超重机中的气液直接传热性能

李 艳 ，刘有智，于娜娜，王笃政

（中北大学化工与环境学院，山西省超重力化工工程技术研究中心，山西 太原030051）

研究开发

超重机中的气液直接传热性能

李 艳 ，刘有智，于娜娜，王笃政

（中北大学化工与环境学院，山西省超重力化工工程技术研究中心，山西 太原030051）

采用热空气-水体系，在转速为200～1400 r/min、水流量为40～140 L/h、热空气范围为3～15 m3/h的实验条件下，研究了热空气-水在超重机中的传热性能。实验结果表明：总传热系数随着转速的升高而增大，随着水流量的增加而增大，但增幅减小，随着热空气流量的增加而增加。对传热单元高度的计算和分析也验证了传热效果的增强。最后推导出传热系数关联式，且进行了统计检验，所得关联式与实验数据拟合较好。

超重机；传热性能；传热系数；操作参数；关联式

Abstract：Under the operation condition of rotating speed of 200～1400 r/min，water flow rate of 40～140 L/h，hot air flow rate of 3～15 m3/h，the heat transfer characteristics of high gravity rotary device was studied with the water-hot air system. The experimental results showed that heat transfer coefficient increased with the increase of rotating speed，water flow rate and hot air flow rate，but the slope of increase reduced with the increase of water flow rate. The increase of heat transfer was also proven by calculation and analysis of heat transfer unit height. Finally an empirical correlation of heat transfer coefficient was derived through dimensional analysis. The statistical tests showed that the results predicted by the correlation equation were in good agreement with the experimental data.

Key words：high gravity rotary device；heat transfer characteristics；heat transfer coefficient；operational parameters；correlation

超重力技术是化工过程强化的有效方法之一，广泛应用于精馏、分离（除尘、除雾、烟气中二氧化硫及有害气体的去除、液-液分离、液-固分离）、吸收（对天然气的干燥、脱碳、脱硫以及对二氧化碳的吸收）、解吸（从受污染的地下水中吹出芳烃）、聚合反应、聚合物脱除挥发物等化工过程[1-7]。在传热方面的研究也同样引起了人们的广泛关注。邓先和等[8-9]采用喷雾区分格计算的方法对错流结构的多级雾化旋转填料床的传热过程进行计算，得出了传热系数的表达式；李正林等[10]采用因次分析方法对定-转子反应器传热特性进行了研究，该反应器和普通超重机比较传热面积是固定的，而且研究过程中热流体充足供应从而简化了传热；徐春艳等[11-12]用热电偶和计算机结合研究了液量等操作参量对旋转床填料内径向温度分布的影响，但没有对传热过程进行研究。

本文作者从空气-水直接接触传热实验和因次分析法入手，试图探索普通结构的超重机的传热过程的规律，得出传热总系数关联式，为超重力场中的直接接触式传热以及精馏、吸收、反应过程中涉及的传热提供理论研究基础，为超重机的优化设计提供依据。

1 实验装置和流程

1.1 超重机强化传热机理

超重力场的传热过程是在如图1所示的自制超重机（超重机的结构参数如表 1）内冷热流体间直接接触完成的，由于高速旋转的填料对液体有高剪切作用，把液体分割成具有一定线速度的极薄的液膜和细小的液滴。气体通过高速旋转、弯曲、狭窄多变的、充满极薄液膜和细小液滴的填料层中的空隙时，热空气和液体都与填料形成了急速的碰撞接触，使得热膜厚度减小，提高了传热系数，使得传热、传质过程得以强化。

图1 超重机结构示图

表1 超重机传热装置结构参数

1.2 超重机总传热系数K

对超重机空腔区传热系数进行因次分析[13]，见式（1）、式（2）。

由于实验过程中压力相同，实验介质、液体的物性参数在实验温度范围内取均值，为了研究方便，可将式（1）、式（2）中有关数值用直接测量的数值表示，则空腔区液体传热系数直接表示为式（3）。

式（3）、式（4）中，N为中转速、q为液体流量、G为热气体流量。

忽略管内外污垢热阻与管壁热阻，则总传热系数见式（5）。

即从强化机理与总传热系数关联式推导，可以得出：总传热系数K与气体流量、液体流量、液体黏度、转速有关。因为传统的直接接触式传热是以空气与水为基础研究的，为了向传统的直接接触式传热理论靠拢，本实验选取的是热空气和冷却水系统，在实验温度范围内空气和水的黏度变化不大，无液体汽化现象。且根据理论值估算以及实验值计算α0+αi接近于0.6倍的超重力因子，见式（7）。

因此，本实验的主要影响因素为气量、液量和转速。

1.3 实验部分

超重机的传热实验流程图如图2所示。实验所用的空气气流由罗茨风机供给，通过空气缓冲罐，为控制气体的流量，在气体流量计之前有一个控制阀，以此来调节风机的进风量。转子流量计可以准确读出进入超重机的气体流量。通过流量计之后接有一个电加热器，气流在电加热器内被加热到合适的温度（温度由一个电压控制器变换电压控制）。从电加热器内出来的高温空气送入超重机，在超重机的气体进口处连接一个干球温度计，可以读出气体进口温度。换热后，气体由排气口排出，经过温度计和转子流量计分别测出气体出口的温度与流量。在超重机进风前，水通过离心泵由水槽接入，然后通过控制阀和转子流量计，从进水管进入超重机。在进水口之前也连有一温度计以测量进水温度。在超重机中气液经过充分接触，快速完成气液传热过程。液体由下部出水口排出，液体出口连有温度计测量出水的温度。

图2 超重机传热实验流程图

研究过程中，所有数据都采用正交实验处理，非单因素关系，液体流量范围为40～140 L/h，转速范围为200～1400 r/min；热气体流量范围为3～15 m3/h，空气的温度范围为16～200 ℃，水的温度范围在15～60 ℃。

2 结果与分析

用总传热系数K评价传热性能，最后用传热单元高度来验证传热效果。传热单元高度的计算方法如式（8）。

式中，I1、I2分别为气体进、出超重机的焓，Is为换热后对应水温下饱和湿空气的焓。

2.1 操作条件对传热的影响

2.1.1 转速对总传热系数的影响

如图 3所示，液量不变，气体进口流量为 13 m3/h，随着转速的升高，总传热系数K缓慢增大。产生这种现象的原因是：通过转速的提高调节了超重力场的强度，一般用超重力因子来表征超重力场的强度，当转速增加的时候，超重力因子增加，超重力场的强度增加，液体分散成更多的小液滴，分布情况得到改善，传热面和相界面上液滴增多，相界面更新加快有效地提高和利用了传热面积；此外液体不断被剪切，湍动程度加剧，增强了传热效果。

图3 转速对总传热系数的影响

2.1.2 液量对总传热系数的影响

如图 4所示，转速不变，气体进口流量为 14 m3/h，随着液量的增加，总传热系数K增大，而且从一开始的迅速增加到后来的增速变缓。产生这种现象的原因是：在转速相同的情况下，液量大，则液体受剪切分散成的小液滴更多，与相界面换热面积的增大，提高了传热效果。因为传热的速度很快，一定相界面上的热气体和水的温度相等时，热量交换达到平衡状态，液量的影响变小，这时传热系数就趋向一个固定值。

2.1.3 气量对总传热系数的影响

图4 液体流量对总传热系数的影响

图5 气体流量对总传热系数的影响

如图 5所示，转速不变，液体进口流量为 90 L/h，随着热气体的增加，总传热系数 K增大。产生这种现象的原因是：在转速相同的情况下，热流率增大，相间换热的面积增大，给热增大，湍流程度增大，有效地提高了换热效果；且液量大，液体受剪切分散成的小液滴更多，提高了传热效果。

2.2 传热性能的验证

超重机的传热单元高度表达式见式（1），据式（1）得到不同操作条件下的等板高度数据如图6所示。

图6 转速、液体流量对传热单元高度的影响

从图6得到，固定气体进口流量为13 m3/h，在转速为200～1400 r/min、液体流量范围为50～150 L/h时传热单元高度在(1.09×10－2)～(3.0×10－1) m之间，较普通传热提高了2～3个数量级；且随着转速和液体流量的增加，传热单元高度呈单调下降趋势，这两点充分的验证了超重机增强了传热效果。

2.3 传热系数关联式

研究结果显示，超重机的总传热系数与转速N、液体流量q、热气体流量G成幂指数关系。因此可将超重力总传热系数表达为K=ANaqbGc。应用最小二乘法对式（6）进行线性回归，并通过试验所测数据求解系数后得到超重机总传热系数关联式如式（9）。

根据线性回归的结果统计检验表明：在本文的实验条件下，计算值K′与实验测定值K的偏差在±15%以内，关联式与实验数据吻合良好（图7）。

图7 总传热系数拟合结果与实验结果的对比曲线

实验误差分析原因：①忽略实验温度范围内水和空气的黏度变化的影响，这种实验方法对实验结果会产生一定的误差；②实验过程中对热损失的考虑不够详细，也存在一定的误差；③实验仪器误差，如液体流量计产生误差、热电阻测量及仪表显示误差。

3 结 论

通过以上实验结果的分析讨论，对超重机传热特性研究得出如下结论。

（1）液量不变，随着转速的升高，总传热系数K缓慢增大。转速不变，随着液量的增加， K增大。转速不变，随着热气体的增加，K增大。

（2）在转速为200～1400 r/min、液体流量范围为50～150 L/h时传热单元高度较普通传热提高了2～3个数量级；且随着转速和液体流量的增加，传热单元高度呈线性下降趋势，这两点充分验证了超重机增强了传热效果。

（3）得出基于实验的超重机的总传热系数关联式K=5.76×10－3N0.3754q0.7453G1.2917，经统计方法验证，此关联式与实验数据拟合较好，为超重机的后续研究提供传热基础数据。

[1] Richard B.New mass-transfer find is a matter of gravity[J].Chemical Engineering，1983，21（2）：23-29.

[2] Liu H S，Lin C C，Wu S C，et al.Characteristic so farotating packed bed[J].Ind. Eng. Chem. Res.，1996，35：3590-3596.

[3] Basic A，Dudukovic M P. Liquid holdup in rotating packed beds-Examination of the film flow assumption[J].AIChE J.，1995（41）：301-316.

[4] Majid K，Nelson C G.Operating characteristics of rotating packed beds[J].Chem. Eng. Prog.，1989，9：48-52.

[5] Trevour K，James R F. Distillation studies in a high-gravity contactor [J]. Ind. Eng. Chem. Res.，1996，35：4646-4655.

[6] 刘有智.超重力化工过程与技术[M].北京：国防工业出版社，2009： 1-2.

[7] 杨致芬，郭春绒.超重力技术研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（20）：8432-8435.

[8] 邓先和，张建军，陈海辉.旋转离心喷雾气液错流传热计算[J].高校化学工程学报，1999，13（1）：5-10.

[9] 潘朝群，邓先和，张亚君.多级雾化超重力旋转床中气液间的传热[J].化工学报，2005，56（3）：430-434.

[10] 李正林，宋云华，初广文，等.定-转子反应器传热特性[J].化工学报，2009，60（3）：560-566.

[11] 徐春艳，刘承斌，施力田，等.旋转床填料内径向温度分布实验分析[J].北京化工大学学报：自然科学版，2005，32（3）：23-26.

[12] 徐春艳，刘承斌，施力田，等.旋转床填料内径向温度分布研究——实验装置及流程[J].北京化工大学学报：自然科学版，2005，32（1）：97-99.

[13] 陈敏恒，从德滋，方图南，等.化工原理[M].北京：化学工业出版社，1999：244-248.

[14] 栗秀萍，刘有智.超重力精馏过程探讨[J].现代化工，2006，26（10）：315-319.

[15] 李正林，宋云华，初广文，等.超重力连续精馏过程探讨[J].现代化工，2008，28（6）：75-79.

[16] 栗秀萍，刘有智，刘连杰.精馏过程中转子对旋转填料床传质性能的影响[J].化工进展，2005，24（3）：303-306.

[17] 刘有智.超重力撞击流-旋转填料床液-液接触过程强化技术的研究进展[J].化工进展，2009，28（7）：1101-1107.

Gas-liquid heat transfer characteristics of high gravity rotary device

LI Yan，LIU Youzhi，YU Nana，WANG Duzheng
（School of Chemical Engineering and Environment，Research Center of Shanxi Province for High Gravity Chemical Engineering and Technology，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

TQ 021.3；TQ 051

A

1000–6613（2011）04–0729–05

2010-09-26；修改稿日期：2010-11-09。

及联系人：李艳（1978—），女，讲师，研究方向为超重力场中的传热。E-mail 48228656@qq.com。