传热设备内部循环流态化节能技术

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1、第二章传热设备内部循环流态化节能技术2.1.对流传热过程的流态化强化2.1.1流态化传热强化流态化沙粒向上运动的过程中沙粒并不是沿速度方向做直线运动，随机、频繁地碰擦传热管内壁表面，实现除垢防垢，消除了管内的污垢热阻，极大地提高了传热设备的运行效率。对于无污垢的传热管内对流传热的热阻主要在热边界层。对于流态化传热强化的机理研究应该说是不充分的，其认识也远未清楚和统一。粗略的解释比较多[5-7]的倾向于，湍流中含有异质粒子以后产生附加的湍动，低频大涡体使粒子发生径向输运，犹如搅拌相仿，有效地扰动了热边界层，

2、使管内流态化液的径向温度分布曲线扁平化，并且截面平均温度tw提高了，因此，管内传热膜系数αi得以加大。2.1.2试验系统与试验方法1温度计2加热夹套3流量计4流量阀5加沙阀6冷凝水7加热蒸汽8不凝性气体9粒子循环管10冷却水图2.1传热系数K测试系统试验装置如图2.1所示。传热管为Φ40×4的不锈钢管，通冷却水，通过阀门4调节流速，管内为流态化的沙粒。LZB-50玻璃转子流量计测量其流速，流量计采用时间－体积法进行标定修正。管内的流态化沙粒随着水向上运动，到顶部出口槽内分离沉降下来，经回沙管再循环使用。温

3、度测量全部采用0.1度分刻的玻璃管精密温度计。管外夹套通加热蒸汽，夹套高度500mm。传热热量采用管内冷却水得到的热量计算。流态化粒子的体积浓度是采用测量回沙管的回沙速度，再考虑传热管内冷却水的流量计算得到。每次流量调节稳定5分钟后读数记录数据。传热系数与传热管内的流速、或雷诺数的关系由许多研究，得到的曲线或计算式也较多，而且相互的差别不少，有的甚至是倍数[8]。其主要原因可能在于粒子浓度、粒子的性质。为此，本次研究中，采用同样的沙子，分别在（2.4％、1.2％）不同浓度和不同粒度－粗沙、中沙、细沙分别为

4、6目（约4mm）、8目（约2mm）和12目（约1mm）的条件下进行传热系数的试验测定。图2.2流态化粒子粒度的影响2.1.3流态化粒子粒度的影响对流态化粒子大小与传热强化的关系最早进行研究的是1955年Caldas的博士论文[9]，冷却水中Dp0.68mm、0.50mm、0.29mm、0.22mm0四种粒度的玻璃珠流态化的进行传热系数测定，其结论是粒子愈小传热系数愈高。德国人LudolfPLASSKronberg在1972年的卧式换热器管内试验中，采用Dp12μm、25μm、40μm、70μm、120μm

5、的五种粒子，得到类似的结果[10]。但是，1987年JochenStKollbach，W.DahmR.Rautenbachd的试验结果不同，是Dp2.2mm的粒子比Dp1.95mm的好[8]。应该说，文献[9][10]的试验粒子都是1mm以下的细粒子，其范围不够宽，尤其在传热强化机理尚未完全清楚时推断到更大的粒子范围是未必正确。文献[8]又是在粒度不同、同时又密度不同的条件下试验得到的结果，同样难以肯定得出把握的结论。并且，上述文献的试验粒子对于污垢自动清洗的要求来说太细，意义不大。为此，进行同样材质、相

6、同体积浓度（2.4％）、不同粒度的流态化传热系数试验，其结果如图2.2曲线所示：与文献[9,10]不同，不是粒子愈细愈好，而是2mm沙粒表现出较好的传热特性，比4mm和1mm的都要好，相比之下大颗粒的沙粒效果比较差，1mm的居中。这是因为在同样的体积浓度下，流态化粒子的颗粒数反比于粒子直径的三次方，对于Dp4mm的粗粒子的颗粒数只有Dp2mm粒子的1/8，对热边界层扰动的频数低得多所致。虽然在同样的体积浓度下，Dp1mm的粒子数比Dp2mm增加7倍，但是细粒子的跟随性很好，几乎不再有边界层富集作用，加上单

7、粒子对热边界层的扰动强度也弱，总的结果是不如Dp2mm的中等粒子的传热强化效果好。2.1.4.流态化粒子浓度的影响图2.3流态化粒子浓度的影响文献[8]介绍了水平管内Dp12μm－120μm五种粒度、1.5m/s-3.0m/s四种不同流速条件下流态化粒子浓度对传热强化的影响曲线，粒子体积浓度在0％－39％的宽广范围进行试验。所有曲线一致表明，在粒子体积浓度分别低于2.5％－6％时，传热系数随粒度浓度增大而增大，然后逐步下降。由于流态化粒子浓度既要满足自动清洗防垢的要求，又必须防止过度清洗的管壁保护膜损坏。

8、后者决定了只能采用低浓度。此外，传热管中心区流速高，而近管壁区流速慢。按照阻力最小原理，在近管壁区流态化的沙粒的体积浓度比中心区高。这种边界层富集现象非常有利于的浓度流态化沙粒对管内热边界层的有效扰动和滞留层厚度的减小。因此，虽然粒子浓度低，但是对提高管内侧的传热膜系数的作用却很显著。这种的浓度沙粒边界层富集现象影响，在沙粒愈粗、流速愈高时就愈显著，影响也愈大。为此，作者在优选Dp2mm中等沙粒的基础上，进行2.5％以下的低浓