（化学工程专业论文）循环流化床换热器中的流动、传热和防、除垢研究.pdf

摘要 汽液固三相循环流化床换热器具有良好的防、除垢和强化传热的作用，具有 广阔的应用前景。本文从实验研究与应用、理论和数值模拟几方面深入研究汽液 固三相自然循环流化床换热器中的流动、传热与防、除垢问题。论文主要内容如 下： 首先，总结与综述了循环流化床换热器的发展及其研究状况，对多相流强化 传热和防、除垢技术的研究现状、测试手段及其数值模拟方法进行了简要的概括， 并提出了本文的研究思路与方案。 其次，建立了一套新型的汽液固三相自然循环流化床蒸发器，采用透明镀膜 加热技术。其可视化部分既包括上行床，也包括下行床。采用c c d 图象测量和 处理系统，并编制了相应的图象处理软件，对加热状态下汽液固三相自然循环流 化床内部的固体颗粒流动及分布，液固两相及汽液固三相传热与流型进行了研 究。得出了循环流化床中固体颗粒浓度、速度以及相应的传热系数随热通量和固 体颗粒加入量等操作参数的变化关系。 第三，介绍了多相流数值模拟的数学物理基础，并简要分析了数值计算的一 般方法，提出了本文数值模拟的思路。 第四，从流体力学和计算传热学的角度出发，建立了液固两相流动传热模型， 模型中考虑了固体颗粒与流体的相互作用及其对流动与传热的影响，同时首次提 出了两相湍流普兰特数的概念。由模型计算结果可知，固体颗粒的加入使流体的 湍流程度增强，强化了传热，降低了壁温。由模型计算的传热系数与实验数据的 偏差为9 6 。 最后，将汽液固三相流强化传热和防、除垢技术应用到中药浸取液的蒸发浓 缩中。以更年安中药浸取液为工质，进行了小试和中试研究，验证了该技术在这 一新的应用领域中的可行性。小试结果表明，汽液固三相流蒸发沸腾传热与汽液 两相流蒸发沸腾传热相比，中药更年安醇提液传热系数增大1 5 2 0 倍；中试结 果表明，更年安醇提液传热系数较未加固体颗粒时的原工业生产装置增大1 5 0 倍；蒸发强度提高1 6 3 倍；装置稳定运行1 5 天，浓缩器没有发生结垢( 挂壁) 现象，而未加固体颗粒的原中药浸取液蒸发浓缩装置运行4 1 2 天加热壁面上即 发生结垢( 挂壁) ：更年安水提液蒸发强度提高1 3 4 倍。 关键词：汽液固自然循环循环流化床c c d 流动传热数值模拟 中药浓缩 a b s t r a c t t h ev a p o r - l i q u i d s o l i dc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e rc a l le f f e c t i v e l y e n h a n c eh e a tt r a n s f e r ，p r e v e n ta n dr e m o v et h ef o u l i n g s ，s ot h a ti th a sw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t i nt h i sp a p e r ，f u r t h e rr e s e a r c h e s w e r ec a r r i e do u tf o rt h ef l o w , e n h a n c i n g h e a tt r a n s f e ra n dt h e e f f e c to f p r e v e n t i n g a n d r e m o v i n g t h e f o u l i n g s i nt h e v a p o r - l i q u i d s o l i d n a t u r a lc i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e re x p e r i m e n t a l l y ， t h e o r e t i c a l l ya n db yu s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a d e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t ef o rt h ec i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dh e a t e x c h a n g e rw e r es u m m a r i z e d t h eb r i e fi n t r o d u c t i o n sw e r eg i v e na b o u tt h ep r e s e n t r e s e a r c hc o n d i t i o n s f o r e n h a n c i n g h e a t t r a n s f e r , t h e e f f e c t so f p r e v e n t i n g a n d r e m o v i n g t h ef o u l i n g s a sw e l la sm e a s u r i n gm e a n sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d f o rm u l t i p h a s ef l o wh e a tt r a n s f e r t h et r a i no f t h o u g h tf o rt h i sp a p e rw a sa l s og i v e n s e c o n d l y , as e to fn e wt y p ev a p o r - l i q u i d s o l i dc i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e dh e a t e x c h a n g e rw i t hg l a s st r a n s p a r e n tp l a t e df i l mh e a t i n gw a s e s t a b l i s h e d i t sv i s u a lp a r t s i n c l u d eb o t hf l o w - u pb e da n df l o w - d o w nb e d t h ec c di m a g em e a s u r e m e n ta n d d e a i i n gs y s t e m w e r eu s e d ；s o f t w a r e sf o r i m a g ed e a l i n g w e r e d e v e l o p e d t h e r e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u ta b o u tb o t ht h ef l o wa n dd i s t r i b u t i o no ft h es o l i dp a r t i c l e s i nt h i sc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e r , a n dt h eh e a tt r a n s f e ra sw e l la sf l o w p a t t e mf o rl i q u i d - s o l i dt w o - p h a s ef l o wa n dv a p o r - l i q u i d - - s o l i dt h r e e - - p h a s ef l o w t h e r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h ec h a n g e so ft h ec o n c e n t r a t i o na n dv e l o c i t yo ft h es o l i d p a r t i c l e sa n d t h ee f f e c tf o rh e a tt r a n s f e rw i t hh e a tf l u xa n dt h ea d d i n ga m o u n to fs o l i d p a r t i c l e s t h i r d l y , t h em a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lc o n s i d e r a t i o n sf o rt h em u l t i - p h a s ef l o w w e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o dw a sb r i e f l ya n a l y z e d a l s ot h e r e s e a r c hi d e af o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h i sp a p e rw a s g i v e n f o u r t h l y , a c c o r d i n gt o t h eh y d r o d y n a m i c sa n dc o m p u t a t i o n a lh e a tt r a n s f e r , t h e f l o wa n dh e a tt r a n s f e rm o d e lw a ss e tu p i nt h i sm o d e l ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o l i d p a r t i c l e s a n df l u i dw a st a k e ni n t o a c c o u n t h e r e ，t h ec o n c e p t i o no ft w o - p h a s e t u r b u l e n tp r a n d t ln u m b e r o ，p i w a sg i v e nf o rt h ef i r s tt i m e t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f t h em o d e ls h o wt h a tt h ea d d i t i o no fs o l i dp a r t i c l e sm a k e st h ef l u i dt u r b u l e n tf l o w e n h a n c e ，t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c ea n dt h ew a l lt e m p e r a t u r ed e c r e a s e t h ed e v i a t i o n b e t w e e nt h es i m u l a t e dv a l u e sa n dt h e e x p e r i m e n t a l d a t af o rt h eh e a tt r a n s f e r c o c 伍c i e n ti s9 6 f i n a l l y ，t h et e c h n i q u e o f v a p o r - l i q u i d s o l i dt h r e e p h a s ef l o w w a s a p p l i e di nt c m c o n c e n t r a t i o n t h ef e a s i b i l i t yo f t h i st e c h n i q u ea p p l i e di nt h en e w f i e l dw a s p r o v e db y s m a l l s c a l et e s ta n dp i l o t - p l a n tt e s te x p e r i m e n tw i t hg e n g n i a n a n a st h ew o r km e d i u m t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a ti nt h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，t h e h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to ft h ev a p o r l i q u i d - s o l i d _ 【b _ r e e - p h a s ef l o w si s 1 5 2 0t i m e st h a to ft h e l i q u i d - s o l i dt w o p h a s ef l o w f o ra p p r o x i m a t e l yg e n g n i a n a ne t h a n o le x t r a c t i o n a n di n t h ep i l o t - p l a n tt e s t ，t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sb y1 5f o l d ；t h eo u t p u t i n c r e a s e sb y1 6 3f o l d t h et h r e e - p h a s ef l o we v a p o r a t o ro p e r a t e ds t a b l yf o r15d a y s w i t hn of o u l i n go nw a l l l i l et h ee v a p o r a t o rw i t h o u ts o l i dp a r t i c l e sf o u l e dw h e ni t o p e r a t e df o r4t o 12d a y s f o ro e n g n i a n a nw a t e re x t r a c t i o n ，t h eo u t p u ti n c r e a s e sb y 13 4f o l d k e yw o r d s ：v a p o r l i q u i d - s o l i d n a t u r a lc i r c u l a t i o n c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d c c df l o wa n dh e a tt r a n s f e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t c mc o n c e n t r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字r 期：年 月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名 签字日期：年月f 1 签字日期：年 月r 前言 流化床换热器是上世纪初期以来发展起来的一种新型换热技术。换热器中加 入的惰性粒子在换热管内处于流化状态，能净化管壁，去除积垢，并扰动管壁处 的边界层，以达到防、除垢的目的。八十年代，d g a r e n i ”，j s t k o t l b a c h 【2 j ， r r a u t e n b a c h 【3 j 等研究的流化床换热器，用于海水脱盐，啤酒发酵的废水处理等 两相换热过程中，发现在严重结垢条件下，换热器的总传热系数仍能长期保持不 变。流化床换热器发展到现在，已经开发了散式流化床、单根及多根下降管的内 循环流化床和外循环流化床等几个型式。其中外循环流化床按照其循环动力的来 源可以分为自然循环流化床和强制循环流化床。 沸腾传热过程是一种重要的传热方式，在石油、化工、能源、动力、轻工等 工业部门得到了广泛的应用。但是，在沸腾传热过程中经常伴随着较为严重的结 垢现象，使换热效率降低。针对这一问题，李修伦、刘绍丛、闻建平【4 】等将多相 流态化技术用于流动沸腾传热，在汽液两相流动系统中引入一定量的惰性固体颗 粒，提出了多相流沸腾传热新技术，并在此基础上开发了汽液固三相循环流化床 换热器。该换热器可以在较高的流速下操作，惰性固体颗粒和流体混合剧烈，接 触良好，具有较高的防、除垢和强化传热性能，具有广阔的应用前景。 目前，对汽液固三相循环流化床换热器已经开展的研究可以分为以下几个方 面： 一、在加热状态下，研究汽液固三相循环流化床换热器在不同操作条件下的 防、除垢和强化传热效果【5 j 确定不同操作参数对传热和防、除垢的影响以及流 化床换热器的最佳操作条件。 二、采用c c d 图象测量系统等测试手段进行可视化研究。通过定性的观察 与定量的研究，明确固体颗粒在循环流化床换热器中的运动状况和分布，确定分 布板的形式f 6 j ；明确固体颗粒对流场的影响f w 。 三、在上述研究的基础上。探索固体颗粒强化传热和防、除垢的机理，建立 循环流化床传热模型l g 】；依据多相流体力学理论，采用计算机模拟的方法，分析 循环流化床内部的流体力学状况。为循环流化床的模拟、放大服务。 四、拓展汽液固三相流化床强化传热和防、除垢技术的应用领域。 本文在已有研究成果的基础上，对汽液固三相循环流化床开展进步的研 究。根据本文实验装置中的实际流动和传热状况，又可分为加热管上部的汽液固 三相流传热和加热管下部的液固两相流传热。本文从实验研究、理论分析、数值 模拟和应用等方面对其强化传热和防、除垢效应进行研究。本文共分五个部分： 第一部分综述了循环流化床换热器的发展及其研究状况，对多相流强化传热、测 试手段及其数值模拟方法进行了简要的阐述，提出了本文的研究思路。第二部分 为实验研究，本文采用透明镀膜加热技术，建立了热模可视化的循环流化床换热 装置，利用c c d 测量技术和相关的处理软件，在不同的操作条件下研究固体颗 粒浓度与速度在上行床换热器和下行床循环管中的变化规律及传热特性。第三部 分对数值模拟进行了分析与讨论，给出了多相流微分方程组的数值求解算法。第 四部分，从流体力学和计算传热学出发，建立了汽液固三相自然循环流化床中液 固段的流动和传热模型，模型中考虑了固体颗粒对液相流动与传热的影响。第五 部分是将汽液固三相流强化传热和防、除垢技术应用到中药浸取液蒸发浓缩器的 蒸发浓缩，以解决中药浸取液的结垢问题的阐述。本文对汽液固三相循环流化床 换热器进行了研究，拓展了其应用领域。 第一章文献综述 1 1 液固流化床换热器 第一章文献综述 美国、瑞典、荷兰等国家首先对液固流化床换热器进行了研究并加以应用。 在美国，流化床换热器在地热开发研究1 9 和海水淡化装置中u 已经开始得到 应用；在瑞典，流化床换热器也已经用于热量回收和海水多级闪蒸【1 2 1 1 3 ：在荷 兰，科学家们经过长期实验研究，建成了总换热面积为1 0 0 0 m 2 的流化床换热器 海水淡化示范装置b 4 b 5 。上述研究结果均表明：由于固体粒子在随流体的运动 中不断穿过流动边界层，即使在小流速下传热也能得到强化；依靠固体颗粒与换 热壁面的不断碰撞、颗粒对壁面的冲刷等作用，可有效防止污垢在换热壁面上沉 积，即使有垢层产生，其厚度也能得到很好控制，使换热器的传热系数维持在一 个可接受的范围内操作而不需停车清垢。 液固流化床换热器设计的关键是保持流化床换热器管束内的稳态操作，它 要求管束内液体流速和固体颗粒分布均匀。液固流化床换热器有散式流化床、单 根及多根下降管的内循环流化床和外循环流化床等几种。对于典型的散式流化床 换热器，其结构组成主要包括进1 3 段、换热管束和出口段三部分。d g k l a r e n 川 在此基础上，提出了一种三管箱式散式流化床换热器，其结构如图l l 所示。 该换热器进口段由液体进口段和固体颗粒分布段组成，液体分布板位于进口管箱 和颗粒流化段之间。 图1 1 流化床换热器 p i c t u r e - - 1 t h ef l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e r 3 第一章文献综述 上述结构的缺点在于难以实现固体颗粒的正常循环。为此，d g k a l r e n i 强1 等 人又设计了一种具有单根下降管的内循环式流化床换热器，如图1 2 所示。该 换热器的特点在于：管束中央设有一根下降管，用于分离固体颗粒，从而实现了 固体颗粒在管束中的循环。但是这种结构组成也存在着不足之处，主要在于固体 颗粒的进出通道数目不同，这种结构上的不对称性容易带来操作的不稳定性。 出口 入口 图1 2 具有单根下降管的内循环式流化床换热器 p i c t 七1 2t h ei n t e r n a lc i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e rw i t ha s i n g l ed o w n c o m e r 在传统的管壳式换热器的基础上，j s t k o l l b a c h 和r r a u e n b a c h i 2 删进行了相 应的结构改变，设计出了如图1 - - 3 所示的内循环式流化床换热器，该换热器的 特点在于具有多根下降管，能够在一定程度上解决单根下降管流化床换热器的操 作不稳定性问题；其不足之处在于结构较复杂，成本较高。 幽1 3 具有多根下降管的内循环流化床换热器 p i c t u r e 卜_ 3t h ei n t e r n a lc i r c u l a t i o nf l u i d i z e db e dh e a t e x c h a n g e rw i t hm u l t i d o w n c o m e r 4 第一章文献综述 j - 菠臻入黜i2 i 簿燃# 3 分布楹：4 曩警箱；5 节馨蔽：6 按热铪： 7 上管板；8 t 管辖；9 一l 啦液# 篮口；，艟液势离器；1 2 坤自环管 图1 4 外循环式流化床换热器 p i c t u r e l 一4t h eo u t s i d ec i r c u l a t i o nn u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e r 为了进一步克服单根下降管流化床换热器操作上的不稳定性，d ，g k l a r e n 引又开发了一釉外循环式流化床换热器，其结构如图】一4 所示。在该换热 器中，流体和固体颗粒在下管箱内接触、流化并均匀混合，然后经分布板进入换 热器管束中，从上管箱流出后经悬液分离器实现固液分离，液体从悬液分离器顶 部流出，固体颗粒经外循环管返回到下管箱中再次循环使用。同前面的换热器相 比，这种外循环式流化床换热器的最大的好处在于管束内固体颖粒分布较为均 匀，系统操作稳定。 上述流化床换热器无论形式如何变化，都有一个共同的特点，即加热管中始 终为液固两相。所以上述流化床换热器亦称为液一固流化床换热器。蒸发沸腾传 热在各个工业和技术领域应用是非常普遍的。沸腾换热中壁面污垢的形成要比单 液相换热时严重得多。且沸腾传热的换热系数要比单相液体的换热系数高得多。 因此对在沸腾系统中加入惰性固体粒子以强化传热和防、除垢也极大地引起人们 的兴趣。 1 2 汽液固三相循环流化床蒸发器的研究 1 2 1 多相流强化传热和防、除垢技术的研究与发展 从二十世纪八十年代末开始，一些砑究者在管内两相流动蒸发沸腾系统中加 罐一 第章文献综述 入固体粒子，并对其强化流动沸腾传热及防、除垢效果开展了初步的研究 【4 】【5 】【2 3 l ，取得了较为显著的效果，应用前景十分广阔。 1 9 9 3 年，李修伦和刘绍丛 4 1 在汽液两相流动沸腾系统中，加入玻璃球粒子形 成汽液固三相流动沸腾系统，同时对其传热性能进行了研究。他们取得的研究结 果表明：汽液固三相流传热系数与两相流动传热系数相比，提高了约两倍；同时 加入的玻璃球粒子还起到了很好的防、除垢作用，提高了沸腾传热过程的稳定性： 之后，李修伦和闻建平 8 】f 9 】又采用铜粒子代替玻璃球，进一步研究了汽液 固三相流沸腾传热过程。研究结果表明：与玻璃球相比，铜粒子的强化传热效果 大为提高。其原因主要是因为铜粒子的导热系数、密度均高于玻璃球所致； 在研究固体颗粒对流动沸腾影响的基础上，李修伦和张利斌等 5 1 2 1 1 开发了 种新型的汽液圆三相循环流化床蒸发器。该蒸发器实现了固体颗粒的分离和再循 环，使工业生产的实际需要得以满足，因此得到了国内一些产业部门的关注。在 研究中，采用饱和盐卤为工质，以饱和水蒸汽加热，考察了加入不同固体颗粒( 玻 璃球、陶瓷球、钛粒和钢球) 的情况下，这种新型蒸发器的强化传热和防、除垢 性能。 李秀伦1 2 2 】进一步完善了对上述蒸发器的强化传热和防、除垢性能的研究，并 提出了最优工艺参数范围；研究结果显示：固体颗粒对流动沸腾传热过程的强化 效果不仅受其密度、比热、导热系数等物性参数的影响，还与工质对颗粒的润湿 性能有关。 此外，邹克华【2 3 】以烧碱溶液为工质，利用电加热系统，对三相循环流化床的 流动沸腾传热和压降进行了研究，探讨了加入固体颗粒后烧碱溶液蒸发沸腾装置 的防、除垢性能，拓宽了汽液固三相循环流化床蒸发器的应用范围： 于志家等【2 4 】将固体颗粒引入到两相流载气蒸发系统中，发现不仅可以显著强 化传热，而且可以使壁温及壁面液体过热度明显下降。他们认为，固体颗粒可以 有效地抑制加热壁面上的泡核沸腾，同时其运动对已有的垢层具有明显的冲刷作 用。另外，于志家等【2 5 】也研究了加入固体颗粒后，垂直环隙内的流动沸腾传热性 能，得到了与文献【2 4 】相似的理论。 h i d e t o s h i 【2 6 1 等将固体颗粒加入到海水加热与浓缩的装置中，研究了其对传热 面上硫酸钙垢层的清除效果，发现当颗粒浓度为约4 0 5 0 k g m 3 时，垢层的最终 除去比例有一渐进值。 天津大学与天津汉沽盐场合作【2 7 】，用饱和盐卤为工质，进行了千吨级的中试 蒸发实验，结果表明：操作运转2 4 0 小时以上，在蒸发器的加热室内无结垢现象 发生，蒸发量呈现正常的波动而无明显降低，而相同的蒸发装置不加固体粒子时， 运行8 小时即因结垢严重而不能正常操作，应停车清垢。这充分证明了三相流蒸 6 第一章文献综述 发器具有优良的防、除垢性能。 贾原嫒等2 8 】将汽液固三相流强化传热和防、除垢技术应用到造纸的麦草浆黑 液蒸发中去，取得了较好的强化传热和防、除垢效果。 1 2 2 循环流化床换热器中流动特性的可视化研究 刘绍从【2 9 1 、陈健生等【3 0 l 采用透明玻璃镀膜加热管，观察研究了汽液固三相 流化床内的不同流型及其流动沸腾状况。贾丽云【6 j 采用了一种适用于多相流固体 颗粒参数测量的c c d 图象采集与处理系统。著利用该测量系统对未加热( 多管) 循环流化床换热器的分布板设计进行了实验研究，讨论了各种操作条件对管束中 粒子分布的影响，同时，还利用上述的c c d 技术对高空隙率、高流速下的冷模 ( 单管) 液固循环流化床的两相流动特性进行了研究。张利斌 7 1 采用c c d 测量 系统，研究了液固和气液固循环流化床内流场及颗粒浓度和速度的分布，并对其 进行了数值模拟。 1 2 3 汽液固三相流化床传热机理和模型的研究 1 2 3 1 汽液两相流动沸腾传热 汽液两相流动沸腾传热机理是汽液固三相流动沸腾传热机理的基础。因此， 三相流模型的建立也是在两相流模型的基础发展起来的。 对于汽液两相流动沸腾传热，目前工程上应用较广泛的是双机理模型。其基 本思想是：流动沸腾传热同时受两相强制对流传热和泡核沸腾传热机理的支配。 到目前为止，学者们所提出的流动沸腾传热模型主要有：加和模型、渐进模型和 强化模型。下面分别对其进行简单介绍。 加和模型是1 9 5 2 年r o h s e n o w f 3 i 】首先提出的。他认为流动沸腾传热系数是泡 核沸腾传热系数和对流传热系数的简单叠加。即： h d = k 6 + h ， ( 1 1 ) 式中：矗。为流动沸腾传热系数，w m k ； h 。为池泡核沸腾传热系数，w m 4 k 1 ： h ，为液相单独存在时的对流传热系数，w - m - 2 k ； j c c h c n 3 2 在1 9 6 6 年对上式加以改进。提出了新的加和模型。他引入两 7 第一章文献综述 相流强化因子f 和泡核沸腾抑制因子s ，得到如下数学表达式： h m = 矾6 + f h ， ( 1 2 ) j c c h e n 模型十分明确地提出在流动沸腾中池泡核沸腾和对流传热两种 机理各以一定的比例发挥作用，而且两种传热方式的贡献大小随随流动状况的改 变而变化。 2 、强化模型 强化模型是m m s h a h t 3 3 1 于1 9 7 6 年提出的。其数学形式为： h m = e h ， ( 1 3 ) 式中：e 为强化因子，是对流准数c o ( 两相对流传热为主时) 或沸腾准数b o ( 泡核沸腾传热为主时) 的函数。其余符号同前。 该模型形式简单，计算量小，反映了流动沸腾传热的基本规律，但当对流传 热和泡核沸腾传热两种机模式的贡献接近时，将造成较大的误差。 3 、渐进模型 渐进模型的通式为： h a ，6 = ( s h ) ”+ ( 炳) ”( 1 - 4 ) 式中：n 为渐进指数，其余符号同前。 渐进模型的意义在于：池泡核沸腾传热和对流传热是流动沸腾传热的两种渐 进状态。流动沸腾传热系数表示为相同传热温差下纯对流传热和纯泡核沸腾传热 系数的指数和，指数n 由实验数据确定，它是流道形状、流动状况和操作参数等 的函数。l i u 和w i n t e r t o n 【3 4 以及s t e i n e r 和t a b o r e k 3 5 l 提出，n = 2 或3 。 1 2 3 2 汽液固三相循环流化床沸腾传热模型 到目前为止，关于汽液固三相流化床沸腾传热方面的论文较少，天滓大学对 其迸行了研究，取得了一些重要成果。 李修伦等1 3 6 在双机理法的基础上，建立了三相流动沸腾传热模型。认为三相 流沸腾传热膜系数由液固两相流传热和受固体颗粒影响的泡核沸腾传热这两部 分组成，其具体形式表示为： h 加= e h * + m s h 柚 ( 1 5 ) 式中：为液固两相流传热膜系数，按照s c h i t t 的液固两相流传热膜系数式计算； g 第一章文献综述 矗。按f o r s t e r 和z u b e r 的泡核沸腾式计算；m 为校正参数，由实验数据回归得出。 闻建平等 2 0 进一步研究了铜粒子对三相流沸腾传热的影响。 张利斌【2 1 认为三相循环流化床沸腾传热包括颗粒团与壁面之间的传热、含固 体颗粒稀相的液体传热和含有固体颗粒的泡核沸腾传热，提出了如下的三相流沸 腾传热膜系数计算式： h m = 占。_ l p 。+ ( 1 6 。) e h k + s h 。如 ( 1 6 ) 式中：覆为颗粒团与加热壁面接触面积分率，无因次； e 为三相流对流传热强化因子，无因次： s 为三相流泡核沸腾抑制因子，无因次： h 。为颗粒团与壁面之间的传热系数，w m - 2 , k ； 。为含固体颗粒稀相的液体与壁面之间的传热膜系数，w m - 2 , k ； 。为含有固体颗粒的泡核沸腾传热膜系数，w m - 2 k 。 邹克华等f 2 3 1 综合两相流动沸腾传热和渐进模型，加以修正，应用到三相流 动沸腾传热中，提出了如下的传热系数计算式： h 加= 【( 吼) 2 + ( 砜。) 2 j ( 1 7 ) 式中符号同前。 综上所述，研究者们基本上都将固体颗粒强化沸腾传热的影响集中在强化因 子e 上，但对固体颗粒强化沸腾传热的机理缺乏研究。张少峰1 3 7 1 对管内三相流 动沸腾传热的机理进行研究， 提出了三相循环流化床沸腾传热系数a 。计算式 为： 知= p h 庸十】2 + 愚五 ( 1 8 ) 式中： h 。为汽液固三相流化床沸腾传热系数，w m - 2 k - 1 ； k 为固体颗粒与壁面间的对流传热系数，w m 2 k 一； h 月为固体颗粒与壁面碰撞引起的液体容积对流传热系数，w m - 2 k 一： 矗。为无固体颗粒时的流动泡核沸腾传热系数，w m - 2 k 。 9 第一章文献综述 伊为固体颗粒占据的壁面分率 1 3 测试技术 在气固、液固、气( 汽) 液固流化床中，固体颗粒特征参数的准确测量是实 验研究的关键。它对于流化床内的流动行为、轴向及径向混合、传热、传质特性 的研究具有重要意义。颗粒参数的测试方法大致可分为两类：一类是内置法，常 用的有压差探头、电容探头、光导纤维探头、取样探针、压电探针等：另一类是 外置法，主要有压力分布法 3 8 1 、摄影法3 9 1 、激光多普勒法4 0 1 、x 射线法 4 1 、b 射线法【4 2 】等。对于内置法，无论探头结构多么微小精细，或多或少都会对流场产 生干扰。外罱法则没有这个问题，但多要求测试处是透明的。固相特性测量内容 主要包括：局部固相浓度的测量、局部固相速度的测量。本文将简要介绍几种与 本文测试手段相关的外置测试方法。 1 3 1 激光多普勒( l d v ) 测速 激光多普勒( l d v ) 测速【4 0 1 是一种利用激光照射到流体产生的多普勒效应 原理来测量多相流体速度的新兴测试技术。在所测流体中必须存在可以散射入射 激光的微粒。微粒可以是夹在气流中的液滴，也可以是夹在液流中的细小气泡， 还可以是夹在气流和液流中的固体颗粒，但微粒数量不宜过多，以免影响激光的 通过。激光多普勒测速仪h 3 】【删可以测量二维或三维速度场，还可以测定颗粒尺 寸、瞬时局部空隙率1 4 ”。l d v 测量技术具有精度高、非接触式、对流场无干扰 性等优点。但其结构复杂、造价昂贵，对使用技术要求较高。它只能单点测量而 无法对一个流域内的流速同时测定，恰恰后述测定对多相流来说是十分关键的 【4 6 1 1 3 2 摄像法 摄像法是较早用于观察多相流行为的传统方法之一。目前仍有许多研究者应 用摄像法定量测量流化床内流体与颗粒的各种参数，只是采用各种更为先进和精 密的仪器。t a k e u c h i 和h i r a r n a l 3 9 1 曾用高速摄像机观察循环流化床内的流型与颗 粒团的形成过程。w e t h e r 和h a r t a g e 【4 。7 】采用c c d 摄像机测量循环流化床中气动 输送行为；g b a v c i c 等【4 s j 则用电影摄像机测定液固流化床中示踪颗粒的速度等。 摄像法的数据处理过程复杂而繁琐，随着数字图象采集与处理技术的飞速发展， 1 0 第一章文献综述 传统意义上的摄像法已较少使用，但其基本原理对开发新的多相流测试手段仍具 有指导意义。 1 3 3 颗粒成像测速法( p i v ) 颗粒成像测速( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y 简称p 1 v ) 1 4 9 j 是激光技术和数字 图象技术的结合，是近几年发展起来的新的多相流测试技术之一。它是由激光闪 斑位移技术【蜘发展而来。其基本原理是：激光束经柱面透镜形成片光源，照射被 测流场，用高分辨率c c d 像机直接对流场空间进行成像数字采样。然后将图象 数据传至计算机进行处理。通过多幅图象同一位置的小面积元( 分析窗口) 逐对 进行计算。计算出分析窗口内颗粒平均位移；当分析窗口足够小时( 相对于床层) 则该速度可示为该点的瞬时速度。张利斌1 7 j , g 用p w 成像技术研究了多相循环流 化床内的流动特性；贾丽云【6 】采用p i v 成像技术对液固流化床换热器中各管内颗 粒分布进行了研究，得出了十分有价值的结果。 1 4 多相流数值模拟 1 4 i 多相流的数学模化方法 多相流数学模化的建立一般基于以下几个方面【5 l j ： ( 1 由质量、动量和能量守恒定理，导出质量、动量和能量方程；( 2 ) 考虑 现有的实验数据( 流型，控制体内部流体变量及分布等) ，将多相流动进行某 些简化：( 3 ) 考虑现有实验数据并根据某些普遍规律对各相和界面的有关物性 参数进行某些简化：( 4 ) 根据现有实验数据，对发生在边屏上的传递进行某些 简化；( 5 ) 考虑某些理论及实际的限制( 方程组的闭合，方程易于处理性等) 。 在此基础上，多相流的模化可以分为以下几种方法： 关联方法：既有纯经验关联，也有半经验半理论关联，如k a w a s e 将 k o l m o g o r o v 湍流理论引入多相反应器，得到一系列有意义的结果【5 2 】。 拟均相或均相方法：将多相流看作是单一流体，即拟均相或均相模型。该模 型的方程组与单相流的方程组在形式上相同的，只是引入有效物性参数进行修 正。g e a r y i 郛l 在鼓泡塔研究中，应用p r a n d f l 混合长模型和简化的拟均相r e y n o l d s 方程预测了塔内速度场。 新数学理论的应用：混沌和分形理论突飞猛进地发展，极大地深化和改变了 人们的认识，一些学者开始尝试用混沌和分形理论研究多相湍流体系。l t f a n 第一章文献综述 等人5 4 1 1 5 习用分形理论描述了液固两相和气液固三相流化床中时序压力波动，采 用h u r s t 重校度范围( r s ) 分析法对流化床进行局部分形作用的估算；b a i h 叫等 人利用压力和空隙率时序波动的信号，用最大l y a p u n o v 指数分析了流化床的流 动行为：f r a n c a 5 7 和胡宗定【5 9 l 等将变分维引入图像处理过程，用该方法处理三相 流态化的标准流型图象：而s c h o u t e n 等人f 5 9 】利用混沌理论中的k o l m o g r o v 熵值， 研究了气固流化床的放大规律，进行了有益的尝试。这些都说明了新的理论为人 类认识多相流提供了有利的工具，但这些理论在多相流中的应用仅仅是个开端， 要最终完善和形成系统的理论体系还需要做大量的工作。 多相流流体力学模型和数值模拟：针对多相流流动的特性，应用数值模拟的 方法，求解描述多相流流动的局部动量、质量、能量平衡方程，以实现对多相流 反应器、流化床的模型、设计、放大控制的描述1 6 “。这也是本文采用的方法。 1 4 2 多相流数值模拟理论的研究和发展 2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机的普及以及计算能力的不断提高，加上近 似计算方法如有限差分法、有限元法、有限体积法等的发展，基于数值计算的计 算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sc f d ) 方法正在冲击并改变着传统的 工业过程设计方法1 6 “6 2 o 这种数值方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程 ( 包括质量、动量以及能量等) ，加上一些初始和边界条件，以及数值计算理论 和方法，从而实现预测真实过程和流场、温度场、浓度场等，以达到对过程设计 与优化、放大及控制的详细描述【6 3 1 。 目前，对多相流的模拟一般是在e u l e r 坐标系中进行的。在e u l e r 坐标系中 对流体相的模拟已发展了基于r e y n o l d s 时均方程及关联量输运方程的统观模拟 ( r a n s ) 、直接数值模拟( d n s ) 、大涡模拟( l e s ) 和离散涡模拟( d v s ) 等几 种方法p “。其中后3 种能直接得到流体的瞬态流场，而r e y n o l d s 时均的各种封 闭模型只能得到流场的时均值，要想得到瞬时值，它还必须和另一些求脉动速度 的方法相结合。在实际工程应用中，人们更关心流动的时均值，而忽略湍流的细 节。因此目前大量的工程湍流计算还是依赖基于r e y n o l d s 时均方程及关联量输 运方程的统观模拟方法1 6 4 1 。 1 4 2 1 湍流统观模拟 在e u l e r 法描述的流场中，单位控制体积内单位质量的特性量巾的瞬时输运 公式用e i n s t e i n 求和记号表示为 1 2 第一章文献综述 昙c 胛，+ 毒c 彤砂一言岳蚤+ & q 呻， s 。为源项，对于质量、动量、组分和能量各守恒方程，则分别有 妒= l ，“，k ，h 以及 & 一o ，一言+ 偌+ 岳c 詈卜q ，呜( 1 - - 1 0 ) 式中 “，”，分别代表3 个坐标方向x ，0 ( i ，j = l ，2 ，3 ) 的速度分量 r 为s 组分分数 h 为烩，m 2 s 2 0 9 。为组分的反应生成率，k g m - 3 s 。 q 。为热源，m 2 s 。 忽略流体相密度脉动，对上式进行r e y n o l d s 时间平均后，得如下形式的湍 流流动的r e y n o l d s 时均方程 昙( 而+ 毒( p 丽) 2 毒岳蚤一毒( 鹏- - 7 妒- ；) “， (