水平液固循环流化床换热器传热性能评价

刘燕，张英迪，裴程林，王智，张伟

（1河北工业大学化工学院，天津 300130；2河北工业大学海洋科学与工程学院，天津 300130）

研究开发

水平液固循环流化床换热器传热性能评价

刘燕1，2，张英迪1，裴程林1，王智1，张伟2

（1河北工业大学化工学院，天津 300130；2河北工业大学海洋科学与工程学院，天津 300130）

对管内插入Kenics静态混合器的水平液固循环流化床换热器进行实验研究，实验考察了静态混合器扭率、静态混合器安装方式、液体流速、颗粒体积分数对传热性能和流阻性能的影响，并运用综合强化传热性能评价指标（PEC）对其进行分析。实验发现，传热性能和阻力系数均随扭率增加而减小。当雷诺数在10000～45000之间时，扭率为1.5、2、2.5、3.5的Kenics静态混合器的PEC指标均大于1，说明了水平流化床换热器插入Kenics静态混合器能够改善传热。在雷诺数达到25000左右、Kenics静态混合器扭率为2.5、颗粒体积分数为4%时，水平流化床换热器的PEC指标最高达到1.18。当两个扭率均为2.5的Kenics静态混合器安装间距为200mm时，水平流化床换热器的PEC指标最高。

Kenics静态混合器；水平液固循环流化床；多相流；强化传热；性能评价指标

在化工生产领域中，由于壁面污垢的存在造成换热设备传热效率低下的现象非常普遍，需要利用有效的强化传热技术［1］来提高传热效果。研究者利用多相流化床技术来解决换热器防、除垢问题，开发的循环流化床能达到在线清理污垢、传热系数高的特点。目前，循环流化床的研究主要集中在垂直管流化床的研究中，李修伦等［2-4］在垂直管流动系统中加入惰性颗粒，对惰性颗粒的强化传热及防污除垢效果进行了实验研究，研究表明由于惰性颗粒的加入使传热系数提高了2～3倍。近年来，研究者提出在水平管内加入固体颗粒来达到提高传热效果的目的，张恒等［5-6］提出对管内加入惰性颗粒来防止污垢形成，并在水平液固循环流化床进行研究，实验发现由于固体颗粒的加入，传热系数得到提高。在水平液固循环流化床中，由于固体颗粒重力作用，会造成水平管内颗粒分布不均匀的问题，为解决这一问题，张少峰等［7-8］在水平液固装置中加入起旋器，并利用CCD图像测量与数据处理系统，研究了起旋器在水平液固循环流化床中的作用，对起旋器的参数和安装位置、流体流速对水平流化床内颗粒分布的影响进行了研究。结果表明：安装局部起旋器后，颗粒沉积现象得到改善。张丽梅等［9］利用Star-ccm+计算流体力学软件对管内插入Kenics静态混合器的水平液固循环流化床的颗粒分布情况进行了模拟研究，研究发现管内插入Kenics静态混合器能够有效地改善颗粒的分布情况。刘燕等［10］在水平液固循环流化床上进行实验研究，考察了管内插入Kenics静态混合器后，静态混合器扭率和颗粒体积分数对管内压降的影响。目前的研究主要考察传热系数、阻力性能等方面，而换热管传热强化的同时，管内的流动阻力也显著增加，综合评价水平管液固循环流化床换热器的传热性能更具有工程意义。

本文主要是对管内插入Kenics静态混合器的水平液固循环流化床系统进行实验研究，考察不同扭率的Kenics静态混合器和不同固体颗粒体积分数对阻力性能和传热性能的影响，并利用综合强化传热性能评价指标PEC对水平管内插入Kenics静态混合器的传热性能进行评价，为水平液固循环流化床换热器的深入研究和工程应用提供理论依据。

1　实验方法

1.1实验流程

图1为实验装置示意图。实验装置由测试管、Kenics静态混合器、电加热系统、液固分离器、储液罐、离心泵、流量计和数据采集系统组成。料液由储液罐通过离心泵输送至测试管，在测试管内的液体通过电加热系统加热后，经过液固分离器料液重新回到储液罐参与循环。

图1　实验流程示意图

实验中采用电加热带对测试管进行加热，温度通过Pt100热电阻测量并实时被数据采集系统记录，实验整套装置都包有保温棉，热损失忽略不计。料液的流量通过智能涡轮流量计测量，通过阀门调节大小，压降采用U形压差计测量。实验中通过固定的时间间隔（10min）测定测试管出口处颗粒体积分数V来判断工况是否达到稳定。实验发现，系统稳定后的颗粒体积分数测量误差在0.2%以内。

1.2实验参数

图2　Kenics静态混合器

实验过程中采用的Kenics静态混合器如图2所示，其扭率Y为长径比，扭率分别为1.5、2、2.5、3.5，两端打有圆孔用来在管内的固定，Kenics静态混合器材质为碳钢，厚度为2mm，宽度为24mm。测试管管内径为27mm，长度为2m，在测试管中间处安装Kenics静态混合器，测试管外电加热系统通过变压器采用恒热通量加热，加热热通量为3500W/m2。实验中采用的固体颗粒材质为工程塑料，形状为圆柱形，尺寸为φ3mm×3mm密度为1100kg/m3，水平管内加入固体颗粒体积分数分别为1%、2%、3%、4%。

1.3实验数据处理

实验过程中主要参数为：流体温度T，传热量q，加热系统的电压U和电流I，测试管的外壁温Tf和内壁温Tw，测试管的膜传热系数α，其参数的测定与计算与文献［11］相同。

努塞尔数Nu表示对流传热系数的准数，按公式（1）计算。

式中，l为传热表面的特征尺寸，在水平管内为管的直径，m；λ为流体的导热系数，取0.6W/（m·℃）。

阻力系数f利用压降由式（2）计算得来。

式中，L与D分别为水平管的长度和直径，m。

综合性能评价指标采用PEC指标［12］，为式（3）。

当PEC指标大于1时，说明在相同条件下，强化管的综合性能高于普通管。式中，Nu和Nu0分别为强化管努塞尔数和未强化管努塞尔数；f和f0分别为强化管的阻力系数和未强化管阻力系数。

1.4实验误差分析

对实验数据进行误差分析，并利用二次方公式进行误差传递计算［13］，公式中Xj是函数y中相互独立的变量。实验误差如表1所示，实验参数误差利用式（4）计算得出，如表2所示。

表1　实验仪器误差

表2　实验参数误差

2　实验结果及分析

2.1传热性能考察

实验考察了不同扭率的Kenics静态混合器对水平液固循环流化床传热性能的影响，图3是在固体颗粒体积分数为4%时，考察安装不同扭率的Kenics静态混合器和未安装Kenics静态混合器对水平液固循环流化床的努塞尔数随雷诺数的变化规律。从图3中可以看出，所有情况下随着雷诺数提高，努塞尔数也提高。安装Kenics静态混合器后，较未安装Kenics静态混合器换热管的努塞尔数提高了30%左右，最大努塞尔数达到了141。主要原因是水平液固循环流化床中，由于固体颗粒受到重力作用，在管路运行一段距离后，产生了沉降，颗粒分布严重不均匀。在安装了Kenics静态混合器后，流体被分割与汇合，并作旋流运动，颗粒随液体一起旋流运动，明显消除了颗粒沉积的现象，部分颗粒随液体的旋流运动使颗粒与壁面发生碰撞与摩擦，能够破坏边界层提高传热系数，并且对管壁污垢的形成有一定阻止作用，提高了管路的传热性能。从图3中可以看出，在相同雷诺数下，努塞尔数随着扭率的增大而减小，因为扭率小的Kenics静态混合器在相对更短的距离内扭转180°，其对流体产生的扭转变形更剧烈，颗粒随液体在水平管内运动，由于颗粒随液体更强烈的螺旋运动，颗粒与壁面的碰撞次数增多了，能够对边界层造成破坏，使传热效果更好。

图3 扭率对传热性能的影响

图4为固体颗粒体积分数不同对水平液固循环流化床传热性能的影响，实验在扭率为Y=1.5的情况下，对固体颗粒体积分数分别为1%、2%、3%、4%进行考察。从图4可以看出，在相同雷诺数下，随着固体颗粒体积分数的增加，颗粒在水平管内循环数量增多，颗粒与测试管内壁碰撞的概率更大，颗粒与壁面的更多接触，能够更频繁的减薄和破坏边界层，提高传热性能。

图4　颗粒体积分数对传热性能的影响

2.2流阻性能考察

由于安装Kenics静态混合器，虽然能够改善固体颗粒分布的问题，但是同时也增加了换热管内阻力，压降的增大要求着更高的泵功率的消耗。图5为不同扭率的Kenics静态混合器对阻力系数的影响（固体颗粒体积分数为4%）。根据阻力系数的计算公式，可以通过测量压降的变化计算出管路阻力系数的变化趋势。从图5中可以看出，安装Kenics静态混合器后，管内的阻力系数均比未安装前要大。在安装Kenics静态混合器后，管路内流通面积变小，管内流体局部阻塞造成了压降提高。在扭率Y=1.5的情况下，压降的增加最大，因为扭率Y=1.5时，流体在管内最短的距离扭转变形最剧烈，形成的螺旋流更强烈，与壁面摩擦阻力更大。

图6为不同固体颗粒体积分数对阻力系数的影响，实验在扭率为Y=1.5的情况下，对固体颗粒体积分数分别为1%、2%、3%、4%进行考察。从图6中可以看出，随着固体颗粒含量的增多，颗粒数量的增多，使颗粒与壁面的摩擦更频繁，造成阻力系数增大。

图5　扭率对阻力系数的影响

图6　固体颗粒体积分数对阻力系数的影响

2.3综合强化传热性能评价

由于在水平管内加入Kenics静态混合器与固体颗粒会消耗泵的额外功率，需要利用综合强化传热性能指标来评价传热性能。图7为不同扭率对综合强化传热性能指标的影响，从图7中可以看出，在雷诺数未达到25000左右时，所有扭率的综合强化传热指标均随雷诺数增加而增加，当雷诺数达到25000左右时，扭率Y=2.5（颗粒体积分数为4%）的综合强化传热指标达到最大值1.18，说明在扭率Y=2.5、颗粒体积分数为4%的情况下提高传热性能最明显。随着雷诺数的增加，所有扭率的综合强化传热性能指标下降。图7中Y=2.5的PEC指标最高，主要是因为Y=2.5的静态混合器提升了相对较高的传热系数，却带来相对较低的阻力压降，而Y=2的静态混合器传热系数虽然提高的比Y=2.5的静态混合器传热系数明显，但其产生的阻力压降也十分明显，因此Y=2的PEC值较小。根据文献［14］可知随着雷诺数的增加，颗粒在管内的分布均匀长度变长，当雷诺数达到25000左右时，就能够达到在2m长的管内实现颗粒分布均匀，在雷诺数25000以后，随着流速的增加对管内颗粒分布情况影响不大，却带来了更大的阻力压降。图8为颗粒体积分数不同对综合强化传热性能指标的影响。从图8中可以看出，随着颗粒含量的增加，综合强化传热性能指标增加。

2.4两个Kenics静态混合器的综合性能考察

根据图7所考察的不同扭率的Kenics静态混合器对水平液固循环流化床换热器的影响可以看出，在雷诺数25000左右、扭率Y=2.5、颗粒体积分数为4%时，其综合传热性能最好。为了考察安装两个Kenics静态混合对综合传热性能的影响，对安装不同间距的两个Kenics静态混合器进行实验考察，考察间距分别为0、100mm、200mm、300mm，实验条件为雷诺数为25000左右，扭率Y=2.5，颗粒体积分数为4%。从图9中可以看出，当2个Kenics静态混合器间距为0时，其PEC指数最低，当间距为200mm时，其PEC指数达到最大值1.06。主要原因为当两个Kenics静态混合器之间间距过大时，其阻力虽然变小，但是流体受到第一Kenics静态混合器的影响所产生的螺旋流，在到达第二静态混合器之前已经衰减完全。当两个Kenics静态混合器之间间距过小时，其形体阻力明显增大，阻力系数增加，Kenics静态混合器对流体产生的螺旋运动没有衰减完全便进入到下一个静态混合器，没有充分利用好静态混合器所产生的自旋运动。

图7　扭率对综合强化传热性能指标的影响

图8　颗粒体积分数对综合强化传热性能指标的影响

图9　间距对PEC指数的影响

3　结 论

（1）水平液固循环流化床内安装不同扭率的Kenics静态混合器后，管内的努赛尔数均得到了不同程度的提高，在考察的4个不同扭率中，扭率越小其提高的努塞尔数幅度越大，提高幅度在30%左右。在相同扭率下，固体颗粒体积分数的增加会提高努塞尔数。

（2）安装Kenics静态混合器后管内阻力系数明显增加，相同情况下，扭率越小的静态混合器，会带来更大的阻力压降。

（3）根据对不同工况下的PEC指数考察，当扭率Y=2.5固体颗粒体积分数为4%时，其PEC指数在Re=25000达到最优值。在此系统的水平液固流化床下，当雷诺数大于25000时，其PEC指数反而会下降。

（4）在雷诺数达到25000左右、扭率Y=2.5、固体颗粒体积分数为4%的情况下，安装两个Kenics静态混合器之间间距为200mm时，水平管换热器的综合传热性能达到最优。

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Evaluation on heat transfer performance of horizontal liquid-solid circulating fluidized bed heat exchanger

LIU Yan1，2，ZHANG Yingdi1，PEI Chenglin1，WANG Zhi1，ZHANG Wei2
（1Department of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2School of Marine Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

The horizontal liquid-solid circulating fluidized bed heat exchanger with Kenics static mixer was studied by this experiment. The effects of Kenics static mixer twist rate，the installation method of Kenics static mixer，flow rate and particle volume fraction on heat transfer performance and flow resistance performance were investigated，which were analyzed by the comprehensive heat transfer performance evaluation criteria index. It was found that the heat transfer and resistance coefficient decrease with the increase of twist rate. Results showed that the performance evaluation criteria of Kenics static mixer with twist rate Y=1.5，2，2.5，3.5 were over 1 without exception in the range of Reynolds number 10000—45000，which indicates that the horizontal fluidized bed heat exchanger with Kenics static mixer can enhance heat transfer. The performance evaluation criteria of horizontal fluidized bed heat exchanger reached 1.18 at most，when the Reynolds number reached about 25000，the twist rate of Kenics static mixer is Y=2.5 and the particle volume fraction is 4%. The performance evaluation criteria of horizontal fluidized bed heat exchanger is the highest on the condition that the distance between two Kenics static mixers with twist rate Y=2.5 is 200mm.

Kenics static mixer；horizontal liquid-solid circulating fluidized bed；multiphase flow；heat transfer enhancement；performance evaluation criteria（PEC）

中文分类号：TQ 51A

1000-6613（2016）11-3421-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.005

2016-03-18；修改稿日期：2016-08-02。

河北省科技支撑计划（14273105D）及河北省自然科学基金（D2014202074）项目。

及联系人：刘燕（1970—），女，副教授，研究方向为化工过程多相流。E-mail Julia_liuyan@hebut.edu.cn。