（化工过程机械专业论文）多相循环换热系统流动特性实验及理论研究.pdf

中文摘要 本文根据实验流体力学、现代测控技术、计算流体力学以及非线性理论，依 据化学工程中小试、中试步骤，对多相循环换热系统流动特性进行了实验和理论 研究。 首先，本文利用实验手段对结构相对复杂、流动形式多变、影响因素众多的 多相循环换热系统进行了冷态小试实验。根据相似理论、流态化原理，提出一种 由主分布器和预分布器组成且有望实现工业化的固液分布器，利用实验方法验证 了此固液分布器的效果；绘制了多相循环换热系统在不同操作条件下的流型图； 研究了具有此分布器的多相循环换热系统在不同操作条件，物性条件和结构条件 下换热管束中固含率，颗粒循环速率，下管箱的静压降，板压降及全塔压降的变 化规律。确定了影响多相循环换热系统中管束固含率的主要结构因素。同时测量 了多相循环换热系统在正常操作条件下各区域内流动特性基础实验数据。 其次，对于多相循环换热系统进行了冷态中试实验。建立了两套多相流测试 系统。一套为多相流动图像采集和处理系统，解决了该系统在测试过程中所遇到 的图像畸变和运动颗粒识别等难题。另外一套为可同时测量多换热管束固含率的 光电采集系统。在实验过程中标定了光电信号与固含率信号的关系。利用压降法 测量了单相纯水条件下主分布器进出口的局部阻力系数。之后，在水- 玻璃珠两 相体系及下管箱平均固含率为3 0 4 0 条件下，测量了不同直径条件下固液两相 与纯水相分离和汇合流动时不同的局部阻力系数。最后，推导了主分布器设计公 式，并用压降法进行了验证。 随后，利用两相流中颗粒动力学理论对多相循环换热系统下管箱和换热管区 域进行了二维瞬态数值模拟。利用压力信号对数值模拟结果进行了验证。根据实 验测量的固含率及多相局部阻力数据，修正了主分布器区域动量方程，增加了动 量源相，提高了模拟精度。利用颗粒动力学模型优化了组合式分布器中v 型挡 板的结构形式、多孔板的开孔率结构参数。结合工程分形理论，设计了分形式下 管箱，为多相循环换热系统的放大研究提供了理论依据。 最后，利用统计分析、混沌分析理论对多相循环换热系统中多相换热管中的 流动瞬态行为进行了研究。采用不均匀度概念，以小波分析为基础，计算了多尺 度信号不均匀度和k 熵。建立了多相循环换热系统微观流动与上述两种函数的 关系。 关键词；多相流动换热系统固液分布器固液局部阻力系数固液两相数值模 拟多尺度分析采集及处理系统 a b s t r a c t t h ef l o wc h a r a e t c r so fm u i t i p h a s ec i r c u l a t i n ge x c h a n g i n gh e a ts y s t e mw e r c s t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l yb a s e do nt h ee x p e r i m e n th y d r o d y n a m i c s ，t h e m o d e mm e a s u r i n gt e c h n o l o g y , t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n dt h en o n l i n e a r s y s t e m st h e o r ya c c o r d i n ga st h ec h e m i c a lp r o c e s s e s f i r s t l y , t h em u l t i p h a s ec i r c u l a t i n ge x c h a n g i n gh e a l ? - ；t c mw h i c hh a ds o m e c o m p l e xs t r u c t u r e s ，d i f f e r e n tf l o wf o r m sa n df a c t o r sw a ss t u d i e db ys o m ec o l d - s t a t e l a b o r a t o r ya p p a r a t u s t h es o l i d - l i q u i dc o m b i n e dd i s t r i b u t o r sw h i c h w o u l db ea p p l i e d t ot h ei n d u s t r ye q u i p m e n tw e r ep u tf o r w a r db a s e do nt h es i m i l a r i t ya n df l u i d i z a t i o n t h e o r y t h o s ek i n do fs o l i d - l i q u i dd i s t r i b u t o r sw e r ec o m p o s e do fam a i nd i s t r i b u t o r a n dap r e - d i s t f i b u t o r t h ee f f e c to f t h e s o l i d - l i q u i dd i s t r i b u t o rw a sv a l i d a t e db ym e a r l s o f e x p e r i m e n t a lm e a n s t h ef l o ws t y l em a p so f t h ee x p e r i m e n tc i r c u l a t i n ge x c h a n g i n g h e a te x p e r i m e n ts y s t e mw e r ep r o t r a c t e di nd i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o n s t h er u l e o f t h et o t a lf l u i d i z e db e d sp r e s s u r ed r o p ，t h ep r e s s u r ed r o po f s o l i d - l i q u i dd i s t r i b u t o r s ， s o l i dh o l d u pa n dp a r t i c l ec i r c u l a t i n gr a t ei ne x c h a n g i n gh e a tp i p ew 黜i n v e s t i g a t e di n d i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s , p h y s i c a lq u a l i t ya n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r s t h em a i n s t r u c t u r a lf a c t o r sw h i c h w o u l di n f u e n c et h es o l i dh o l d u pi nt h em u l t i p h a s ec i r c u l a t i n g e x c h a n g i n gh e a ts y s t e mw e r oc o n f i r m e d a tt h es a m et i m e ，t h eb a s i ce x p e r i m e n t a l d a t aa b o u tt h ef l o wf a c t o r si nd i f f e r e n ta r e a sw a sm e a s u r e di nt h en o r m a lc o n d i t i o n s s e c o n d l y , t h ei n d u s t r ym u l t i p h a s ec i r c u l a t i n ge x c h a n g e rs y s t e mw a ss t u d i e d t w os e t so fm u l t i p h a s em e a s u r i n gs y s t e m sw e r ee s t a b l i s h e d o n ew a sam u l t i p h a s e f l o wi m a g ec o l l e c t i o na n dd i s p o s a ls y s t e ms o m ed i f f i c u l tp r o b l e m s ，s u c ha si m a g e a b e r r a n c ea n dt h er e c o g n i t i o no fm o t i o np a r t i c l e sd u r i n gt h et e s t i n gp r o c e s s , w e r e r e s o l v e d t h eo t h e rw a sap h o t oe l e c t r i c i t yc o l l e c t i o ns y s t e mw h i c hh a dm e a s u r e dt h e s o l i dh o l d u pi ns e v e r a lp i p e ss i m u l t a n e o u s l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h o t o e l e c t r i c i t ys i g n a l sa n dt h es i g n a l so f s o l i dh o l d u pw a sd e m a r c a t e d t h el o c a lr e s i s t a n c e o fm a i nd i s t r i b u t o r si ns i n g l ef l o wa n dt w op h a s e sw e r e m e a s u r e dw h e nt h ec h a m b e r w a sf i l e dw i t hp u r ew a t e ra n dw a sf u l lo f3 0 4 0 s o l i dh o l d u p a tl a s t , t h em a i n d i s t r i b u t o rd e s i g n i n gf o r m u l aw h i c hw a sv e r i f i e db yt h ep r e s s u r ed r o pf o r m u l aw a s i n t r o d u c e d b a s e d0 1 1t h i s , t h ed i s t r i c t sf l o ws t a t u si nc h a m b e ra n de x c h a n g i n gh e a tp i p ew e r e i n s t a n t a n e o u ss i m u l a t e di nt w o - d i m e n s i o n a lc i r c u l a t i n ge x c h a n g e rs y s t e mt h r o u g ht h e g r a n u l ed y n a m i c a lt h e o r y t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw e r e v a l i d a t e db y p r e s s u r es i g n a l s b a s e do nt h ee x p e r i m e n tm e a s u r i n gs o l i dh o l d u pv a l u ea n dt h ed a t a o fm u l t i p h a s el o c a lr e s i s t a n c e , t h em o m e n t u me q u a t i o ni nt h em a i nd i s t r i b u t o rw a s c o r r e c t e d t h em o n u m e n ts o u r c ew a sa d d 叩a n dt h es i m u l a t i o np r e c i s i o nw a s i m p r o v e d t h es t r u e t u r eo f t h ev b a f f l ea n dt h eo r i f i c er a t i oo f t h em u l t i - h o l ep l a t ei n t h ec o m p o u n d i n gd i s t r i b u t o rw c eo p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h eg r a n u l ed y n a m i c a l m o d e l c o m b i n e dw i t ht h ee n g i n e e r i n gf r a e t a lt h e o r yt h ef r a e t a li n l e tc h a m b e rw a s d e s i g n e d t h ee n g i n e e r i n gf i a c t a lt h e o r yh a dp r o v i d e ds o m et h e o r e t i c a lb a s i st o m a g n i f yt h em u l t i p h a s ee x c h a n g i n gh e a ts y s t e m a tl a s t , t h et r a n s i e n tf l o wc h a r a e t e r so ft h em u l t i p h a s ec i r c u l a t i n ge x c h a n g i n g h e a ts y s t e mw a ss t u d i e db yn o n u n i f o r ma n a l y s i sa n dc h a o sa n a l y s i s t h em u l t is c a l e n o n u n i f o r ma n dm u l t is c a l ec h a o sw e r ec o m p u t e d b a s e do nn e wt h e o r y , t h em i c r o f l o wp h e n o m e n aa n de v a n e s c e a c es i g n a lw a sc o n s t i t u t e dt h r o u g ht h ew a v e l e tt h e o r y k e yw o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w , e x c h a n g e r ，s o l i d l i q u i dc o m b i n e dd i s t r i b u t o r s ， l o c a lr e s i s t a n to fs o l i d - l i q u i d ，s o l i d l i q u i dt w op h a s ef i m u l a t i o n ，m u l t i s c a l et h e o r y ， c o l l e c t i n ga n dd e a l i n gw i t hs y s t e m 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，也不包含为获得苤洼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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：参l 彳殳壹 签字日期：五矽年矿月灯同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂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) 学位论文作者虢旁j 镁最、 签字r 期：脚孱，月珂f 1 聊躲乳奄 签字 期：冲年矿月f f f 天津大学博士学位论文 多相循环换热系统流动特性实验及理论研究 第一章绪论 在工业生产过程中，换热设备表面往往存在不同程度的结垢现象，特别是涉 及蒸发工艺的加热过程，如制糖、制盐、造纸等工业过程中，结垢将更为严重1 1 1 2 。 结垢对换热设备的选材和运行将会有很大影响：增加设备投资和运行费用，设备 无法连续操作，须经常停机清洗。此过程造成的经济损失和能源浪费相当惊人。 尤其在我国这种人均能源缺乏、需求增势高且技术水平相对落后的状况下，这种 现象在工业界内更为普遍。因此，这是一个十分迫切和现实的问题。 各国的研究者曾提出过很多方法解决此问题：加防垢剂、改变设备结构和材 质，但这些方法均无法避免周期性停车。部分研究者开始探索将传统流态化技术 引入换热器过程，开发了多相循环换热系统。该系统中保持流化状态的固体颗粒 由于和管中的液体相互作用，使系统在低流速下保持很高的湍流程度和稳定的传 热速率。美国、荷兰、德国的科学家先后将此相技术应用于海水淡化地热回收及 化工生产等领域当中。在国内，天津大学和湘潭大学的的研究者在实验阶段作了 一些工作。但在国内未见大规模工业应用报道，主要原因是对多相循环换热系统 中的多相流动特性的研究较少，且大部分研究内容处于空白状态。其中最关键的 适用于各种工业场合的固液两相的均匀分布问题尚未得到解决。 多相流动在化工领域中得到了广泛应用，几乎涉及到化工生产过程中所有基 本操作单元。其中多相循环流态化技术是在原有传统流态化技术基础上在近十几 年发展起来的一门新兴技术【3 】【”，一直是流态化领域中的一个热点。本文研究的 多相循环换热系统具有床体结构复杂、流动形式多变、影响因素众多等特点。在 借鉴天津大学流态化课题组和强化传热课题组研究成果基础上，依据化学工程中 小试、中试及工业放大步骤，借助现代测控仪器进行流体实验，并结合混沌分析 和小波分析等现代信号理论，从稳态过程到瞬态过程研究了多相循环换热系统的 流动特性。在总结了多相循环换热系统的发展历程及在研究过程中所涉及到的各 种理论方法的基础上，根据相似原理和分形流态化原理提出了固液组合式分布 器，此装置解决了固液两相的均匀分布问题。对装有此分布器的多相循环换热系 统的小试装置进行了实验研究，证明了组合式固液分布器能够均匀的分布固液两 相：管束问颗粒的不均匀度小于5 ，并且找出了影响同液分布的主要因素。在 此基础上，进一步研究了操作条件、结构条件及物性条件对换热管束中固含率， 颗粒循环速率，下管箱静压降，板压降的影响。随后，对多相循环换热系统的中 第一章绪论 试装置进行了实验研究。建立了两套测量装置，一套为图像采集系统，另外一套 为多管束光电采集系统。用实验方法测量了主分布器固液两相局部阻力系数，给 出了固液两相主分布器的设计公式。利用压力信号对采用颗粒动力学模型所进行 的数值模拟结果进行了验证，在此基础上利用数值模拟方法对组合式分布器中的 挡板形式，多孔板的开孔率进行了优化，并结合工程分形的理论优化了下管箱的 结构形式。最后对多相循环换热系统中多管束的瞬态行为进行了研究。利用统计 分析，混沌分析等理论对多相循环换热系统的整体瞬态行为进行了研究，提出了 瞬态不均匀度概念，以小波理论为基础对该系统进行了多尺度统计分析和多尺度 混沌分析，建立了该系统的操作状态、微观流动状态与数学函数之间的相互关系。 本文的研究工作将会为实现多相循环换热系统的工业化打下良好基础，经过 大量和细致的工作此问题将会最终解决。 2 天津大学博士学位论文多相循环换热系统流动特性实验及理论研究 第二章文献综述 换热是重要的单元操作，换热设备壁面结垢现象非常普遍，据s t e i n h a g e n s j 等对新西兰1 1 0 0 多家企业的3 0 0 0 台各种类型换热设备的调查显示，9 0 以上的 换热设备都存在着不同程度的结垢问题，特别是在食盐、氯化钾、烧碱、制糖、 食品、造纸、海水淡化、废水处理等蒸发设备以及石油、化工精馏塔中的再沸器 中。换热管中的结垢问题将会增加流动阻力、降低换热效率、增加能耗，加大设 备投资和运行费用，在结垢严重时甚至导致生产难以连续运行。总之，结垢问题 会对能源造成巨大的损失，给经济带来巨大的损失。因此，此问题引起了各国工 业界和学术界的广泛关注。 2 1 多相循环换热系统研究状况 2 1 1 多相循环换热系统的发展状况 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，研究者为了解决换热系统中的结垢问题开始探索将传统 流态化技术引入换热器过程，开发了多相循环换热系统。该系统中保持流化状态 的固体颗粒由于和管中的液体相互作用，使系统在低流速下保持很高的湍流程度 和稳定的传热速率。美国科学家 6 1 首先将此高性能换热系统用于海水淡化。其后， 荷兰 7 1 、德国i s j 【9 】也逐步探索采用多相换热系统用于地热回收及相关的领域。 j s t k o l l b a c ! i o l 等对多相循环换热系统特点归纳如下：( 1 ) 在许多实际应用中保持 清洁换热面，即使在某些条件下不能完全防止污垢产生，但仍可保证设备连续稳 定操作，无需停车清洗；( 2 ) 在低表观流速( u 2 0 0 0 , r e ， z o o 。， g ， 液体湍流一气体层流 r 。= c 。z s s ，。5 ( 毒 。5 ( 鲁) “5 ( 薏 “5 r - c n 4 c r e ， z 。，r e 。 ，。，t z 一z ， 天津大学博士学位论文多相循环换热系统流动特性实验及理论研究 液体层流气体湍流 - r 。= c s 4 s ，“( 毒 “5 ( 鲁 “5 ( 等 “5 r e ；“t r e ， z 。，c 2 ，s ， 液体层流气体层流 而= ( 釉“( 刳。5 ( 纠“5 一o o o 风， 4 o x o 2 5 m m 的主分布器 中4 5 x o 2 5 r a m 的主分布器 换热管长9 8 r a m ，有1o m m 进入同轴安 装的换热管 主分布器相对位置换热管位置保持不变，主分布器有 1 0 m m 插入换热管 主分布器细管上提i c m 、主分布器与换 热管束整体下插8 m m 换热管位置保持不变，主分布器在初始 状态基础上上提1o m m 天津大学博士学位论文多相循环换热系统流动特性实验及理论研究 换热管束和主分布器同时下插8 r a m 液体流量 o 6 5 m a h 、0 7 0 m 3 h 、o 7 5 m 3 h 、0 8 0 m 3 h 、 o 8 5 m 、o 8 8 m 3 r n 气体流量 o 0 1 6 m 3 h 、0 0 4 8 m 3 h 、o 0 8 m 3 h 、o 11 2 m 3 1 1 、o 1 4 4 m 3 h 液体粘度i m p a s 、2 m p a s 、3 m p a s 、4 m p a s 换热管数量8 根、l o 根 颗粒加入量 1 4 k g 、1 ，8 k g 颗粒直径 0 5 m m 、1 2 r a m 3 1 4 实验测试方法及表征 各换热管束中的固含率和颗粒循环速率分别利用体积容积法和采样法测量。 采样法仪器包括测试管上的电磁阀、同步计时器、量筒及固液分离器上方的同步 加料装置。采集计时过程中，开启电磁阀，转换测试管的流向，( 气) 液固三相 流入量筒，同时开启加料装置，保证采集过程中下管箱中床层高度不变。采用u 型管测量下管箱的静压降。利用刻度尺测量床层高度。在工业生产过程中，多相 流化床换热器一般用于黏度较高的物料场合。因此，在实验过程中对液体的黏度 用c m c 进行了调整，利用旋转黏度计对黏度进行了测量。根据管柬排列方式，选 取位于直径位置上的四根换热管作为测试区域，测量各管束中的固含率。每组实 验重复1 0 次，相对误差小于5 。采用各换热管束固含率或颗粒循环速率的不 均匀度m ，来衡量各管束固含率或颗粒循环速率分布的均匀程度。肘，的定义为： ，h 一 ： l m = 畦( 譬) 2 】2 ( 3 - 1 ) l 曲 o i 一1 占 乞2 = 己 ( 3 2 ) 7 = - - i 利用u 型管压差计测量了预分布板的板压降、下管箱静压降、多相循环换热系 统的全塔压降。利用刻度尺测量了下管箱的床层高度。下管箱中分布板以上区域 的固含率( 即形成散式流化区域的固含率) 采用压降法测量。 第三章多相循环换热系统小试实验研究 3 2 结果与讨论 本文分别对液固和气液固循环流化换热系统的流动特性进行了研究。对液固 循环换热系统，首先分析了系统不同结构处的流型，在此基础上对首先对该系统 的预分布器、主分布器及热管束数目等结构参数进行了优化f j 捌。在优化结构的 基础上，液体黏度等物性参数和固体颗粒加入量等操作参数对换热管束中固含 率、下管箱中固含率、下管箱中静压降、下管箱中板压降及下管箱中固液两相床 层高度影响进行了研究。对于气液固三相循环换热系统对流型也进行了分析，重 点考察了表观气速和表观液速等操作参数及颗粒直径及液体黏度等物性参数对 该系统流动特性的影响。 3 2 1 液固循环换热系统流动特性研究 3 2 1 1 液固循环换热系统流型分析 与前人研究的结构简单的传统及循环液固流化床不同，液固循环换热系统的 结构复杂，内部流型多变。为了更好的深入了解该系统的流动状况，应首先对该 系统各区域的流动状况进行描绘：在多相循环换热系统的下降管中固液两相处于 均匀沉降。水平管中固液两相处于悬浮流动。上，下管箱中的固液两相处于散式 流化和循环流化态，同时在下管箱中还存在颗粒堆积区。当为液固循环多相换热 系统时，换热管中的液固处于散式流化态、循环流化态或输送状态。主分布器中 固液两相流动状态为输送状态。 3 2 1 2 预分布器结构优化 ( 1 ) 实验观察 下管箱中固液两相的流动状态随预分布器的有无和结构形式的改变而不同。 无预分布器时，如图3 4 ( a ) 所示，固体颗粒在床中心区域处于喷射状态。固体 颗粒上升到田液界面后，逐步回落，形成内环流。变孔径预分布板时，如图3 - 4 ( b ) 所示，固液两相从小孔喷出，进入固液两相发展区。双层挡板式预分布器时， 如图3 4 ( c ) 所示，固体颗粒与挡板发生激烈碰撞，一部分颗粒发生回流，另外 一部分颗粒绕过挡板直至通过丝网。固液两相通过各预分布器后，固液两相形成 散式流化状态。不同结构的预分布器影响周液两相形成散式流化区的高度，进而 影响管束中径向固体颗粒的分布。 天津大学博士学位论文多相循环换热系统流动特性实验及理论研究 ( a )( b )( c ) 图3 - 4 下管箱中固液两相在不同预分布器下流动状况圈 f i g3 - 4 v i s u a l i z a t i o no f s o l i d sf l o wp a u e t mf o r d i f f e r e n tb e f o r e h a n dd i s t r i b u t o r s ( a ) n ob e f o r e h a n dd i s 订i b u t o r s ( b ) h e t r o - p o s eb e f o r e h a n dd i s t r i b u t o r s ( c ) b a f f i eb e f o r e h a n d d i s t r i b u t o r s ( 2 ) 预分布器结构形式对换热管束中固含率的影响 在不同结构的预分布器下，管束中固含率随表观液速的分布规律如图3 - 5 中 的( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。无预分布器时，管束中固含率较小，床中心处管束内 固含率高于床四周管束，如图3 - 5 中( a ) 所示。这是因为固液两相仍处于分布板 m e ”一m l + - - e , - ：器勰i i ：0 2 3 0 。m 。s i ii “p i “ i ：凇0 1 ”m m s l ：溜茹麓 釜塞蔫至三摹至备 。”“州” 图3 5 纯水中不同预分布器下管柬中固及间固古宰不均匀度随表观液速的变化规律 f i 9 3 5t h es o l i dh o l d u pi ne x c h a n g ep i p ei nd i f f e r e n ts u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t ya n dd i f f e r e n t p r e - d i s t r i b u t o r sa n dm s o f s o l i dh o l d 呷i nd i f f e r e n tp i p e 第三章多相循环换热系统小试实验研究 区。床中心的固体颗粒速度高，易于进入管束中，而床四周颗粒情况与之相反。 变孔径式预分布器时，径向管束间固含率分布依然不均，床中心处管束固含率略 低，床四周管柬固含率略高，如图3 - 5 中( b ) 所示。这是由于固体颗粒仅从变 孔径式分布板上的周边小孔进入，床四周颗粒速度略高。对于双层挡板式预分布 器，如图3 - 5 中( c ) 所示。由于固液两相在双层挡板式预分布器的作用下己处 于散式流化状态，管束中固含率分布均匀。 从图3 5 中( a ) 、( b ) 、( c ) 还可见，无论在何种结构条件下，随表观液速 的增加，管束中的固含率先增加，后减小。这是因为管束中的固含率与床层中的 平均固含率及固体颗粒循环速率有关。随表观液速增加，下管箱床层中的平均固 含率降低，而颗粒循环速率增加。在低表观液速下，颗粒循环速率增加的固含率 要大于下管箱中减小的固含率，因此，管束中的固含率随表观液速的增加而增大。 当表观液速继续增加时，固体颗粒循环速率达到定值，而床层中的固含率还一直 降低，所以管束中固含率开始减小。 图3 - 5 中( d ) 为在不同预分布器下，管束间固含率的不均匀度随表观液速 的变化规律。依照无预分布器、变孔径式预分器及双层挡板式预分布器的结构顺 序，液固循环流化床内换热器管束问的固含率标准差依次减小。当无预分布器时， 管束间固含率的标准差随表观液速的增大而减小。变孔径和双层挡板式预分布器 时，管束间固含率的标准差随表观液速的变化不明显。上述结果与下管箱中固液 两相的流动状态密切相关。当无预分布器时，下管箱中固液两相随液速的增加由 喷动状态向散式流化状态过渡，下管箱中径向固含率逐渐均匀。当有预分布器时， 固液两相经预分布器后形成散式流化状态。而散式流化状态下的固液两相在径向 上分布均匀的程度受液速影响较小。 ( 3 ) 预分布板结构形式对下管箱静压降影响 根据实验测量，在不同表观液速下，下管箱静压降随无分布板，双层挡板式 预分布器及变孔径式预分布器逐渐增加，如图3 - 6 所示。随表观液速的增加，装 有变孔径预分布器的下管箱静压降逐渐升高，而安装双层挡板式预分布器的下管 箱的静压降变化不明显。这主要是因为预分布器的加入改变了下管箱固液两相流 动形式，双层挡板式预分布器比变孔径预分布器能使固液两相更快的形成散式流 化。对于无预分器时，由于没有预分布器产生的压降，所以静压降最小。 ( 4 ) 预分布板结构形式对下管箱中床层高度的影响 下管箱中的床层高度与液固循环流化床换热器的操作范围有着密切的关系。 在相同的固体颗粒加入量和表观液速下，下管箱中的床层高度随双层挡板式预分 器、变孔径式预分布器的引入而逐渐增加，并且高度随表观液速的增加而增加， 如图3 7 所示。这主要是因为在双层挡板式预分布器下，下管箱中液速相对平稳， 天津大学博士学位论文多相循环换热系统流动特性实验及理论研究 而变孔径预分布器的开孔率较小，局部液速过高。当无预分布器时，由于固液两 相处于喷射状态，床层高度和下管箱长度一致。 善 量 j 专 ： i 喜 塞 ：嚣器磐：怒一。 十b 女p - d “m n m o p _ “i p _ i i 埘v l o c 畔i “山 田3 - i 下管箱床层高度随表观液速的变化规律 f i 9 3 - 7b e dh e i g h ti nd i f f e r e n ts u p e r f i c i a ll i q u i d v e l o c i t yi nv e s s e li nl o w 3 2 1 3 主分布器结构优化 ( 1 ) 实验观察 固液两相经预分布器后轴向形成两个区域：纯液相区和液固两相区。同时， 两区域之间形成清晰界面。无主分布器时，如图3 - 8 中( a ) 所示。换热管插入 固液两相区后，由于换热管束直径较大，固液界面随换热管下插而下降，始终与 换热管管口平齐。同时，由于固液历相仅由换热管口进入，固液两相在换热管柬 中的波动程度较大。增加主分布器后，固液两相从主分布器进入换热管中，纯液 相区的液体则从主分布器和换热管的环隙( 简称环隙区) 进入。此时，管束中固 液两相的波动程度明显减小。在轴向位置上固液两相可分为三个区：悬浮区、散 式流化区、固液喷射及固体颗粒堆积区。当主分布器处于下管箱中的不同区时， 管束中固液两相的流动状态明显不同，如图3 - 8 中的( b ) 、( c ) 、( d ) 所示。当 主分布器处于悬浮区时，由于此区域固含率较低，管束中固含率也相应较低，固 液两相波动程度较大，如图3 - 8 中( b ) 所示。当主分布器位于散式流化区时， 管束中固含率较高，固液两相流动相对稳定，如图3 - 7 中的( c ) 所示。若主分 布器位于固液喷射及固体颗粒堆积区时，尽管换热管束中的固含率相对较高，但 其波动程度较大，如图3 - 8 中的( d ) 所示。 第三章多相循环换热系统小试实验研究 图( c ) 主分布器处于散式流化区 f i g u r e ( c ) m a i nd i s t r i b u t o ri nf l u i d i z e dd i s t r i c t 1e x c h a n g ep i p e2p u r el i q u i dd i s t r i c t3m a i n d i s t r i b u t o r s4s o l i d - l i q u i dt w op h a s ed i s t r i c t 图( d ) 主分布器处于固液喷射及堆积区 f i g u r e ( d ) m a i nd i s t r i b u t o ri nd e p o s i ta n ds p o u td i s t r i c t le x c h a n g ep i p e2p u r el i q u i dd i s t r i c t3m a i n d i s t r i b u t o r s4s o l i d - l i q u i dt w op h a s ed i s t r i c t 图3 - 8 主分布器流翌图 f i g u r e3 - 8t h em a i nd i s t r i b u t o r si nd i f f e r e n td i s n a c e m e n t ( 2 ) 主分布器直径优化 ( 2 1 ) 主分布器直径对管束中固含率的影响 主分布器有无和主分布器直径对管束问固含率的影响，如图3 _ 9 所示。当表 观液速为0 0 2 1 0 m s 时，管束中固含率在无主分布器结构时最小。这是由于换热 管束处于含率较低的悬浮区。增加主分布器后，随主分布器直径增大，管束中固 含率随之增大。根据管路阻力分析，主分布器和环隙区组成两并联管路。固液两 相和纯液相分别为两并联管路内流体。随主分布器直径增大，固液两相受到的阻 力减小，流量增大；而纯液体在环隙区受到阻力增大，流量减小。 管束间固含率分布的均匀程度随主分布器有无和直径不同的变化规律，如图 3 一l o 所示。从图中可以看出，无主分布器时管束白j 固含率的标准差明显高于有 萨瓣窿 幽观刚一蕞 = 誊瓣馨 天津大学博士学位论文多相循环换热系统流动特性实验及理论研究 主分布器时。这是由于增加主分布器后，固液两相分支管路的入口由原来两相压 力波动较大的悬浮区变为压力分布均匀的散式流化区，主分布器起到了明显的限 流作用。随主分布器直径减小，管束间固含率的标准差略有降低。这是因为随主 分布器直径减小，主分布器对固液两相的限流作用增加。 幽 圈3 - 9 主分布器直径对管柬中 周含率的影响 f i g3 - 9s o l i dh o l d u pi nd i f f e r e n td i a m e t e r m a i nd i s t r i b u t o r s 圈3 - l o 不同主分布器直径下，管束问固含 率的不均匀度随表观液速的变化规律 f i g3 - 1 0m s o f s o l i dh o l d u pi nd i f f e r e n t d i a l i t e i sa n ds u p e r f i c i a ll i q u i dv e l o c i t y ( 2 2 ) 主分布器直径对下管箱平均固含率的影响 管束中固含率与下管箱平均固含率密切相关。随主分布器直径增加，下管箱 中平均固含率由1 0 左右增加到2 0 以上，增加幅度较大，如表3 1 所示。这 是由于随主分布器直径增加，颗粒循环速率增大，下管箱内表观液速于颗粒循环 速度的相对速度减小，因此下管箱中的固含率增加。 表3 - l 主分布器直径对下管箱平均固含率的影响 t a b l e 3 - 1s o l i dh o l d u pi nd i f f e r e n tm a i nd i a m e t e r ( 2 3 ) 主分布器直径对下管箱静压降的影响 当主分布器直径增大，下管箱床层静压降随之增加，如表3 - 2 所示。这是因 为随主分布器直径增加，固体颗粒循环速率增加，下管箱中固含率增加。 毫8a，至p_o；2呈呈口 第三章多相循环换热系统小试实验研究 表3 - 2 下管箱静压降随表观液速的变化 t a b l e 3 - 2s t a t i cp r e s s u r ed r o pi nd i f f e r e n tl 蛔u i dv e l o c i t y ( 2 4 ) 主分布器直径对预分布器静压降的影响 由表3 - 3 所示可知，在三种不同直径的主分布器的情况下，预分布板静压降 随表观液速的趋势有所不同。主分布器2 和主分布器3 的预分布板静压力随表观 液速的增大而逐渐减小，而主分布器1 的预分布板静压力随流量变化的趋势则是 相反的。主分布器2 和主分布器3 达到相同床高时加入的颗粒比较多，在表观液 速低时易产生堆积，致使预分布板静压力比较高，随着流量的增大，床层的堆积 不断变少，预分布板静压力也逐渐减小。而且液速不断增大，造成下管箱中散式 流化床的固含率降低，虽然也有颗粒循环速率增大的反作用，但床层堆积和流化 床固含率降低的作用处于主导地位。主分布器1 颗粒加入量偏少，床层颗粒堆积 去域减少，随着流量增大颗粒循环速率增大的趋势起主导作用，因此预分布板静 压降不断增大。 表3 - 3 下管箱中板压降随表观液速的变化 t a b l e 3 - 3p l a t ep r e s s u r ed r o pi nd i f f e r e n tl i q u i dv e l o c i t y ( 2 5 ) 主分布器直径对系统静压降的影响 从图3 1 1 所示可以看出，随主分布器直径增加，系统静压降是逐渐增加的， 这主要是由于随主分器的直径增加，固体颗粒的流通量增加，系统内平均固含率 增加。 天津大学博士学位论文多相循环换热系统流动特性实验及理论研究 图3 1 1 不同直径的主分布器下全塔静压降 f i g u r e 3 一l lw h o l ep r e s s u r ed r o pi nd i f f e r e n tm a i nd i s t r i b u t o r s ( 2 6 ) 主分布器直径对下管箱床层高度影响 由图3 - 1 2 可知，在相同表观液速下，主分布器直径越大，床层高度越高。 这是由于随主分布器直径增加，下管箱中的固含率增加，主分布器进口阻力增加， 根据主分布器和环系进出口压力平衡，下管箱中的床层高度增加。 图3 一1 2 主分布器直径对下管箱床层高度影响 f i g u r e3 - 1 2b e dh e i g h ti nd i f f e r e n tm a i bd i s l 3 i b u t o r s ( 3 ) 主分布器轴向位置优化 ( 3 1 ) 主分布器轴向位置对换热管束中固含率影响 主分布器轴向位置变化对管束中固含率影响，如图3 1 3 所示。当主分布器 上提时，管束中固含率增加。由并联管路阻力计算公式可知，纯液相在换热器进 口处受到的阻力增加，固液两相流经主分布器时受到阻力减小，固液两相流量增 加。当换热管束和主分布器沿轴向整体下插时，管束中固含率上升。这是因为随