汽-液-固多管循环流化床蒸发器中固体颗粒的分布

姜 峰，王兵兵，齐国鹏，李修伦

(1. 天津大学化工学院，天津 300072；2. 天津职业大学生物与环境工程学院，天津 300410)

由于多相流节能防垢技术具有良好的强化传热和防、除垢性能[1-3]，可在线解决蒸发器、再沸器等诸多换热装置的强化传热和结垢问题，且操作稳定，应用前景广阔，因此，国、内外的学者对其进行了大量的研究[4-12]．随着世界和我国节能减排任务的日益严峻，加快实施多相流等诸多节能技术的工业化推广则变得愈加迫切．在多相流技术的工业化实施中，一个关键的问题是如何实现惰性固体颗粒在加热管束中的良好分布．虽然已有一些研究者在这方面进行了

初步探索[13-17]，但其研究结果使用的局限性较大，且均为冷模条件下的研究，距有效解决工业蒸发器等换热装置加热管束中的颗粒分布问题尚有较大的差距．为此，笔者建立了一套热模透明多管循环流化床蒸发器，在热模条件下研究加热管束中颗粒的分布规律，充分考察液体循环流量、热通量、颗粒加入量和颗粒种类等参数的影响，为有效实现加热管束中固体颗粒的良好分布提供数据基础．

1 实 验

1.1 实验装置及流程

实验装置为热模透明多管循环流化床蒸发器，如图1 所示．加热室由上、下管箱及5 根呈“一” 字形排列的透明镀膜加热管构成．镀膜管材质为硬质玻璃，管长1.1 m，管径为Φ45×3 mm．

图1 汽-液-固3相循环流化床蒸发器流程Fig.1 Flow chart of vapor-liquid-solid three-phase circulating fluid bed evaporator

先向系统中加入液相工质至指定液位，然后加入一定量的固体颗粒．开启镀膜加热系统和数据在线采集系统，逐渐增大加热功率，待工质温度升至沸点左右时，开启循环泵．调节加热功率和泵的转速，稳定后，采集颗粒运动及分布图像．系统内工质的循环动力为自然循环推动力和强制循环推动力之和．液相工质在加热管内沸腾后，汽、液、固3 相向上运动至分离器．分离器内，汽相上升，与液、固两相分离，然后由分离器进入冷凝器，冷凝后由储罐收集；液、固两相则进入循环管进行循环．由泵和高位槽向系统内在线补充液相工质．

1.2 实验工质

实验中液相工质为自来水，所用固体颗粒的种类和相关物性如表1 所示，其中，尼龙和树脂为圆柱形颗粒，粒径表示为Ф 直径×高度，沉降速度为水温100,℃时的计算值．固体颗粒的加入量φ 分别为1%、2%、3%、4%(以加入固体颗粒的堆体积占系统内所加液相工质体积的百分比来计算)．

表1 固体颗粒种类及性质Tab.1 Types and properties of solid particles

1.3 参数测量及数据处理方法

循环泵为管道排污泵，型号为GW80-40-7，无级变频调节流量；液体循环流量采用电磁流量计测量，型号为LDG-D80，量程为0～80 m3/h，精度为0.5级．颗粒运动及分布情况由 CCD 测量，型号为GC650，帧率为90 f/s．用相关程序对采集的图像文件进行差影检测、阈值分割、中值滤波等步骤处理后，可得各加热管内固含率．各镀膜管均匀加热，加热功率等数据采用“组态王” 软件在线采集．

管束中颗粒的分布采用颗粒分布的不均匀度M来描述．不均匀度M 越大，表明颗粒在加热管束中的分布越不均匀．

式中：εi为加热管束某一轴向位置上第 i 根加热管内的固含率；为同一轴向位置上的各加热管内固含率的算术平均值．

2 结果与讨论

2.1 液体循环流量对颗粒分布的影响

实验结果表明，在其他操作参数一定的条件下，循环流量的变化对管束中颗粒的分布会产生较大的影响．随着循环流量的增大，颗粒分布的不均匀度减小，但减小的程度随流量的增大逐渐降低，见图2．

加热管束中，靠近中间的管内流速较大，而两侧的管内流速较低．同时由于下管箱结构的限制，颗粒由下管箱进入不同加热管时，流动阻力大小不同：靠近中间，流动阻力较小；靠近两侧，流动通道较为曲折，阻力较大．上述因素导致颗粒在加热管束中分布不均：靠中间的管内固含率较大，而两侧的管内固含率较低．这种分布不均在液体循环流量较低时尤为明显．主要原因是循环流量较低时，靠中间的管子可实现颗粒的正常流化，而两侧的管子，由于流速低、阻力大，颗粒难以进入，使得不同管内固含率相差较大．随着循环流量的增加，已实现正常流化的靠中间的管内固含率的增加幅度不大；而两侧的管内，由于流化动力的增加，有效地克服了阻力的影响，使得进入管内的颗粒量迅速增加，因而，管束中颗粒分布不均匀度迅速降低．随着循环流量的进一步增加，下管箱内湍流程度增加，管箱流动截面上流速和颗粒的分布也更加均匀，同时管箱结构阻力的影响也进一步降低，因此，管束中颗粒分布的不均匀度继续下降，但降低的幅度逐渐减小．

图2 液体循环流量对管束中颗粒分布的影响Fig.2 Effect of circulating flow rate on distribution of particle in pipe bundle

2.2 热通量对颗粒分布的影响

以Ф3.15 mm 聚甲醛为例，图3 表明了热通量对加热管束中颗粒分布的影响．由图3 可见，管束中颗粒分布的不均匀度随着热通量的增加而降低．该效应在循环流量较低时体现得较为明显，随着循环流量的增加，热通量的影响逐渐减弱，甚至几乎失去影响.

热通量的增加，可以提高加热管内蒸汽含量，增大加热管和循环管的密度差，进而增加流动的自然循环推动力，导致循环流量增大，颗粒分布更均匀．但是随着泵转速的增加，也就是强制循环推动力的增加，受热通量影响的自然循环推动力在循环总推动力中所占的比例逐渐下降，故其影响逐渐减弱．

2.3 颗粒加入量对颗粒分布的影响

图4所示为颗粒加入量对颗粒分布的影响(以Ф3.15 mm 聚甲醛，q＝4 kW/m2为例)．由图4 可见，随着颗粒加入量的增加，颗粒分布的不均匀度逐渐降低．

增加颗粒加入量有助于颗粒在下管箱流动横截面上的均匀分布，使管箱内的颗粒进入加热管束各管内的几率更加接近，因而有利于管束中颗粒的均匀分配．但颗粒加入量的确定不能只考虑其分布情况，还要结合强化传热和防、除垢效果、流动压降及成本等因素综合确定．

2.4 颗粒种类对颗粒分布的影响

不同颗粒的密度、形状等物性参数均会影响颗粒在管束中的分布，笔者主要考察了颗粒沉降速度的影响．表1 给出了所采用的5 种固体颗粒在操作条件下的沉降速度．如图5 所示，在不同固体加入量下，随着颗粒沉降速度的增加，颗粒分布的不均匀度增大．

颗粒的沉降速度越大，颗粒越不易流化，因此管束内速度分布不均和管箱结构造成的各管流化阻力的不同影响就越大，一定的循环流量和热通量下，颗粒在管束内的分布就越不均匀．

图3 热通量对管束中颗粒分布的影响Fig.3 Effect of heating flux on distribution of particle in pipe bundle

图4 颗粒加入量对管束中颗粒分布的影响Fig.4 Effect of additive particle amount on distribution of particle in pipe bundle

图5 颗粒种类对管束中颗粒分布的影响Fig.5 Effect of particle types on distribution of particle in pipe bundle

3 结 论

(1) 管束中颗粒分布的不均匀度随着液体循环流量的增加而降低，但降低的程度随着流量的增大而逐渐减小．

(2) 循环流量较低时，热通量的增加可明显降低管束中颗粒分布的不均匀度，但随着液体循环流量的增大，热通量的影响逐渐减弱直至几乎消失．

(3) 颗粒加入量的增加可在一定程度上降低颗粒分布的不均匀度，而确定其合理用量应综合考虑各方面因素．

(4) 颗粒分布的不均匀度随着颗粒沉降速度的增加而增大．

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