外循环式液-固流化床换热器实验研究

　　外循环式丨夜固流化床换热器实验研究韩国军，赵振文2，周昆颖2，陈罕2（1.北京联合大学，北京100101；2北京化工大学，北京100029）液固流化床换热器操作稳定性的主要因素及其在稳定操作情况下流速、喷嘴结构、插入深度和颗粒总量等对上升管及下降管稀相空隙率的影响规律。

　　至管束外，与换热器主体分离，见。

　　流态化技术的工业应用已有60余年历史。液固流化床换热器发展于上世纪70年代初，其与常规列管换热器相比具有换热效率高及不易结垢的优点，可广泛用于食品、化工、海水淡化和造纸等领域。

　　初的流化床换热器为非循环式，即固体颗粒在液体中浮动，固体颗粒虽可做相对液体的自由运动，但无宏观向上流速，在流态化技术中称其为经典流态化。这种流化床对液体的流动速度限制较严，流速太小，固体颗粒不能浮动，流速太大，会将固体颗粒吹到上箱，破坏其稳定性。解决此问题的方法是引入循环流化床系统，即液固两相中的固体颗粒具有宏观流速，在管路中先上升再下降，形成1个循环体系，在流态化技术中称其为广义流态化。这种流化床允许的流速范围比非循环式的大，便于操作。

　　循环流化床又分内循环式和外循环式2种，内循环式的上升管和下降管都位于管壳内，其外形与普通立式管壳式换热器相似。外循环式的下降管移电磁流测量惠普38似数据采集仪通过惠普昭了25组实验数据。土与内循环式相比，外循环式流化床换热器具有如下结构特点：①由于下降管在换热器壳体外，因而同样换热面积的换热器，外循环式的壳体直径小于内循环式的，管板外径也相应缩小。同时可以方便地监测下降管中颗粒的运行情况，并根据下降管中颗粒运动情况调节一、二次流比例，实现合理操作。

　　②二次流的设计更加合理，床内流速可调范围较大，颗粒的循环量易于控制，这是内循环式流化床换热器所不能达到的。③在外循环结构中，由于上分离器与换热器本体分开，物料沿切向进入上箱，利用离心力作用，使得颗粒和液体之间分离更加容易，不易产生夹带现象。

　　1外循环式液固流化床换热器传热特点外循环式液固流化床换热器是采用广义流态化技术在管程内实现固体颗粒循环运行的高效换热设备。由于固体颗粒随机而频繁地碰撞管壁内表面，实现使用过程中的自动防垢，同时增加了流体的湍流程度，特别是在层流时破坏了壁面的粘性底层，从而使对流传热过程得以高效强化。相对单相流体换热器，外循环式液固流化床换热器传热系数可高出6倍。

　　外循环式液固流化床换热器的传热系数与多种因素有关，其中空隙率是非常重要的因素之一，寻找空隙率的变化规律对于换热器传热性能的研究具有重要意义。空隙率受许多因素影响，文中主要针对外循环式液固流化床换热器上升管和下降管中的空隙率在流量、喷嘴结构尺寸、颗粒大小和颗粒种类不同等条件下的变化规律进行了实验研究，供同行。

　　2实验装置及实验过程21实验装置实验装置见为了便于观测实验设备内流态化状态和固体颗粒循环状态并获取有关数据，采用玻璃体的上升管和下降管，喷嘴插入下部入口室中，利用填料绳和压盖密封。喷嘴采用丝网保护，防止颗粒回流进入进水管。

　　喷嘴对广义流态化的形成起着非常重要的作用，合理的喷嘴结构设计有利于形成稳定的流态化，甚至是能否循环流化的关键。设三通管的中心为相对0刻度，实验中喷嘴插入三通管的深度1分别取5mm，喷嘴坡度为45，开口方向垂直向下。

　　为实现对总流量和上升管内流量的准确同步测量，总流量通过转子流量计测量，上升管内流量采用11.转子流量计12.进水管1i金属滤网14压盖15石棉绳16喷嘴17.颗粒18电磁流量计19测压口520测压口421.上升管22上料箱外循环式液固流化床换热器实验装置22实验过程开启水泵，将水流从储水槽中抽出，通过进水阀和回流阀来控制水的流量。水流经过转子流量计进入喷嘴，流体以一定的流速吹动三通管中的固体颗粒，使其进入上升管。可以在玻璃管中观察流态化现象，其中水流由上料箱上侧的开口经软管回流到储水槽，而颗粒流入下降管，由喷嘴喷出的水流吹动颗粒又进入上升管，这样整个过程就形成了广义流态化循环。

　　加大流量至流体的表观速度超过颗粒的终端速度，待系统进入稳定状态以后，在上升管内出现均匀的两相流，而下降管内出现浓相和稀相2种状态。浓相的高度称为料脚高度。固体颗粒在整个系统中是循环流动的，而流体在上升管和下降管中都是自下向上流动，但是上升管内的流速比下降管内的流速大得多。

　　3实验数据测量与计算11实验采用的介质为清水，固体颗粒为河砂及形状、大小均匀的瓷球其相关参数见表1.表1固体颗粒相关参数颗粒种类平均密度Ps/g.平均空隙率河砂瓷球将测量好的固体颗粒放入实验装置中，当系统进入稳定状态后，上升管内出现均匀的两相流，下降管内出现浓相和稀相2种状态，料脚高度利用直尺测量，上升管流速通过电磁流量计测量。总共测量°0-0-°°会秽屯T上升管中空隙率通过四氯化碳U型管压差计测量压降，上升管两测压点之间的距离L3=360mm，所测压降为则上升管中空隙率为：水的密度为1g/cm3.下降管中空隙率下降管浓相两测压点距离和稀相两测压点的距离分别为L1=700mm和L2=1560mm，所测得的浓相和稀相的压降分别为A广和A.通过实验观察分析，浓相空隙率如大多为堆积空隙率，在此不再计算，取颗粒的平均空隙率。实验出现2种不同的测量情况，即下降管内浓相床高L出现在第2测压点的上方或下方（），故稀相空隙率的计算也分2种情况。

　　若下降管内浓相床高L出现在第2测压点的上方（a），贝lj：若下降管内浓相床高L出现在第2测压点的下方（b），则：￡i，1=1-/郭慕孙，庄一安。流态化垂直系统中均匀球体和流体的运动。北京：科学出版社，196S335.刘吉普，吴金香。管程内循环液固流态化换热技术研究。湘潭大学学报（自然科学版），199618（3）：984.叶施仁，俞天兰。液固流态化换热器结构改进及应用。化工