是Dp2.2mm的粒子比Dp1.95mm的好[8]。
应该说,文献[9][10]的试验粒子都是1mm以下的细粒子,其范围不够宽,尤其在传热强化机理尚未完全清楚时推断到更大的粒子范围是未必正确。
文献[8]又是在粒度不同、同时又密度不同的条件下试验得到的结果,同样难以肯定得出把握的结论。
并且,上述文献的试验粒子对于污垢自动清洗的要求来说太细,意义不大。
为此,进行同样材质、相同体积浓度(2.4%)、不同粒度的流态化传热系数试验,其结果如图2.2曲线所示:
与文献[9,10]不同,不是粒子愈细愈好,而是2mm沙粒表现出较好的传热特性,比4mm和1mm的都要好,相比之下大颗粒的沙粒效果比较差,1mm的居中。
这是因为在同样的体积浓度下,流态化粒子的颗粒数反比于粒子直径的三次方,对于Dp4mm的粗粒子的颗粒数只有Dp2mm粒子的1/8,对热边界层扰动的频数低得多所致。
虽然在同样的体积浓度下,Dp1mm的粒子数比Dp2mm增加7倍,但是细粒子的跟随性很好,几乎不再有边界层富集作用,加上单粒子对热边界层的扰动强度也弱,总的结果是不如Dp2mm的中等粒子的传热强化效果好。
2.1.4.流态化粒子浓度的影响
图2.3流态化粒子浓度的影响
文献[8]介绍了水平管内Dp12μm-120μm五种粒度、1.5m/s-3.0m/s四种不同流速条件下流态化粒子浓度对传热强化的影响曲线,粒子体积浓度在0%-39%的宽广范围进行试验。
所有曲线一致表明,在粒子体积浓度分别低于2.5%-6%时,传热系数随粒度浓度增大而增大,然后逐步下降。
由于流态化粒子浓度既要满足自动清洗防垢的要求,又必须防止过度清洗的管壁保护膜损坏。
后者决定了只能采用低浓度。
此外,传热管中心区流速高,而近管壁区流速慢。
按照阻力最小原理,在近管壁区流态化的沙粒的体积浓度比中心区高。
这种边界层富集现象非常有利于的浓度流态化沙粒对管内热边界层的有效扰动和滞留层厚度的减小。
因此,虽然粒子浓度低,但是对提高管内侧的传热膜系数的作用却很显著。
这种的浓度沙粒边界层富集现象影响,在沙粒愈粗、流速愈高时就愈显著,影响也愈大。
为此,作者在优选Dp2mm中等沙粒的基础上,进行2.5%以下的低浓度对比试验。
图2.3的传热系数曲线比较表明,体积浓度2.4%时显著高于体积浓度为1.2%时。
其理显然,在于体积浓度高时,流态化粒子对热边界层的扰动频数比的浓度时要高。
2.1.5流速(雷诺数)的影响
在文献[8]列举的11个流态化传热学计算式中,只有1959年Ruckenstein和Shorr的计算式是NuP正比与Re负次幂,其余均是正比与Re正次幂。
但是文献[8-10]的试验曲线却都表明,流速(雷诺数)超过一定值以后,传热系数反而下降。
不过,文献[8]既没有表明粒子浓度条件,又粒度、密度均不相同;文献[9]没有表明粒子浓度条件;虽然文献[10]表明了粒度浓度相同的条件,但是在低浓度时彼此难以区分,并且试验条件是水平传热管1.5m/s-3.0m/s的高流速(Re88000-166000的高雷诺数),而传热设备流态化自动清洗应用的条件是立式传热管、0.25m/s左右的低流速,两者实在相差太远。
为此,作者进行自动清洗防垢适宜的粒度、低浓度、立式传热管的试验测定。
如图2.2和图2.3所示,结果也是流速(雷诺数)超过一定值以后,传热系数反而下降。
因此,对于运行优化来说是可以肯定是在较低流速(雷诺数)下运行最好;并且传热系数可以比无粒子时提高一倍左右。
但是,对于流速(雷诺数)超过一定值以后传热系数反而下降的机理应该说还不清楚。
文献[9]解释为在临界Re数以上,系统中的颗粒浓度过低,以致不能破坏流态化床壁的液膜。
这一解释不好理解,也与作者粒子浓度不变的试验条件相抵触。
参考文献
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2.2.立式管内内循环流态化传热设备
1出口室2档罩3传热管4粒子5循环管
6清液孔7均布板8泡罩9进口底室
图2.4内循环流态化传热设备结构
国家科委列为九五重点推广计划项目-管程液固内循环流态化换热器技术的节水节能效果显著[1]。
然而,在长期运行中发生底室筛板筛孔的积累性的沙子堵塞问题,堵塞率可以高达20%。
为此,用如图1所示泡罩板替代原筛板[2],以此解决筛板筛孔的堵塞问题。
可是,按传统设计的泡罩会出现严重的管束流速-流态化不均匀性问题,有个别传热管的流速低于沙子的沉降速度,出现沙子倒流和短时的快速倒流,导致管壁磨损、平均传热温差减少、实际流量增大的能耗上升;又有个别传热管的流速会高于平均流速数倍,导致粒子的出口跑失问题。
管束流态化的均匀性是流态化传热设备稳定、高效运行的关键[3]。
2.2.1.进口底室结构设计研究
2.2.1.1.不均匀性原因分析
对2.4图所示的内循环流态化传热设备的管束各管组成的流路的流体阻力比较分析,犹如在进口与出口两端并联的电路,管束各传热管的结构是完全一样的,流速严重不均匀的基本原因显然是泡罩到各管的入口段的阻力不再像原先采用筛板结构时那样的均匀性。
因为从泡罩到各管束的入口段不仅流路长度不同,而且不同部位的粒子含量不同造成流体阻力会有显著差别,并且各管入口处的流速方向的影响也显著。
例如,近泡罩周边的第一圈管的入口处,有较大的水平方向分速度,容易造成流速普遍偏低。
因此,必须研制泡罩周围流态化均匀性好的泡罩新结构。
2.2.1.2.均匀性泡罩结构
均匀性泡罩结构如图2.5所示。
位于粒子内循环管的正下方,两者一一对应。
内循环管的下管口与均匀性泡罩的罩盖之间的距离为60mm。
均匀性泡罩的中心管直径大小在粒子内循环管的一半以下,并且开设有水平方向的导沙孔。
利用导沙孔内喷流出来的液流,将内循环回来的粒子水平方向、顺畅均匀地输运到该泡罩周边区域。
因为均匀性泡罩的直径120mm比较大。
1导沙孔2筛孔3罩盖4裙部
5大喷流孔6小喷流孔7导流片
图2.5均匀性泡罩
传统结构的罩盖没有筛孔,结果邻近内循环管的一圈6根管的流速均太低。
造成管内普遍偏小。
因此,特在小喷流孔外配置有斜向上的导流片,以此来增大向上的分速度。
2.2.1.3.试验研究
因为流速严重不均匀的基本原因是泡罩底室的流态化不均匀性。
为此,专门设计图2.2所示的泡罩底室的流态化均匀性试验系统。
底室直径370mm,泡罩直径120mm,静态沙层厚度分别为50mm、80mm、150mm。
通过调节阀门控制流量。
直接观测流态化沙层上表面高度分布的均匀性来评价。
全部优化试验都在单个泡罩的最佳流量23.5m3/h的相同条件下进行,以便比较。
图2.7.沙层厚度对均匀性影响的试验测量曲线
1泡罩流态化底室2均匀性泡罩3循环水池
4循环水泵5流量调节阀门6转子流量计
图2.6泡罩底室的流态化均匀性试验系统
2.2.1.4.沙层厚度影响
图2.7.可见,随着沙层厚度的增加,流态化沙面高度的均匀性也随着增加,高差减小。
基本均匀的最小高度为80mm。
稳定均匀性150mm比80mm的要好。
图2.8.大小喷流孔导向片的均匀性比较图2.9.导向片斜角优化试验
2.2.1.5.大小喷流孔的导向片的影响
由于流态化沙层变化的不规律性和波动性,所以均匀性不是几个点能清楚、完全、确切表达的;并且实测读数是同一点的时间平均高度,观测读数时存在一个评价处理过程,因而很难免有较大误差。
由于罩顶设计有导沙孔,罩盖中心区部分少沙现象与沙层高度较低现象正是研究者企求的。
因此,小喷流孔的导向片对均匀性的作用比大喷流孔好。
结果如图2.8.所示.
2.2.1.6.导流片的斜角优化
进一步对小喷流孔导流片的斜角进行优化试验。
斜角分100、200、300、450四种。
结果如图2.9.所示,以斜角200的均匀性为最佳
2.2.1.7.泡罩均匀性的操作弹性
这种均匀性泡罩适宜的流态化流量范围大小对于工程应用很重要。
通过试验明确:
开始均匀流态化的最小流速流速为
,均匀流态化的最大流速为
,均匀流态化的最佳流速为
。
因此,操作弹性范围为-26%到+11%的范围,最大流量是最小流量的1.5倍。
图2.10.周向速度分布曲线图2.11.径向速度分布曲线
2.2.1.8.整机均匀性试验
上述流态化底室均匀性的试验研究结果能否比较好的代表流态化实际设备的均匀性呢?
为此,特将结构优化后的泡罩进行装机试验。
试验设备高度6米多,有34根直径38mm的水冷管,其中1根为循环回沙管。
管束冷却水流速的分布采用色水法观测,结果如图2.10.和图2.11.所示。
可见:
在接近最佳流量点时,周向速度分布的均匀性与径向差别不大,径向速度大小差值为0.05m/s,周向速度差值为0.04m/s。
从工业应用的稳定性角度要求,最忌讳的是个别管流速大小的畸低与畸高,前者造成粒子倒流和快速倒流,后者引起粒子的跑失。
因此,装机试验的速度场应该是比较满意的了。
虽然18m3/h是开始均匀流态化的最小流量,但是均匀性就差得多。
由于喷流孔的喷流速度降低了,距离泡罩较远的水冷管的流速就低。
反之,也然。
在最佳流量时图9的径向速度分布表明,导流片的最佳斜角还可以比20o略小一点。
2.2.1.9.阻力特性
图2.12.泡罩阻力曲线图
在内循环流态化的传热设备阻力构成中,泡罩流态化底室的阻力占其大部,因此,须进行泡罩流态化底室阻力特性的评价测量。
图2.12.所示的阻力曲线表明,阻力与流量之间为通常的抛物线关系线,并且最大流量时在4KPa左右。
参考文献
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2.2.2.与外循环流态化比较
KLAREX公司研制开发的带旋液分离器的液固流态化换热器,进入换热器的液体被分为两部分-主体流和控制流体,控制流体用来将流态化清洗粒子输送进入换热器[*]。
与内循环流态化相比,不仅装置显然更加复杂,而且底室的均匀性较差,更重要的是由于旋液分离器的分离效率反比于其半径,单个的处理量不大,对于较大流量的换热器就需要旋液分离器组,并且一般旋液分离器壁的磨损严重。
[*]袁文,KLAREX式蒸发浓缩装置,医药工程设计,2000,21(6)244-245
2.2.3.出口室结构设计研究
2.2.3.1.跑沙根源分析
图2.13.挡沙罩结构原理
对工程应用的内循环流态化设备进行调查,流态化跑沙容易发生在冷却水使用量最少的午夜以后。
但是,此时出口室的平均流速远低于粒子的沉降速度。
为了探究其主要根源,作者进行了整机试验研究:
由33根外径38mm、内径32mm的上升管和1根内径38mm的循环管组成,管间距50mm。
为便于观测,采用无顶盖的敞开式结构。
在出口室的上方观察,当流量达到最大为23
/h时,平均流速为0.24m/s,但是流速最快的管子的喷出液流的比液面,高出40-50mm,有时甚至高达70mm。
即使不考虑摩擦损失,由动能-势能转换推算,达到1.19m/s,是平均流速的496%;实测流速达到1.35m/s,为平均流速的563%。
由于这些快速管的粒子惯性大,可以直接冲到出口式液面随水流
跑失。
对于有顶盖的流态化设备,出口室圆筒部分的高度一般为300-350mm,这些快速管的粒子可以直接冲到高度300mm以上加速流的锥形区而随水流跑失。
因此,流态化粒子跑失的主要原因是很少数上升管的流速奇高,对于采用泡罩板的流态化底室更容易出现。
其次是总体流量较大,这时快速管的流速更大,粒子更容易冲过高度安全线跑失。
流态化粒子逐渐跑失以后,粒子的体积浓度降低,更加剧了流速的不均匀性,影响正常运行的污垢自动清洗效率和传热效率。
2.2.3.2.挡罩防跑失的结构原理
外循环流态化[2]是利用外部的旋液分离器来回收其粒子再循环利用,但是结构复杂、能耗高、磨损严重。
也有加大出口室的直径和高度[4][5],意在扩大横截面积,利用摩擦力,使快速管出来的沙子急剧慢下来,并且又增大高度,使快速管出来的粒子的冲高始终低于高度安全线,避免发生粒子跑失。
但是,这种方法的出口室体积庞大。
图2.14.挡沙罩的锥角优化试验曲线
作者提出的是在每根传热管的出口端安装一个塑料的挡沙罩,结构如图2.13.所示,使快速管出来的粒子在挡沙罩的作用下改变方向,非常有效地降低粒子的冲高,始终控制在高度安全线以下,杜绝粒子跑失地发生。
2.2.3.3.挡罩的结构优化试验
因为出口室的流速只有传热管内平均流速的1/3左右。
出口室液体对快速管出来的液流的摩擦力有阻滞作用。
因此,要动力学模拟挡沙罩的效果就必须考虑这一速度差的影响。
为此,模拟试验的出口室的截面面积设计得足够大,以便出口室液体向上的流速基本保持在传热管内平均流速的1/3左右。
优化试验的挡沙罩的锥角有90o、120o、180o三种,挡沙罩的罩边沿离传热管出口端的高度可以调节,挡沙罩的直径与传热管的外径相同。
试验的方法是传热管的流速阀门可调,粒子的冲高直接观测。
同时测量其阻力特性。
2.2.3.4.挡沙罩锥角优化试验
从图2.14中可以看出,当没有加挡沙罩的时候,如果水的流速是平均流速的6倍时,沙粒可以冲高到340mm。
这个高度远远大于粒子冲高的安全线高度,这样就会出现粒子跑失现象。
加了挡沙罩后,流态化粒子的冲高度显著下降。
最快流速管内流速即使达到平均速度的6倍,冲高度也只有240mm,远在冲高安全线以下,不会出现跑失现象。
锥角90度和120度的两种挡沙罩,挡沙的效果区别不大,都能起到挡沙的效果,只是120度的挡沙罩稍微好一点。
图2.15.挡沙罩的高度优化试验曲线图2.16.挡沙罩阻力与角度的关系曲线
2.2.3.5.挡罩出口高度优化试验
为了得到挡罩的最优高度,选取挡沙效果较好的120度挡沙罩,改变其安装高度,测量比较在不同流速下流态化粒子的冲高,结果如图2.15所示。
从图中可以看出:
无论安装的挡沙罩有多高,流态化粒子的冲高都比没有加挡沙罩的低很多,都能起到防止跑沙的作用,并且效果区别不是很大。
其中挡沙罩高30mm时挡沙效果是最好的。
2.2.3.6.挡罩阻力问题
从图2.16中可以看出,当没有挡沙罩的时候,出口阻力很小。
安装挡沙罩后,阻力明显增大,并且阻力是随着流速的增大而增大。
比较锥顶角90度和120度的挡沙罩,两者相差很小,几乎再测量误差范围以内。
因此,挡罩的锥形角度影响一般可以不考虑。
图2.17.挡沙罩安装高度对阻力的影响
考虑到传热管出口端的阻力大小直接影响传热管内流速的高低。
为此,研究能否利用挡沙罩的阻力特性改善管束的流速分布的均匀性,特别是抑制快速管的流速其作用的问题。
为此,选取挡沙效果最好的锥角120度的挡沙罩做不同安装高度的阻力特性的试验测量。
其结果如图2.17曲线所示:
对处于平均流速的传热管,挡沙罩增加的阻力是微小的,在0.02KPa以下,对流速几乎无影响;但是,随着水的速的增大阻力迅速增大,因此对远高于平均流速的快速管带来的阻力很大,从而起到有效的抑制快速管的流速的自动调节作用。
这种自动调节作用以其中安装高度20mm为最大。
2.2.3.7.挡沙罩的装机效果试验
●挡沙效果挡沙罩在高度为20-120mm之间的时候,都能起到挡沙的效果,而且效果良好,安装后不再出现跑沙现象。
并且发现不仅能够防止跑沙,而且各根上升管的流速比以前的更加均匀,具有双重功能,达到很好的预期效果。
●挡罩阻力在传热管高度4000mm的整机实验中,加入的沙子为0.051立方米的时候,挡沙罩的阻力从80-100Pa不等,整个流态化设备的阻力是11520Pa;在加入的沙粒为0.064立方米的时候,挡沙罩的阻力的阻力90Pa左右,整个系统的阻力是16630Pa。
因此,挡沙罩阻力不到设备总阻力的1%。
参考文献
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2.3.立式管外内循环流态化传热设备
传热管内污垢在线自动清洗技术比较多,有自转钢丝螺旋线[1]、自转塑料扭带[2]、自转螺旋齿管[3]、电厂冷凝器胶球[4]、自转塑料齿带[5]、循环流态化[6]等等,技术也比较成熟,并且工业应用的综合效益也比较大。
但是,立式传热设备管外的污垢在线清洗技术的研究者甚少。
对此作者查阅到的文献中最早的是专利US4300625,属于稳定流态化床,该技术存在显然的缺陷:
分布筛板的筛孔容易堵塞,无法修理与更换;下管板与分布板之间的管段污垢不能清洗,依然会逐步积累及至阻塞甚至堵塞;多管进水可以提高流态化的周向均匀性,却无法解决径向的均匀性,外层区域流速高,会跑失粒子,靠筛网回收粒子解决;内层流态化不充分、甚至个别区域不流态化,会引发早期阻塞的恶果[7]。
专利SU1145236A是周期性用惰性压缩气体;剧烈的稳定床鼓泡快速清洗;但是不循环;更不是双向循环流动[8];DD284749A所示的技术是上下特殊的网孔件,防止粒子泡失;像相机快门那样的控制元件使每次形成的气囊成为稳定流带动粒子向上流态化流动清洗,无气囊的时段里粒子自然沉降形成两个方向的流态化清洗[9],也没有解决径向的均匀性问题。
因此,至今尚未见有能够工业应用的立式传热管外污垢在线机械清洗技术。
由于管外污垢得不到及时清除,不仅运行效率低,而且垢下腐蚀导致寿命大大缩短。
为此,本节研究一种换热器管外水垢双向循环流态化周期清洗。
2.3.1.双向循环流态化清洗技术方案
双向循环流态化周期清洗技术的方案如图2.18.所示。
在管外流体内添加一定数量的可以在设备壳体内循环流动固体粒子。
在壳体底部通入一定压力和流量的空气,经过布气管喷入壳程,大量的气泡不断浮升,使通气区域的两相混合物密度比尚未通气的邻近区域的液体密度小得多。
因此,通气区域的气水混合物向上快速流动,其速度显著地大于清洗粒子的自由沉降速度,随之一起向上流动,形成气液固三相混合物的流态化向上剧烈运动,对管外壁的污垢产生强烈的冲刷和频繁的撞击,达到快速清洗污垢的目的。
三相混合物流动至设备顶部后,气体逸出液面,由排气口排放出去。
尚未通气的邻近区域的流体快速下流,形成壳体内的循环流动。
顶部分离出来液固两相混合物也随之回流到设备底部,继续参与循环清洗。
2.3.2.双
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