流态化颗粒流对换热面的传热系数影响的CAT测定

李群松

摘 要：结合CAT技术，研制了一套对换热器在不同工况下的传热系数的测定试验台，该试验台采用流态化球颗粒对换热器进行强化传热及自动清洗防垢测试，并利用计算机得到的数据作为控制反馈各个工艺参数，如：进出口流量、球颗粒浓度、液面高度、结晶物排放时间等等，使得换热器始终保持在良好的工作状态下运行，实验结果表明：该技术可行，具有极大的研究及工程应用价值。

中图分类号：TK229    文献标识码：A  文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0017-02

换热器的强化传热及自动清洗是业内研究的热点，吸引了众多学者的关注，研究表明，传热面流态化球颗粒在换热管内存在高速滚动和相对换热管壁面的滑动，该种合成运动能对边界层进行直接搅混强化了传热，同时也对换热管进行了有效的清洗[1-4]。

文章针对结晶蒸发设备，设计了一试验台。综合采用了CAT技术及流态化球颗粒自动清洗及强化传热技术，使其可以按既可以按要求自动控制其工艺过程，如：进料及出料、结晶物排出时间等等，又能自动控制换热管清洗的时间，使得设备始终保持在良好的工况下运行。通过该平台可以实现对流传热系数的测定，目前，国内外还未见此类报道。

1 基本原理

试验装置设计如图1所示。母液从进口管1进入蒸发器，均匀的进入换热管2，加热蒸汽从管3进入壳程，冷凝水从管4出口，底部5为电加热室，二次蒸汽由罗茨风机引出。操作时应保证管板上始终有3～5 mm的液面高度，罗茨风机液封面必须保证，有最低液面要求（见图1最低液面指示线7）。底部结晶物高度达到指定高度时自动排放。当传热系数将至某一值时自动开启粒子流阀门，球颗粒从顶部进口管6均匀的进入换热管，球颗粒在换热管中作高速滚动，并沿着换热管壁面作小速度滑动。

在该装置中需要控制的参数：（1）蒸汽进口温度。（2）冷凝水出口温度。（3）罗茨风机液封高度（最高与最低）。（4）结晶体高度。（5）结晶体排放时间。（6）传热系数k。（7）球颗粒开启阀门控制。（8）球颗粒回收控制。各个参数的控制通过不同类型的传感器进行。各传感器将数据采集，经A/D转换为计算机信号。

2 参数控制与处理（测控系统）

2.1 测控系统结构

CAT的任务就是运用智能检测技术、计算机技术和控制技术来测试和调控传热系统的性能。在此过程中，计算机的任务是：调节和控制传热参数，如各进出口温度、压力、流量等;采集试验数据;数据处理;试验结果显示、打印、绘图，从而实现传热系统测试过程的全过程自动化。它具有程序自动控制和人工控制两种信号输入方式，采用这种模式的传热CAT系统，能够通过交互作用对系统实行闭环控制，系统性能优越，测试精度高。

2.2 传感器

传热CAT系统涉及了温度、流量、压力和液面的检测，要求各传感器具有防腐和隔爆功能。

2.3 控制执行器

循环结晶槽结晶沉降料位控制采用电动球型开关阀BQ41F。出于节能考虑，循环结晶槽液面控制摈弃了传统的调节阀控制回流的控制手段，采用了变频控制，执行机构采用了西门子公司MicroMaster430变频器。

2.4 数据采集卡

数据采集卡（DAQ）负责从传感器自动采集电量信号，送到上位机中进行分析和处理。并输出控制信号给执行结构。数据采集卡结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。传热CAT系统采用了NI公司的PCI6220数据采集卡，通过PCI总线接入个人计算机。

2.5 抗干扰措施

为了保证计算机控制系统长期稳定可靠地运行，良好的接地系统是必不可少的，不仅供电系统要有良好的接地，更重要的是要为计算机控制系统埋设专门的接地点，敷设专门的接地线。本测试系统采用单点接地。

2.6 传热系数的反馈与控制

传热系数K的测定是一个非常重要的环节，我们不能直接在仪表上得到它，需要进行一系列的计算，准确的得出与各个参数的关联式，利用LabVIEW在计算机上数显出传热系数的大小。并且还要通过它反馈控制其他的参数，如阀门的开启、液位的控制等到。

传热系数K的计算基本方程式为：

其中 K为总传热系数，W/（m2.K）;

S为传热面积为设备常数，按规定须以传热管外径面积计算，m2;

Q为传热的热功率，W。其值采用冷却水通过传热管得到的热功率的实测值，计算式为由于冷却水的进出口温度相差不大，一般只有3℃左右，有时甚至只有1℃，成为传热系数K测量精度的控制因素。为此建议直接测量两者的温差。

式中的V为冷却水的体积流量，;

为冷却水的密度，kg/m3;

为冷却水的比热，J/（kg.K）;

为传热管内冷却水的进出口温度，℃;

为传热温差，℃。由于冷却水的进出口温度相差不大，因此，对数平均温度可以用算数平均温度代替，并且误差很小。因此，有：

为加热蒸汽的温度，℃。

因此，与直接测量参数相关的传热系数计算式为：

虽然系数在同一个实验过程中为常数，但是对不同物料的实验却不是常数，因此，要求数据处理系统有两个参数可以人工修改。

3 强化传热及自动清洗试验

3.1 测试平台试验结果

利用该装置进行一系列试验，得到无颗粒掺入流体及有颗粒（体积比例为2%）掺入的强化传热对比图。显然，采用流态化球颗粒强化传热及自动清洗效果非常明显，其强化传热效果优于传统的其他管内插入件。（见图2）

3.2 数值模拟结果

简化试验模型，利用FLUENT及其组合软件对系统进行了数值模拟得到图3、图4。

数值模拟结果与测试系统的测试结果比较吻合，说明装置的设计是合理、有效的。

4 结论

（1）流态化固体颗粒流对传热面强化传热效果明显。

（2）利用该试验装置能较准确的测定传热面的传热系数，测试数据是有效的，为相关研究提供了很好的试验平台。

参考文献

[1] 温娟，丁京伟，齐承英，等.壁面扰流影响边界层湍流拟序结构及强化传热机理的研究[J].河北工业大学学报，2009，38（3）.

[2] 彭德其，支校衡，俞秀民.管口冲推塑料螺旋线自转清洗防垢及其传热强化[J].矿机械，2005（9）：29-31.

[3] Deqi PENG，XiaoHeng ZHI， XiuMin YU，et al.Research on vertical water-cooled condensers of fluidized-bed of internal circulation with bubble cap plate[J].The 3rd International Symposium On Heat Transfer Enhancement And Energy Conservation，2004：880-884.

[4] 俞天兰，彭德其，俞秀民，等.汽轮机冷凝器自转塑料纽带自动在线连续除垢防垢技术研究[J].现代化工，2002（6）：44-46.

摘 要：结合CAT技术，研制了一套对换热器在不同工况下的传热系数的测定试验台，该试验台采用流态化球颗粒对换热器进行强化传热及自动清洗防垢测试，并利用计算机得到的数据作为控制反馈各个工艺参数，如：进出口流量、球颗粒浓度、液面高度、结晶物排放时间等等，使得换热器始终保持在良好的工作状态下运行，实验结果表明：该技术可行，具有极大的研究及工程应用价值。

中图分类号：TK229    文献标识码：A  文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0017-02

换热器的强化传热及自动清洗是业内研究的热点，吸引了众多学者的关注，研究表明，传热面流态化球颗粒在换热管内存在高速滚动和相对换热管壁面的滑动，该种合成运动能对边界层进行直接搅混强化了传热，同时也对换热管进行了有效的清洗[1-4]。

文章针对结晶蒸发设备，设计了一试验台。综合采用了CAT技术及流态化球颗粒自动清洗及强化传热技术，使其可以按既可以按要求自动控制其工艺过程，如：进料及出料、结晶物排出时间等等，又能自动控制换热管清洗的时间，使得设备始终保持在良好的工况下运行。通过该平台可以实现对流传热系数的测定，目前，国内外还未见此类报道。

1 基本原理

试验装置设计如图1所示。母液从进口管1进入蒸发器，均匀的进入换热管2，加热蒸汽从管3进入壳程，冷凝水从管4出口，底部5为电加热室，二次蒸汽由罗茨风机引出。操作时应保证管板上始终有3～5 mm的液面高度，罗茨风机液封面必须保证，有最低液面要求（见图1最低液面指示线7）。底部结晶物高度达到指定高度时自动排放。当传热系数将至某一值时自动开启粒子流阀门，球颗粒从顶部进口管6均匀的进入换热管，球颗粒在换热管中作高速滚动，并沿着换热管壁面作小速度滑动。

在该装置中需要控制的参数：（1）蒸汽进口温度。（2）冷凝水出口温度。（3）罗茨风机液封高度（最高与最低）。（4）结晶体高度。（5）结晶体排放时间。（6）传热系数k。（7）球颗粒开启阀门控制。（8）球颗粒回收控制。各个参数的控制通过不同类型的传感器进行。各传感器将数据采集，经A/D转换为计算机信号。

2 参数控制与处理（测控系统）

2.1 测控系统结构

CAT的任务就是运用智能检测技术、计算机技术和控制技术来测试和调控传热系统的性能。在此过程中，计算机的任务是：调节和控制传热参数，如各进出口温度、压力、流量等;采集试验数据;数据处理;试验结果显示、打印、绘图，从而实现传热系统测试过程的全过程自动化。它具有程序自动控制和人工控制两种信号输入方式，采用这种模式的传热CAT系统，能够通过交互作用对系统实行闭环控制，系统性能优越，测试精度高。

2.2 传感器

传热CAT系统涉及了温度、流量、压力和液面的检测，要求各传感器具有防腐和隔爆功能。

2.3 控制执行器

循环结晶槽结晶沉降料位控制采用电动球型开关阀BQ41F。出于节能考虑，循环结晶槽液面控制摈弃了传统的调节阀控制回流的控制手段，采用了变频控制，执行机构采用了西门子公司MicroMaster430变频器。

2.4 数据采集卡

数据采集卡（DAQ）负责从传感器自动采集电量信号，送到上位机中进行分析和处理。并输出控制信号给执行结构。数据采集卡结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。传热CAT系统采用了NI公司的PCI6220数据采集卡，通过PCI总线接入个人计算机。

2.5 抗干扰措施

为了保证计算机控制系统长期稳定可靠地运行，良好的接地系统是必不可少的，不仅供电系统要有良好的接地，更重要的是要为计算机控制系统埋设专门的接地点，敷设专门的接地线。本测试系统采用单点接地。

2.6 传热系数的反馈与控制

传热系数K的测定是一个非常重要的环节，我们不能直接在仪表上得到它，需要进行一系列的计算，准确的得出与各个参数的关联式，利用LabVIEW在计算机上数显出传热系数的大小。并且还要通过它反馈控制其他的参数，如阀门的开启、液位的控制等到。

传热系数K的计算基本方程式为：

其中 K为总传热系数，W/（m2.K）;

S为传热面积为设备常数，按规定须以传热管外径面积计算，m2;

Q为传热的热功率，W。其值采用冷却水通过传热管得到的热功率的实测值，计算式为由于冷却水的进出口温度相差不大，一般只有3℃左右，有时甚至只有1℃，成为传热系数K测量精度的控制因素。为此建议直接测量两者的温差。

式中的V为冷却水的体积流量，;

为冷却水的密度，kg/m3;

为冷却水的比热，J/（kg.K）;

为传热管内冷却水的进出口温度，℃;

为传热温差，℃。由于冷却水的进出口温度相差不大，因此，对数平均温度可以用算数平均温度代替，并且误差很小。因此，有：

为加热蒸汽的温度，℃。

因此，与直接测量参数相关的传热系数计算式为：

虽然系数在同一个实验过程中为常数，但是对不同物料的实验却不是常数，因此，要求数据处理系统有两个参数可以人工修改。

3 强化传热及自动清洗试验

3.1 测试平台试验结果

利用该装置进行一系列试验，得到无颗粒掺入流体及有颗粒（体积比例为2%）掺入的强化传热对比图。显然，采用流态化球颗粒强化传热及自动清洗效果非常明显，其强化传热效果优于传统的其他管内插入件。（见图2）

3.2 数值模拟结果

简化试验模型，利用FLUENT及其组合软件对系统进行了数值模拟得到图3、图4。

数值模拟结果与测试系统的测试结果比较吻合，说明装置的设计是合理、有效的。

4 结论

（1）流态化固体颗粒流对传热面强化传热效果明显。

（2）利用该试验装置能较准确的测定传热面的传热系数，测试数据是有效的，为相关研究提供了很好的试验平台。

参考文献

[1] 温娟，丁京伟，齐承英，等.壁面扰流影响边界层湍流拟序结构及强化传热机理的研究[J].河北工业大学学报，2009，38（3）.

[2] 彭德其，支校衡，俞秀民.管口冲推塑料螺旋线自转清洗防垢及其传热强化[J].矿机械，2005（9）：29-31.

[3] Deqi PENG，XiaoHeng ZHI， XiuMin YU，et al.Research on vertical water-cooled condensers of fluidized-bed of internal circulation with bubble cap plate[J].The 3rd International Symposium On Heat Transfer Enhancement And Energy Conservation，2004：880-884.

[4] 俞天兰，彭德其，俞秀民，等.汽轮机冷凝器自转塑料纽带自动在线连续除垢防垢技术研究[J].现代化工，2002（6）：44-46.

摘 要：结合CAT技术，研制了一套对换热器在不同工况下的传热系数的测定试验台，该试验台采用流态化球颗粒对换热器进行强化传热及自动清洗防垢测试，并利用计算机得到的数据作为控制反馈各个工艺参数，如：进出口流量、球颗粒浓度、液面高度、结晶物排放时间等等，使得换热器始终保持在良好的工作状态下运行，实验结果表明：该技术可行，具有极大的研究及工程应用价值。

中图分类号：TK229    文献标识码：A  文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0017-02

换热器的强化传热及自动清洗是业内研究的热点，吸引了众多学者的关注，研究表明，传热面流态化球颗粒在换热管内存在高速滚动和相对换热管壁面的滑动，该种合成运动能对边界层进行直接搅混强化了传热，同时也对换热管进行了有效的清洗[1-4]。

文章针对结晶蒸发设备，设计了一试验台。综合采用了CAT技术及流态化球颗粒自动清洗及强化传热技术，使其可以按既可以按要求自动控制其工艺过程，如：进料及出料、结晶物排出时间等等，又能自动控制换热管清洗的时间，使得设备始终保持在良好的工况下运行。通过该平台可以实现对流传热系数的测定，目前，国内外还未见此类报道。

1 基本原理

试验装置设计如图1所示。母液从进口管1进入蒸发器，均匀的进入换热管2，加热蒸汽从管3进入壳程，冷凝水从管4出口，底部5为电加热室，二次蒸汽由罗茨风机引出。操作时应保证管板上始终有3～5 mm的液面高度，罗茨风机液封面必须保证，有最低液面要求（见图1最低液面指示线7）。底部结晶物高度达到指定高度时自动排放。当传热系数将至某一值时自动开启粒子流阀门，球颗粒从顶部进口管6均匀的进入换热管，球颗粒在换热管中作高速滚动，并沿着换热管壁面作小速度滑动。

在该装置中需要控制的参数：（1）蒸汽进口温度。（2）冷凝水出口温度。（3）罗茨风机液封高度（最高与最低）。（4）结晶体高度。（5）结晶体排放时间。（6）传热系数k。（7）球颗粒开启阀门控制。（8）球颗粒回收控制。各个参数的控制通过不同类型的传感器进行。各传感器将数据采集，经A/D转换为计算机信号。

2 参数控制与处理（测控系统）

2.1 测控系统结构

CAT的任务就是运用智能检测技术、计算机技术和控制技术来测试和调控传热系统的性能。在此过程中，计算机的任务是：调节和控制传热参数，如各进出口温度、压力、流量等;采集试验数据;数据处理;试验结果显示、打印、绘图，从而实现传热系统测试过程的全过程自动化。它具有程序自动控制和人工控制两种信号输入方式，采用这种模式的传热CAT系统，能够通过交互作用对系统实行闭环控制，系统性能优越，测试精度高。

2.2 传感器

传热CAT系统涉及了温度、流量、压力和液面的检测，要求各传感器具有防腐和隔爆功能。

2.3 控制执行器

循环结晶槽结晶沉降料位控制采用电动球型开关阀BQ41F。出于节能考虑，循环结晶槽液面控制摈弃了传统的调节阀控制回流的控制手段，采用了变频控制，执行机构采用了西门子公司MicroMaster430变频器。

2.4 数据采集卡

数据采集卡（DAQ）负责从传感器自动采集电量信号，送到上位机中进行分析和处理。并输出控制信号给执行结构。数据采集卡结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。传热CAT系统采用了NI公司的PCI6220数据采集卡，通过PCI总线接入个人计算机。

2.5 抗干扰措施

为了保证计算机控制系统长期稳定可靠地运行，良好的接地系统是必不可少的，不仅供电系统要有良好的接地，更重要的是要为计算机控制系统埋设专门的接地点，敷设专门的接地线。本测试系统采用单点接地。

2.6 传热系数的反馈与控制

传热系数K的测定是一个非常重要的环节，我们不能直接在仪表上得到它，需要进行一系列的计算，准确的得出与各个参数的关联式，利用LabVIEW在计算机上数显出传热系数的大小。并且还要通过它反馈控制其他的参数，如阀门的开启、液位的控制等到。

传热系数K的计算基本方程式为：

其中 K为总传热系数，W/（m2.K）;

S为传热面积为设备常数，按规定须以传热管外径面积计算，m2;

Q为传热的热功率，W。其值采用冷却水通过传热管得到的热功率的实测值，计算式为由于冷却水的进出口温度相差不大，一般只有3℃左右，有时甚至只有1℃，成为传热系数K测量精度的控制因素。为此建议直接测量两者的温差。

式中的V为冷却水的体积流量，;

为冷却水的密度，kg/m3;

为冷却水的比热，J/（kg.K）;

为传热管内冷却水的进出口温度，℃;

为传热温差，℃。由于冷却水的进出口温度相差不大，因此，对数平均温度可以用算数平均温度代替，并且误差很小。因此，有：

为加热蒸汽的温度，℃。

因此，与直接测量参数相关的传热系数计算式为：

虽然系数在同一个实验过程中为常数，但是对不同物料的实验却不是常数，因此，要求数据处理系统有两个参数可以人工修改。

3 强化传热及自动清洗试验

3.1 测试平台试验结果

利用该装置进行一系列试验，得到无颗粒掺入流体及有颗粒（体积比例为2%）掺入的强化传热对比图。显然，采用流态化球颗粒强化传热及自动清洗效果非常明显，其强化传热效果优于传统的其他管内插入件。（见图2）

3.2 数值模拟结果

简化试验模型，利用FLUENT及其组合软件对系统进行了数值模拟得到图3、图4。

数值模拟结果与测试系统的测试结果比较吻合，说明装置的设计是合理、有效的。

4 结论

（1）流态化固体颗粒流对传热面强化传热效果明显。

（2）利用该试验装置能较准确的测定传热面的传热系数，测试数据是有效的，为相关研究提供了很好的试验平台。

参考文献

[1] 温娟，丁京伟，齐承英，等.壁面扰流影响边界层湍流拟序结构及强化传热机理的研究[J].河北工业大学学报，2009，38（3）.

[2] 彭德其，支校衡，俞秀民.管口冲推塑料螺旋线自转清洗防垢及其传热强化[J].矿机械，2005（9）：29-31.

[3] Deqi PENG，XiaoHeng ZHI， XiuMin YU，et al.Research on vertical water-cooled condensers of fluidized-bed of internal circulation with bubble cap plate[J].The 3rd International Symposium On Heat Transfer Enhancement And Energy Conservation，2004：880-884.

[4] 俞天兰，彭德其，俞秀民，等.汽轮机冷凝器自转塑料纽带自动在线连续除垢防垢技术研究[J].现代化工，2002（6）：44-46.