不同填料结构旋转床气液换热性能对比

郑 奇 ，郭改青 ，祁贵生 *，刘有智 ，武晓利 ，高 磊

（1.中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心，山西 太原 030051；2.阳煤集团太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400）

直接接触换热是将高温流体与低温流体直接混合的一种换热方式，这一直接换热过程与传统换热器相比具有更有效的传热系数、没有表面结垢、可在低温差操作等优势。可应用到以下两个过程：以传热为目的的冷热流体直接接触换热过程和以传质为目的的空气调节增减湿过程[1]。

超重力技术可强化气液直接接触过程，其反应过程是在旋转填料床 （实现超重力技术的设备）内冷热流体间直接接触完成的，高速旋转的填料对液体的强大剪切作用，将液体分割成具有一定线速度的液膜和液滴，降低了液膜厚度，增大了气液相际接触面积，从而强化了传热和传质过程[2-4]。

我国北京化工大学、华南理工大学、中北大学和国外学者对旋转填料床的传热性能开展了先驱性研究。李正林[5]等对定-转子反应器传热特性进行研究，得出该反应器换热关联式；徐春艳[6-7]、李艳[8-11]等在逆流旋转填料床中进行传热研究，证明了传热端效应的存在，并验证了传热效果，根据操作参数对传热系数的影响推导出传热系数关联式，所得关联式与实验数据偏差在±15%以内；Abhijit Mondal[12]等发现旋转填料床的换热效果是传统换热器的5～10倍；邓先和[13-14]、陈海辉[15]等对错流多级雾化旋转填料床进行传热性能研究，采用分格计算对气液错流传热过程进行模拟计算，建立了气液传热速率方程和计算模型，发现错流旋转填料床强化气液传热的机理是液滴雾化增加了传热面积，但没有研究传热过程中操作参数对传热系数的影响。综上所述，错流旋转填料床的传热性能研究较少且计算较为复杂，研究领域也没有涉及到热空气-冷水体系中不同填料对传热系数的影响。

本文以热空气-冷水体系展开气液直接接触式换热实验，探索在错流旋转填料床的气液直接接触换热过程中气体进口温度、超重力因子、气速和液体喷淋密度对传热系数的影响规律，对比同材质不同比表面积的丝网填料和乱堆填料对传热系数的影响，推导出关于超重力因子、气速、液体喷淋密度、填料比表面积的传热系数关联式，简化传热系数的计算，为错流旋转填料床的直接接触式换热以及精馏、吸收、分离、解吸中涉及换热过程提供理论研究基础。

1 实验部分

1.1 实验方法

本实验以错流旋转填料床作为换热设备，错流旋转填料床规格为内径30mm，外径124mm，高度70mm。采用冷水-热空气体系，对冷水直接冷却热空气的传热过程进行探究，对比两种填料对换热效果的影响。采用在线温度检测仪测定其气液进出口处温度，通过计算得出传热系数。实验过程中操作参数为：气体进口温度为25～120℃，液体喷淋密度为1.2～7.1m3/(m2·h)，气速为 0.09～0.24m/s，超重力因子为7.69～69.25。填料规格见表1。

表1 填料规格Table 1 Specifications of packings

1.2 各操作参数及K的计算

错流旋转填料床的传热性能由传热系数K[12]来表征，其计算公式见式(1)。

式中：Cp-流体的比热容，kJ/(kg·℃)；A-换热面积，m2；Δt-冷、热流体的平均对数温度，℃。

超重力因子是转速与半径的函数，其计算公式如式(2)所示。

式中：ω-转子旋转角速度，1/s；r-转子半径，m；N-转子旋转速度，r/min。

液体喷淋密度q是单位时间内单位流通截面上液体喷淋的体积，m3/(m2·h)，其计算如式 (3)所示[17]。

式中：L-液量，m3/h；r1、r2-分别为转子内径和外径，m。

气速是由气量与填料横截面积计算得出，其计算如式(4)所示[1]。

式中：G-气量，m3/s。

1.3 实验流程

实验流程图如图1所示。气体通过空气加热器加热至指定温度后由错流旋转填料床的进气口进入，在错流旋转填料床的填料层形成轴流向上的均匀气流。水从错流旋转填料床的进液口进入，通过液体分布器喷出，喷在填料层上，被强大的离心力强制沿径向作雾化分散。液滴在填料层与空气经过充分接触，完成气液两相间的传热传质过程，经壳内壁汇集到装置底部的排液口流出，气体由气体出口排放到大气中。在气体进出口和液体进出口分别设置温度检测口。

图1 错流旋转填料床传热实验流程图Fig.1 Experimental flow diagram of heat transfer in cross-flow rotating packed bed

2 结果与讨论

2.1 温度对传热系数的影响

恒定液体喷淋密度 4.7m3/(m2·h)，气速 0.24m/s，超重力因子48.09，气体进口温度对两种填料传热系数的影响如图2所示。由图可知，在实验范围内，气体进口温度对两种填料传热系数的影响趋势是一致的，传热系数随气体进口温度的增大显著增大。在热量传递过程中,增大气体进口温度，气相温度高于液相温度，热量从气相向液相传递，液相从气相获得显热又以潜热的形式由水汽化返回气相，气体出口温度变化平缓，温差较大，有利于流体之间的传热；在质量传递过程中，增大气体进口温度的同时相对湿度降低，传热后气体温度降低湿度增大，气相水汽分压低于液相水汽平衡分压，质量由液相向气相传递，此时热、质反向传递，因此随气体进口温度的增大，传热过程中气体的增湿降温推动力增大，导致传热系数增大。

图2 温度对传热系数K的影响Fig.2 Effect of temperature on K

丝网填料的传热性能优于乱堆填料，这是因为丝网填料具有较高的比表面积，能更好地捕集细小的液滴，使气液充分接触换热。在气体温度20～80℃时，丝网填料的传热系数约为乱堆填料的2.73～2.87倍，在100～120℃时，丝网填料和乱堆填料的传热性能相差不大，丝网填料的传热系数约为乱堆填料的1.18倍，说明在高温时换热效果受填料的影响较小，这是因为气体在100℃以上时，部分水汽化成水蒸气，液滴减少，填料对液滴的捕捉性能下降，丝网填料不能发挥其高比表面积的优势，出现两种填料传热系数接近的现象。为避免水汽化带来的实验误差，本文选择气体进口温度为90℃进行实验。

2.2 超重力因子对传热系数的影响

恒定气体进口温度90℃，液体喷淋密度4.7m3/(m2·h)，气速 0.24m/s，超重力因子对两种填料传热系数的影响如图3所示。由图可知，在实验范围内，两种填料的传热系数均随着超重力因子的增大而缓慢增大。丝网填料的传热系数约为乱堆填料的1.5倍，丝网填料的超重力因子在7.69时的传热系数与乱堆填料的超重力因子在69.25时的传热系数几乎相同，说明丝网填料在超重力因子较低时也有较好的传热效果。

图3 超重力因子对传热系数K的影响Fig.3 Effect of high gravity factor on K

在超重力因子7.69～58.19时，两种填料的传热性能都平缓增长，这是因为两种填料均利用其孔隙结构对液体进行剪切和离心作用，随超重力因子的增大，液膜厚度变薄,减少液膜热阻,液体被剪切成更细小的液滴，液滴直径减小，进而增大了气液相际接触几率，相际接触面积增大，同时气液两相的相对运动速度也提高，增强了传热性能。在超重力因子在58.19～69.25时，两种填料的传热性能均变化不大，这是因为超重力因子较高时，液体被剪切的小液滴不再变化，传热效果保持不变。

2.3 液体喷淋密度对传热系数的影响

恒定气体进口温度90℃，气速0.24m/s，超重力因子48.09，液体喷淋密度对两种填料床传热系数的影响如图4所示。由图可知，丝网填料与乱堆填料的传热性能均随液体喷淋密度的增大缓慢增大。丝网填料的传热系数远大于乱堆填料，约为乱堆填料的2.4倍，这是因为丝网填料的孔隙率和对液体的捕集性均大于乱堆填料，液体能较好的穿过填料层，在高速旋转的填料层中被剪切成小液滴，较好的润湿填料层，增强了传热性能。乱堆填料的比表面积较小，对液滴的捕集性较低，大部分液体被剪切成小液滴后没有附着在填料上就被甩到填料层外缘，因此传热性能较低且随液体喷淋密度的增大而增长缓慢。

图4 液体喷淋密度对传热系数K的影响Fig.4 Effect of liquid spray density on K

2.4 气速对传热系数的影响

恒定气体进口温度90℃，液体喷淋密度4.7m3·m-2·h-1，超重力因子 48.09，气速对两种填料床传热系数的影响如图5所示。由图可知，两种填料的传热系数均随气速的增大而增大，丝网填料的传热性能优于乱堆填料，约为乱堆填料的1.24～1.54倍。气速的增大使气液两相相对速度增大，增大了气相湍动程度，减小了气膜阻力，提高了传热性能。

图5 气速对传热系数K的影响Fig.5 Effect of gas velocity on K

丝网填料的传热性能随气速的增大迅速增加，乱堆填料的传热性能随气速的增大缓慢增加，在较高气速时，丝网填料的传热性能远大于乱堆填料，说明丝网填料的传热性能受气速影响较大，这是因为丝网填料孔隙率高于乱堆填料，气体经过丝网填料的通道较为复杂，与附着在丝网填料上的小液滴充分接触，传热效果增长迅速。

2.5 传热系数关联式

对错流旋转填料床总传热系数进行因次分析[16]，得出式(5)。

式中，A、a、b、c表示待定参数，A 包括了旋转填料床的设备结构、填料结构和介质特性等影响。Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数。其中

式中，α为流体的传热系数，u为流体流速，ρ为流体密度，μ为流体粘度，λ为流体导热系数，Cp为流体比热容，r为错流旋转填料床半径。

本实验过程中压力相同，实验介质为空气-水，在实验温度范围内空气和水的物性变化较小且无液体气化现象。为方便研究，将式(5)的参数采用超重力因子β、液体喷淋密度q和气速u来表示，便于应用计算。则液体传热系数如式(9)所示，气体传热系数如式(10)所示。

错流旋转填料床是直接接触式换热器，可忽略管内污垢热阻和管壁热阻，传热系数K可由式(11)表示。

从推导关联式中可得出传热系数K与超重力因子β、液体喷淋密度q、气速u有关，实验还考察不同填料结构对传热系数K的影响，则将式(11)变形为式(12)。

式中：ae为填料的比表面积，m2/m3；通过与实验数据拟合可得待定参数，拟合结果如式(13)所示。

拟合所得关联式的R2大于0.99。在实验范围内，将实验值和理论值进行对比，如图6所示，其最大误差小于15%，实验数据和关联式相关性较好。因此，可认为拟合所得关联式能很好地反映错流旋转填料床的传热性能。

图6 传热系数K实验值与理论值的对比图Fig.6 Comparison of experimental value and theoretical value of heat transfer coefficient K

3 结论

以错流旋转填料床为换热设备，热空气-冷水为实验体系，考察了气体进口温度、超重力因子、气速、液体喷淋密度对传热系数的影响，对比了两种填料的换热性能，得出如下结论：

（1）两种填料的传热系数均随着气体进口温度、超重力因子和气速的增大而增大，随液体喷淋密度的增大变化不大；在相同实验条件下，丝网填料的传热性能优于乱堆填料。

（2）从关联式和实验可得出，对传热系数的影响为：气体进口温度＞气速＞填料比表面积＞超重力因子＞液体喷淋密度；丝网填料的传热性能受气速的影响大于乱堆填料，在相同液体喷淋密度下，丝网填料的传热系数是乱堆填料的2.4倍，丝网填料更适合气速、液体喷淋密度较大的气液传热过程。

（3）根据实验数据求得传热系数K，得到错流旋转填料床传热系数K的关联式为K=1.01β0.21523q0.17997u0.98929ae0.56695， 实验值与计算值最大误差在15%以内，拟合度良好。

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