气液交叉流装置冷凝过程的传热传质特性

张峰榛，杨 虎，刘兴勇

（四川理工学院材料与化学工程学院，四川 自贡 643000）

气液交叉流装置冷凝过程的传热传质特性

张峰榛，杨 虎，刘兴勇

（四川理工学院材料与化学工程学院，四川 自贡 643000）

建立了气液交叉流冷凝过程的传热传质模型并给出其动力学参数的表达式，通过实验研究了不同工况下高温含湿气体横掠冷却液柱流阵列的热质传递特性，获得传热、传质系数。研究表明，错列排列对应的传热、传质系数值为直列排列对应值的1.2～1.4倍；液柱流动诱发气液界面附近的气体发生湍动以及气体绕流液柱引起的自身湍动，分别是低气速和高气速条件下强化气液相间传热传质的主要因素；本研究体系下路易斯准数在0.75～0.85范围内。

气液交叉流；冷凝；传热传质；直列与错列

随着国家对环境的日趋重视，于2016年1月1日全国实施《环境空气质量标准》(GB3095-2012)。该标准增加了臭氧和PM2.5两项污染物控制指标，规定PM2.5年平均小于35μg/m3。化石燃料燃烧，如火电厂发电燃煤尾气是PM2.5的主要来源之一。从美国国家航空航天局2010年9月公布的世界各地PM2.5的密度图来看，在我国东部沿海地区PM2.5质量浓度高达80μg/m3。源头控制PM2.5势在必行。

现有PM2.5脱除技术主要有纤维过滤、特殊场分离以及湿法分离。纤维过滤[1,2]的分离机理是细小颗粒由布朗运动引起的扩散沉积。具有分离效率高的优点，但同时存在阻力大、过滤材料再生难等不足；特殊场分离技术主要是依靠引入电场[3,4]、磁场[5]、声场[6-8]等使颗粒受到一场力的作用，加速其在固体表面上的沉积。不过目前该方法并未广泛用于工业尾气处理中；传统湿法分离主要是利用气液两相间高比表面实现微小颗粒的洗涤，该技术分离效率高，不过存在因雾沫夹带带来的二次分离问题[9]。

基于此，提出了利用高温含湿气体横掠冷却液柱流阵列实现净化气体的方法[10]。该方法具有推动力大、分离效率高、阻力小且雾沫夹带少等特点。为此本文研究了含湿气体横掠冷却液柱流阵列的气液相际热质传递特性，以期优化气体净化系统的过程参数以及指导设备制造。

1 气液交叉流冷凝过程动力学模型

高温含湿气体横掠冷却液柱流阵列，气相主体湿分压力大于液柱流表面饱和湿分压力，湿蒸汽从气相主体向液柱流表面传递，即液柱流表面冷凝和气体降温减湿过程。在下述简化假设条件下建立该过程的动力学模型：

(1)仅考虑含湿气体沿流动方向的温度、湿度变化，将三维问题简化成一维；

(2)忽略液柱流热焓变化；

(3)因液柱流表面更新较快，将液柱流温度视为均匀，且等于其进口温度；

(4)忽略液柱表面收缩，将液柱流视为圆柱。

图1是气液交叉流冷凝过程一维示意图。以含湿气体为研究对象，取微元控制体dl。

图1 气液交叉流冷凝过程微元控制体示意图Fig.1 Schemeofgas-liquid cross-flow condensation process control system

控制体内传热方程由式(1)表达：

控制体内湿蒸汽传质方程由式(2)表达：

式(1)、(2)中：wn-绝干气体质量流量，kg/s；cH-干基湿比容，J/(kg·K)；T-干球温度，K；h-给热系数，W/(m2· K)；Tliq-液柱流温度，K；a-液柱流阵列比表面积，m2/ m3；S-气体流通横截面积，m2；H-含湿量，为m(H2O)/ m(绝干气)；kH-传质系数，kg(绝干气)/(m2·s)；Hliq-液柱流表面温度对应的饱和含湿量，为m(H2O)/m(绝干气)。

由式(1)、(2)可获得气液交叉流冷凝过程的动力学参数，即给热系数和传质系数，分别如表达式(3)和(4)。

式(3)和(4)中，A为液柱流阵列表面积，可由式(5)近似计算。

其中：n-液柱流根数；d0-液柱流直径，m；L0-液柱流长度，m。不同实验工况下，通过测得气体流量、气体的进出口温度、湿度以及液体的温度，可先获得传质系数kH；再采用数值解法求解式(3)，进而获得给热系数h。

根据Chilton-Colburn J因子的类比关系[11]，给出描述气液交叉流冷凝过程传热速率与传质速率之比的路易斯准数Le，如式(6)所示。

2 实验装置及流程

本文利用如图2所示的气液交叉流冷凝实验装置获得其动力学参数。装置主要由气液交叉流冷凝室、风机、蒸汽发生装置、电加热器、离心泵、恒温水槽组成。其中冷凝室的几何尺寸为80×80×50mm，多孔布液器上开孔孔径d0=5mm，开孔布置分直列和错列两种，如图3所示。

恒温水槽将储水池内的液体温度降低至实验设定温度后，磁力泵将恒温水槽内的水加压并通过液体流量计计量，送入冷凝室顶部的储液槽，通过多孔板布液器使之均匀分布，形成连续稳定液柱流；气体经风机加压，由气体流量计计量后，与蒸汽发生器产生的蒸汽混合并由电换热器中加热，进入气液交叉流冷凝室，与液柱流阵列形成交叉流动发生传热传质，最后从冷凝室出口流出。气液交叉流冷凝室顶部及底部分别安装温度计测量液体温度；冷凝室的气体入口和出口处分别安装数显温湿度计测量气体温度及相对湿度。实验控制含湿气体进口温度和相对湿度分别在55～60℃和25%～30%范围内。每组实验液体进出冷凝室的温差皆小于0.2℃。

图2 气液交叉流冷凝实验装置示意图Fig.2 Experimental setup scheme of gas-liquid cross flow condensation process

图3 布液器开孔布置示意图Fig.3 Schematic openings layout of liquid distributor

3 结果与讨论

3.1 液柱流阵列排列方式影响

图4、5分别给出了在液速为0.79m/s条件下，液柱流阵列排列方式对给热系数和传质系数的影响。可见，给热系数和传质系数随气速增大而显著增加；在同一气速条件下，错列排列对应的给热系数值和传质系数值为直列排列对应值的1.2～1.4倍。这主要是由于气体绕流错列排列的液柱流阵列更有助于增强气体的湍动，强化传热传质过程。

图4 液柱流阵列排列方式对给热系数的影响Fig.4 Effect of liquid column arrangement on heat transfer coefficient

图5 液柱流阵列排列方式对传质系数的影响Fig.5 Effect of liquid column arrangement on mass transfer coefficient

3.2 液柱流速影响

图6、7分别给出了液柱流速对给热系数和传质系数的影响。可见直列与错列排列条件下皆表现出：低气速下，随液柱流速的增大，给热系数和传质系数增加趋势明显；而高气速下，给热系数和传质系数随液柱流速的增大变化趋势不明显。以气体流速为1.30m/s，错列排列的实验工况为例，液柱流速从0.53m/s增至1.0m/s，给热系数和传质系数分别从111.6W/(m2·K)和0.134kg(绝干气)/(m2·s)增加至134.1W/(m2·K)和0.163kg(绝干气)/(m2·s)，增幅分别达20.2%和21.1%；而气体流速为2.50m/s，液柱流速从0.53m/s增至1.0m/s，给热系数和传质系数分别维持在190W/(m2·K)和0.24kg(绝干气)/(m2·s)左右。这主要是由于在低气速条件下，液柱流动诱发气体在气液界面附近发生湍动，强化了气液相间的传热传质过程；而高气速条件下，由液柱流动诱发的气体湍动程度较高气速气体绕流液柱引起的湍动小，给热系数和传质系数不随液柱流速改变而改变。

图6 液柱流速对给热系数的影响Fig.6 Effect of liquid column flow rate on heat transfer coefficient

图7 液柱流速对传质系数的影响Fig.7 Effect of liquid column flow rate on mass transfer coefficient

3.3 热质传递规律

为进一步探讨气液交叉流冷凝过程热量质量传递规律，图8给出了不同实验工况下的路易斯准数。可见，在本研究体系下路易斯数Le值在0.75～0.85的范围内。这一结果与常压下空气-水系统获得的Le值约为0.868的结果[11]是一致的。

图8 不同实验工况下的Le值Fig.8 Lewis numbers in various experimental conditions

4 结论

(1)相同气速下，错列排列对应的给热系数值和传质系数值为直列排列对应值的1.2～1.4倍；

(2)低气速下，液柱流动诱发气液界面附近的气体发生湍动是强化气液相间传热传质过程的主要因素；而高气速下，气体绕流液柱引起的自身湍动是强化传热传质过程的主要因素；

(3)本研究体系下，描述气液交叉流冷凝过程传热速率与传质速率之比的路易斯准数Le在0.75～0.85范围内。该研究结果对气液交叉流气体净化系统的过程参数优化及设备制造具有指导意义。

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[11]陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理(下)[M].第三版.北京：化学工业出版社，2008：219-224.

Characteristics of heat and mass transfer in condensation processof gas-liquid cross flow device

ZHANG Feng-zhen,YANG Hu,LIU Xing-yong
（School of Material and Chemical Engineering,Sichuan University of Science and Engineering,Zigong 643000,China）

The heat and mass transfer models for the condensation process of liquid-gas cross flow were established mathematically,and the expressions of heat and mass transfer coefficients were obtained.The characteristics of high temperature and humidity gas that flowed across an array of liquid columns were experimentally studied in various working conditions to get the heat and mass transfer coefficient.The results show that the heat and mass transfer coefficients of the staggered arrangement are 20%-40%higher than that of the aligned arrangement,and the gas turbulence near the gas-liquid interface caused by the flow of the liquid columns and the gas turbulence caused by the gas flow around liquid columns are the main factors that intensify the heat and mass transfer in low and high gas flow rates,respectively.The Lewis numbers in this study are between 0.75 and 0.85.

gas-liquid cross flow;condensation;heat and mass transfer;aligned arrangement and staggered arrangement

TQ02

：A

：1001-9219(2016）04-77-04

2016-03-16；

：四川省科技支撑计划项目（2014GZ0132），四川理工学院人才引进项目（2012RC07）；

：张峰榛（1980-），男，讲师，电话 15881329605，电邮zhangfengzhen421@163.com。