（化工过程机械专业论文）粉体流流动及传热参数耦合特性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文设计并建立粉粒体物料热物性参数测试平台，借助于半无限大物体在恒壁温边 界条件下的传热模型以及无限大平板在恒热流边界条件下的传热模型，分别对3 种不同 粒径规格的复合肥颗粒、2 种分子筛颗粒、以及氟化铝粉末等不同性状的粉粒体物料进 行传热测试及分析，定量描绘出非稳态传热条件下粉粒体床层内部的温度场分布情况， 分析并得出粒径、空隙率等物性参数对非稳态温度场分布的影响。本文选择复合肥颗粒 分别进行增湿处理，测试5 种不同湿度条件下非稳态传热的温度场分布情况，定量得出 湿度对温度场分布的影响。 本文在固体导热理论基础上，建立粉粒体床层内非稳态传热方程，确定适当的边界 条件，结合非稳态温度场分布和表观密度等实验测试数据，对粉粒体床层内的传热方程 进行数值求解，得出粉粒体物料的有效导热系数、有效热扩散系数、表观比热等热物性 参数。在数值模拟计算的基础上，本文详尽地分析温度、湿度、粒径、空隙率等参数对 复合肥颗粒有效热扩散系数和有效导热系数的影响程度，并得出经验关联式。这些工作 为相关粉粒体物料传热特性的研究及工业装置的设计，提供了基础数据和设计指导。 在基础测试和模拟计算的基础上，本文设计并建立一套粉粒体移动床换热器中试装 备。以农业生产中大量使用的复合肥颗粒为实验研究对象，进行粉粒体物料流动参数以 及问壁换热参数的耦合特性研究。通过改变传热板间距、物料流速和换热介质流速等一 系列参数，测试复合肥颗粒移动床进出口温度的变化规律，建立粉粒体自j 壁传热的“两 区”模型，得出复合肥颗粒与波面板间的温度、传热量和传热系数随着这些参数的变化 规律；计算并整理出复合肥颗粒移动床换热器进、出口无因次温度0 、彼克列数乃和 无因次长度的关系算图，利用这些算图可以避免繁杂的数学推算和修正，从中找出 各个特征参数间的关系，为粉体流移动床换热器的设计提供依据。 在对实验参数分析和数据整理的基础上，得出了无因次温度口、毕渥数历、彼克列 数忍、无因次长度s l 和无因次速度v , 吒等特征参数之间的经验关联式，此关联式可 以描述粉体流流动及传热参数的耦合特性，也可很方便地计算各无因次特征参数间的相 互变化关系。 关键词：颗粒介质：流动；热扩散系数；传热系数；移动床 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f g r a n u l a rm e d i u mf l o wa n dh e a tt r a n s f e rp a r a m e t e r s a b s t r a c t e q u i p m e n tu s e dt ot e s tp a r t i c l e st h e r m o - p h y s i c a lp a r a m e t e ri ss e tu p ，w h i c hi sb a s e do n t h et w oh e a tt r a n s f e rm o d e l s ，o n ei ss e m ii n f i n i t es u b s t a n c e sh e a tt r a n s f c rt h e o r yu n d e rt h e c o n s t a n tw a l lt e m p e r a t u r e ，t h eo t h e ri si n f i n i t ep l a t eh e a tt r a n s f e rt h e o r yu n d e rt h ec o n s t a n t h e a tf l o wc o n d i t i o n d i f f e r e n tc h a r a c t e rp a r t i c l e sa r et e s t e da n da n a l y z e d ，i n c l u d i n gc o m p o u n d f e r t i l i z e ro ft h r e ep a r t i c l es i z e s ，z e o l i t eo ft w op a r t i c l es i z e sa n da l u m i n u mf l u o r i d e t h i s a r t i c l eg i v e st h et e m p e r a t u r ef i e l do fp a r t i c l eb e du n d e ru n s t e a d yh e a tt r a n s f e rc o n d i t i o n ，b y a n a l y s i s ，t h ee f f e c t so fp a r t i c l es i z e sa n dp o r o s i t ya n do t h e rp a r t i c l e st h e r m o - p h y s i c a l p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d w et e s tt h et e m p e r a t u r ef i e l do ff i v ed i f f e r e n th u m i d i t y ，a n dg o tt h e h u m i d i t ye f f e c tt ot e m p e r a t u r e b a s eo ns o l i dh e a te o n d u c t i v i t yt h e o r y ，t h i sa r t i c l es e t su ph e a tc o n d u c t i v i t ye q u a t i o n u n d e rb o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h ea p p a r e n tt h e r m a ld i f f u s i v i t ya n dt h ea p p a r e n th e a tc o n d u c t i v i t y a n ds p e c i f i ch e a ta r eo b t a i n e db yn u m e r i c a ls o l m i o n t h i sa r t i c l ea n a l y z e se f f e c td e g r e eo f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya n dp a r t i c l es i z ea n dp o r o s i t y ，e x p e d e n c ef o r m u l a ea r ep r o v i d e d a l lt h e s ew o r kp r o v i d et h eb a s ed a t aa n dd e v i c eg u i d a n c ef o rp a r t i d l eh e a tt r a n s f e rr e s e a r c h a n di n d u s t r ye q u i p m e n t b a s eo nt e s ta n ds i m u l a t i o n , w es e tu pan e w p i l o tw a v e dp l a t ee x c h a n g e r w er e s e a r c h c o m p o u n df e r t i l i z e r sh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c si nt h ee q u i p m e n t u n d e rd i f f e r e n tp l a t e s p a c e sa n dp a r t i c l es p e e d sa n dl i q u i ds p e e d s ，w et e s tt h et e m p e r a t u r ec h a n g el a wo ft h em o v e b e di n l e t sa n dt h eo u t l e t s w es e tu pt w oz o o nm o d e la n dg e tt h ec h a n g el a wo ft h e t e m p e r a t u r ea n dt h eh e a tt r a n s f e rr a t ea n dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h ep a r t i c l es y s t e m a n dt h ew a v e dp l a t e s a b a c so fc o m p o u n df e r t i l i z e ri nt h ew a v e dp l a t ea r ep r o v i d e d ，a n dt h e f o r m u l a ec a nb eu s e dt op r e d i c t 山er e l a t i o n s h i po f d i f f e r e n tp a r a m e t e r s k e y w 6 i d ：p a r t i c l em e d i u m ；f l o w ；t h e r m a ld i f f n s i v i t y ；h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；m o v i n g b e d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 。 作者签名： 2 呐i 】惜 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 抠垄 史多才 上口口7 年，j 月，孕日 大连理工大学硕士学位论文 引言 粉粒体物科由无数颗粒构成，颗粒的大小、分布、结构形态和表面形态等因素是研 究粉粒体性能的基础。工程上常把在常态下以颗粒状态存在的物料，称为粉粒体物料。 粉粒体同人类的生活和生产活动有着极其广泛的联系，并具有重要的作用。 在自然界中，粉粒体是常见的一种物质存在形式，如河沙、粉尘等：在日常生活中， 粉粒体是不可缺少的生活用品，如食盐、米、面粉、洗衣粉等等；在化工、石油化工、 轻工、食品和冶金等工业生产中，粉粒体不仅是重要的原料，也是重要的产品，需要对 大量的粉粒体物料进行加热或冷却处理。 氟化铝的生产中，从锻烧炉和回转炉内出来的氟化铝颗粒，温度大约在5 0 0 6 0 0 ， 为降低包装费用及能量回收，必须将氟化铝颗粒进行降温处理；磷酸一铵的生产中，经 过锻烧炉造粒后的磷铵颗粒，温度大约在8 0 左右，为防止磷铵降温后吸湿结块，在 包装前必须将磷铵冷却至常温；尿基复合肥的生产“1 中，出干燥机的尿基复合肥颗粒的 温度在8 0 左右，为防止吸湿、潮解、粉化并便于包装，有必要对尿基复合肥颗粒冷 却；尿素颗粒的生产过程中，尿素的出料温度在7 0 左右，其温度高于4 5 下包装 储存会产生吸湿、结块和粉化现象，因此也有必要对尿素颗粒进行最终冷却：纯碱的生 产中，为改善工人的劳动条件和劳动强度，降低包装成本，实现机械化包装，从锻烧炉 出来的2 0 0 左右的纯碱粉体必须冷却至1 0 0 以下；催化剂的生产中，焙烧后的分 子筛催化剂温度高达4 5 0 6 0 0 ，需要尽快将其密闭冷却至常温，以防止催化剂颗粒与 空气接触后，在高温下发生化学反应而失效，并便于包装：冷饮的制作中，如豆类，需 将煮熟后的豆类从1 0 0 降温至几度成型固化，以防温度过高而使糕体溶化；其它食品 行业，如巧克力粉、谷物、面粉、砂糖和盐等粉粒体以及冶金行业的煤粉、矿砂等粉粒 体物料都存在加热或冷却的问题。 对于粉粒体物料加热或冷却装备，国内外广泛采用的是流化床和回转炉等方法 流化床的缺点为动力消耗大，易污染空气，产品损耗大，不适用与空气发生化学反 应的粉粒体的加热和冷却，大都以空气为传热介质，使其加热或冷却效果随着季节而变 化，空气排放时需要增设除尘系统，造成其初期投资、操作及维护费用都比较高。回转 炉的缺点为设备结构复杂，维修困难，且占地面积大，动力消耗及设备成本较高，技术 经济指标差，也不同程度地存在二次污染的问题。 粉体流流动及传热参数耦合特性研究 总之，传统的粉粒体物料加热或冷却方法是借助于空气作为换热介质，通过空气与 粉粒体的直接接触的过程中完成能量的传递，存在着投资大，设备能耗高，占地面积大、 运行费用高、换热介质受季节环境的影响较严重等不足之处。 粉粒体之间的传热能力比较低，虽然目前在工业中粉粒体物料的加热和冷却设备较 多，但存在各种不足，因此波面板移动床换热器的开发具有重要的意义”1 。根据大连理 工大学的波面板专利技术研制成的波面换热器在冷却粉粒体方面有很好的效果。 为了更好的对粉粒体在加热或冷却方面进行处理，必须对粉粒体的物性及传热参数 等性质进一步了解。在工程上，有效导热系数、有效热扩散系数，定压比热等是热工计 算中的几个重要的热物性参数，其值是由实验测定的。 对于粉粒体传热特性，许多研究者借用流化床、移动床和固定床韵传热理论，并加 以修正。本文基于波面板移动床的粉体流流动传热本质上是没有气流通过的前题下的气 固流流动传热。颗粒之间彼此密切接触，内部空隙的气体是随着颗粒的移动而被动的运 动，这与固定床和流化床有区别：但当颗粒运动速度为零时，其传热和固定床传热的情 况相似。 目前对粉体流在波面板移动床表面传热及流动的研究及有关粉体流流动及传热参 数耦合特性方面的研究还不够完善。本文以复合肥颗粒、分子筛颗粒及氟化铝粉末为研 究对象，对非稳态温度场进行了研究，得到不同粉粒体非稳态温度场的变化规律，及不 同粒径和空隙率、湿度对非稳态温度场的影响；对不同粉粒体进行了有效热扩散系数、 有效导热系数的测定，进而得出表观比热；以复合肥颗粒为研究对象进行波面换热器的 中试实验，为波面板移动床换热器在更多领域的开发和研制提供一定理论依据。 大连趣工大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 传热机理的研究 研究者在研究粉粒体传热时，借用了流化床、移动床等传热机理。 l e v e n s p i e l 和w a l t o n ”1 提出薄膜模型，认为传热壁面上有一厚度小于颗粒直径的气 膜，流化床和壁面之间的传热的主要热阻存在于传热壁面上一层很薄的气膜内。气膜厚 度不仅取决于流体速度和性质，而且受颗粒的湍动程度的影响。流化床中的传热系数高 是由于颗粒在传热壁面上的激烈运动对气膜起冲刷作用，使得控制传热的气膜减薄。他 们从考虑膜被颗粒冲刷的频率以及按平板上由膜增厚而得出的膜增长率出发，导出在层 流和湍流条件下有效膜厚度的简单公式，并由此计算出床层和壁面的传热系数。该机理 能解释流化床传热效率高并存在最大传热系数，但它无法解释颗粒的热物性对传热有影 响这一事实。 m i c k l e y 和f a i r b a n k s “1 提出小包换热模型，认为可以将流化床中的乳化相看成是由 许多“小包”组成，这些小包在气泡作用下，在换热壁面附近周期地更替，故流化床与 壁面之问的传热速率依赖于这些小包的加热速率及小包同壁面接触频率。小包理论比气 膜理论更接近于实际情况，但小包理论仅考虑乳化相中存在的热阻，而没有考虑传热壁 面上的气膜传热阻力，因此具有片面性。 h a r a k a s 和b e a t t y 。1 在研究作旋转运动的颗粒床中颗粒与平板之间的传热时，引用了 小包换热模型，但他们发现这一理论与他们的结果偏差较大。 w i c k e 和f e t t i n g ”1 进行实验时提出，运动的固体颗粒在传热中起主要作用，同时亦 考虑了通过壁面边界层的热传导”1 。他们认为由固体颗粒扰动使膜的减薄所增加的传热 量是有限的，仅占8 - 1 2 m 。 k u b i e 和b r o u g h t o n 。1 进行流化床传热模型的研究时认为颗粒与壁面的接触时间对传 热有重要的影响，且这个影响在距壁面一个颗粒直径范围内有效。 m u n r o 和a m u n d s o n t t o - l a 等人对移动床和反应器的设计方法进行了介绍，并对颗粒 及流体间的换热问题进行了探讨，得到移动床温度分布的理论解。 a e r v o 和t o d e s “”在进行移动颗粒床和圆柱壁面之间的换热规律的研究时提出热界 层传热热阻和颗粒床层的导热热阻是成比例的。 r a b i n o r i c h 和k l i m e n k o “”在进行移动颗粒床和锥形壁面之间的换热规律的研究时提 出锥角对传热系数有一定影响。 粉体流流动及传热参数耦合特性研究 s c h l u n d e r 、a n t o m i s h 和l u s h c h i k o v n 6 。”等人进行对颗粒床的传热系数及传热研究时 提出，壁面与颗粒之间的介质产生的热阻及壁面与颗粒的接触时间对传热具有重要的影 响。 s c h l u n d e r 和s a b e r s k y “”等人在在进行与平板平行流动的不同颗粒和平板之间对流 传热研究中引出了“两区”模型，且实验结果与“两区”模型比较吻合。他们研究了粒 径、有效导热系数、热扩散系数及加热板长等因素对传热的影响，提出有效气膜厚度为 颗粒直径的1 1 0 。 b o r o d u l y a “”在进行气流通过填充床传热实验中引用了“两区”模型进行处理，也得 出了气膜厚度为颗粒直径的1 1 0 的结论。 b o t t e r i u 和d e s a i 忡圳等人对颗粒表观密度、直径等结构参数对移动床传热的影响进 行了研究。 w e n 和l e v a 1 根据他们提出的热量以传导方式通过一气体层流膜传热，假定层流 膜厚度受固体颗粒沿壁向下运动速度的影响，但这种关联式是纯经验的，而且其将颗粒 间的摩擦因素并入常数项的处理方法也是不恰当的。 w e n d e r 和c o o p e r “”提出的关联式，既不是从传热机理出发，也没有采用因次分析， 而是利用当时发表的实验数据，用连续交错标绘的复杂办法来评价每一个参数对传热的 影响，他们认为这一关联式说明了运动的固体颗粒对传热起很重要的作用，但这种关联 式没有适当的考虑流体性质的影响，会有很大的误差。 秦霁光和屠之龙临1 认为决定流化床与壁面传热的主要阻力是热量由壁面通过气膜 向颗粒的传递，床层内颗粒与气体的热交换主要是在气体分布板上混合区发生，床层中 的颗粒的循环只进行着很微弱的热交换。他们从这一角度出发，忽略颗粒内部温度梯度， 忽略热辐射和壁面第一排与第二排颗粒间的传热，并假定气膜传出热量全部被用来加热 固体颗粒，所得关联式克服上两关联式“3 的缺点，并较上两关联式简单。 对于粉粒体传热特性的研究，前人做了大量的工作。不同的研究者受不同实验条件 的限制，对粉粒体的传热特性的描述提出了各自的假设，不同的传热机理和能量传递模 型所建立的能量方程得出不同的结论，虽然这些结论有的只针对流化床或移动床，但对 我们的研究工作仍具有很大的指导意义。目前较成熟的模型通常可分为均一连续模型、 不连续粒子模型和“两区”模型。 1 1 1 均一连续模型 均一连续模型就是把整个粉粒体系统视为均匀的连续体，即这种模型把粉粒体系统 简化成一个具有均匀热物性的大平板，系统的传热特性只与其表观物性参数有关。系统 大连理工大学硕士学位论文 的传热系数可借助于傅立叶导热理论求解，大小取决于边界条件和初始条件衙“。 b r i n n 等人啪3 在进行光滑长圆管中以接触传热为主的粉粒体传热的实验中，首先提 出他们的实验结果与均一连续模型相符合。 i - i a v a k a s 和b e a t t y 。”在进行平板浸没在旋转颗粒床中的传热实验中发现，在真空条 件下，细小颗粒比较符合均一连续模型。在一定条件下，颗粒的大小对粉粒体的传热有 着显著的影响。 d o n s k o v o ”和k u r o c h k i n 汹1 在进行圆柱传热的实验中发现，在控制圆柱体向粉粒体系 统传热过程中，粉粒体直径的大小起着重要的作用。 具有均匀初始温度的粉粒体系统t j ，壁面温度突变为t w ，其内部温度场的数学模 型为 窑：三娶 ( 1 1 ) 玉2aa r ( o ，t ) = 瓦t ( l ，f ) = 互( 在有限时间内) ( 1 2 ) r o ，0 ) = 正 ( i 3 ) 其解为 警孚= e r r ( 赤) l ( 1 4 ) 瓦一瓦 2 讲 壁温为常数时，传热系数有两种情况： 当接触时间短，温度场没有发展到板边缘时，传热系数为： 口= 嘉砺击= 忑2 而2 ( 1 s ) 当接触时间长，温度场发展到板边缘时，传热系数为： a ：生互 ( 1 6 ) = 一一 1 d j 2s e r n s t 3 4 , 3 5 1 在实验中发现，当接触时间长，颗粒比较细小时，该传热模型与实验符合 的很好。但当接触时间短( 如t 0 is 时) ，这个模型就不适用了，因为此时的粉粒体床 层并不能被视为均一连续模型，其传热系数趋于一个有限的最大值，这个值与颗粒直径 有关，而于粉粒体热物性无关。这说明了粉粒体传热与接触时间长短有密切的关系，不 同阶段的传热机理也不同，于是后来的研究者继续研究，提出了其它的传热模型。 一5 一 粉体流流动及传热参数耦合特性研究 1 1 2 不连续粒子模型 s u l l i v a n 和s a b e r s k y “”在进行与平板平行流动的不同颗粒和平板之间对流传热研究 中提出了不连续粒子模型，并对这种模型的建立提出了以下假设： ( 1 ) 颗粒的导热系数无限大，且均为直径为d 的球形颗粒。 ( 2 ) 颗粒流经加热平板时，规则排列，且在y 方向无限扩展，远离加热平板的颗粒温 度为t 。，不连续粒子模型示意图，如图1 1 所示。 t l ， 翰 _ 厶 。 ：j t = ；二，彭爿y 。j ，r ，一i j j jjjri i f f ，c 妇 尊她制l x 图1 1 不连续粒子模型示意图 f i g1 1 t h es k e t c hm a po f d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ( 3 ) 热量只在相邻的两个颗粒间进行传递，热流率为 叮= 胜瓦 ( 1 7 ) 式中：k 一颗粒与颗粒之间的导热系数，与空隙间介质和颗粒直径有关 t 。一颗粒与颗粒之间的温差 “) 颗粒在x 方向的传热与y 方向的传熟相比可忽略不计。 ( 5 ) 假设加热板和颗粒之间的传热系数和颗粒之间的传热系数相等。 引入无因次变量 口，：孕掣 ( 1 8 ) ( 瓦一乙) 式中：t j 一第j 个颗粒的温度，； 互一壁面温度，： l 一颗粒的初始温度， 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 x k 工= 一m c p v ( 1 - 9 ) 式中：一1 个颗粒的质量，k g 。 g 一颗粒的比热，j k g c y 一颗粒的流速，m s 。 得出的不连续粒子模型的温度场分布为： 1 q ( z ) = p - 2 z 【厶( 2 工) 一，( 2 工) + 2 x l 。( 2 z ) 】 ( 1 1 0 ) 式中：i 一修正的贝塞尔函数。 不连续粒子模型在某种程度上是均一连续模型的发展。当颗粒较细，颗粒与加热板 接触时间较长时，两种模型吻合较好；当颗粒直径较大时，与均一连续模型相比，不连 续粒子模型的结果更好的符合粒子的传热状态。但是在实际情况中，不连续粒子模型的 假设很难实现，因而不可避免的会产生较大的偏差，故研究者们又引入了“两区”模型。 1 1 3 “两区”模型 “两区”模型认为粉体流的传热热阻主要集中在粉粒体的一侧，整个颗粒床层被看 作是具有均匀热物理性质的连续介质，在近壁处受到一层均匀气膜的扰动、传热板与粉 体流之间传热热阻是中央核心区的传热热阻和壁面区热阻之和。两区模型示意图，如图 1 2 所示，该模型比较简单，与实际传热情况符合较好，是目前在流动粉粒体传热领域 被广泛接受的理论模型。 一 一l 1 - i 翠秽一 怒。 ： j 图1 2 两区模型示意图 f i 9 1 2 1 1 1 es k e m h m a po f t w oz e m o d e l 粉体流流动及传热参数耦合特性研究 b a u e r 删在进行无气体通过的固定床传热时，建立了“两区模型”。分别计算出壁 面区和中央核心区的热阻，得出总传热系数的关联式： ! ：上+ 一1 ( 1 1 1 ) o a _ a l 式中：口一总传热系数； 盔一壁面区传热系数； 翻一中央核心区传热系数。 w u n s c h m a n n 。”在进行固定床非稳态实验时，验证了b a u e r 的正确性。当接触时间 小于临界时间时，传热由壁面热阻控制，传热与粉粒体直径有关，与粉粒体物性基本无 关；当接触时间大于临界时间时，传热主要由床层的有效热阻控制，当接触时间进一步 增加时，传热与粉粒体物性有关，与粉粒体直径基本无关。 s c h l u n d d 啪1 给出壁面传热系数的表达式： 口。= t 2 五gi f ，i o + 1 ) 吒+ 1 ) 一1 ( 1 1 2 ) s c h l u n d c r 汹1 考虑了壁面辐射的影响，给出壁面传热系数的表达式： 蠢= 下2 ；t 。i r t i a + 1 ) 1 + 1 ) 一1 + o 0 4 e e ( 急) 4 ( 1 1 3 ) a f g a n 等人1 认为壁面的传热系数主要取决于壁面附近的气膜厚度。 总之，壁面的传热热阻可以简化为一定的等效厚度的空气膜“1 的导热热阻， 表达式如下： 口，= 竺 ( 1 1 4 ) 文献“叮中给出中央核心区传熟系数的解的形式： 伍i = 压瓦i 式中：一短时间解的积分值 ”车业掣盟 0 万 一t 西：一长时间解的积分值。 ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 大连理工大学硕士学位论文 q 22 k d * - - - - = 删 ( 1 1 7 ) b o r o d u l y a 并f l t e p l i t s k i y 等人“”在进行无气流通过的固定床实验的处理时，采用了“两 区”模型，并建立了数学模型，如下： a t , a 2 丁， 言2 町吾。 o x l 。 ( 1 1 8 ) ， 等鸭争h x 1 0 3 时，实际上热量只通过对流传递，即热传导和热辐射部分可忽略不计。 式( 1 3 5 ) 在范围0 s 1 0 1 和0 2 1 1 1 0 6 时，准确性约为3 0 。 文献嘲把气流通过的填充床的传热分为如下几部分：固相的传热；颗粒接触面的传 热：颗粒表面之间的辐射传热( 空隙是气体) ；相邻空隙间的辐射传热( 空隙是气体) ：接 知每+ 虿l - 五s - 8 + 印警( 1 3 6 ) 妒 k g 。 + 拦+ 妒警 ms 7 ， 砉= 万k g 牛+ 妒警 ( 1 s s ) 以y p + 壶“g 一 矿 k 。 砉邓兰 m3 向下运动，可视空气相对颗粒为静止的。 1 3 有效热扩散系数 口：之 ( 1 4 0 ) 以 热扩散率表征物体内部温度趋于一致的能力的大小。物体受热升温过程中，热量沿 途不断地被吸收而使当地温度升高，此过程持续到物体内部各点温度全部相同为止。 一1 3 粉体流流动及传热参数耦合特性研究 在热加工工艺过程中，可以应用不同材料热扩散率的不同来控制工件的质量。如金 属的热扩散率比型砂大几十倍，铸件在金属型中比在砂型中冷却得快，从而得到表面质 量不同的铸件。 1 4 波面板移动床换热器的应用与研究 节能降耗与环境保护是我们国家一项基本国策。我国能源紧缺，严重的制约着经济 及社会的发展。我国的经济社会发展对能源的依赖比发达国家大得多，合理利用现有的 能源已成为促进我国经济发展的措施的重中之重。在工业生产部门中，换热器应用广泛， 特别是在石化企业中，换热器投资高达3 0 4 0 。而波面板移动床换热器就是一种高效、 节能、环保的换热设备，其理论研究及工程应用日趋成熟和完善，兼有管壳式和板式换 热器的综合优点。它既克服了列管换热器换热效率低、体积庞大的缺点，又解决了普通 板式换热器周边密封垫耐高温和高压性能差、易泄漏的缺点，同时，它不受尺寸和形状 的限制。因此，随着工业技术的发展，波面板移动床换热器将在各种工业领域得到广泛 的应用，如化工固体颗粒物料、食品系统、粮食深加工、轻工系统以及催化再生等粉粒 体物料的加热和冷却。 波面移动床换热器比流化床换热器节省投资费用，节约动力消耗费用。近年来波面 固体流冷却器在一些化工厂得到应用，如金陵石化化肥厂o “、四川化工总厂、海南富岛 化肥厂和乌鲁木齐石化总厂实践证明波面换热器无论对新厂的建设和老厂的改造都有 极好的优越性。粉体流移动床换热器很好地解决了大颗粒尿素造粒后温度过高而产生堆 放结块的问题，在其它粉粒体换热方面的工业应用前景非常广阔。国外设计的同类型4 0 万吨年的尿素颗粒化肥厂所用的冷却装置的技术经济指标，如表1 2 所示。 表1 2国外固体流冷却器与流化床冷却装置的技术经济指标 t a b 1 2t h et e e h n i c l ee c o n o m i ci n d e xo f s o l i dp a r i c l ef l o wc o o l e ra n df l u i d i z e db e da b r o a d 波面板移动床换热器，如图1 5 所示，由很多片波面板元件按一定的方式排列成的 波面板束和壳体两部分组成。冷却粉粒体物料时，冷却介质自下而上通过波面板的内流 道，粉粒体依靠重力或振动装置自上而下的从两块波面板的缝隙中通过，整组波面板安 装在一个方箱内，波面板之间有一定的间距以防粉粒体堵塞。 大连理工大学硕士学位论文 图1 5 波面板移动床换热器 f i g1 5 t h ew a v e dp l a t ee x c h a n g e r 波面板板片传热元件内流道呈密闭状，板片内外表面呈波形，冷、热流体通过波形 板片的壁面实现热量的传递。流体在流动过程中的流动方向和速度不断发生变化，使流 体在雷诺数较小的条件下，便可达到湍流状态，而使流动边界层和传热边界层大大减薄， 从而使波面板移动床换热器的传热系数较高。 波面板移动床换热器有很多优点，不破坏颗粒状物料；流体湍流效应好，传热效率 比普通列管式换热器高；布置在板片上的焊点既增强流体的湍动，也增大了传热面的强 度和刚性；金属耗量低；运行可靠，不存在板式换热器周边密封泄漏问题；流道水利半 径小，单位容积传热面积大，结构简单，设备紧凑，占地面积小，没有移动部件，有利 于操作及维修；不需大型辅助设备，动力消耗少，投资、操作费用低；耐腐蚀性能好； 除垢性能好，板内无滞流、旁通、死角或短路现象，板片上的焊点具有自清洁作用；适 用性广泛，可按生产要求设计成各种特殊形式。 前人对波面板移动床换热设备的传热特性及流动进行了研究。文献4 “分析了粉粒 体与壁面间的传热的三种机理，研究和测量了粉粒体在波面板移动床中的传热规律和影 响因素。文献“7 。“等以磷铵作为研究对象进行了粉粒体在波面板移动床中传热方面的研 究，认为波面板移动床的传热模型与两区模型更为相似，提出传热板与粉体流之间传热 热阻是中央核心区的传热热阻和壁面区热阻之和，并通过实验和模拟计算确定了“两区” 模型的修正系数，粉体流移动床换热器的传热系数与传热板的形式、传热板间距、物料 流速、物料颗粒直径及形状等因素密切相关。文献嘲蚓介绍粉粒体波面冷却器冷却器的 结构特点和工艺设计过程，并给出了催化剂分子筛冷却器、磷酸二氨冷却器的设计的例 粉体流流动及传热参数耦合特性研究 子。文献呻1 应用流体中的湍流理论，修正了粉粒体在振动移动波面板移动床换热器中的 能量方程。用能量方程解释了振动移动床传热效果优良的原因，并通过实验结果加以验 证。文献o ”研究了波面板移动床换热器在振动情况下的传热特性。通过研究发现，振动 床传热模型可以用两区模型来表示，振动床的传热系数高于同类情况下移动床的传热系 数。文献畸8 1 采用座标变换的方式研究分析了振动床中颗料物料的运动情况。文献“ 研究了振动对固流体波面换热器传热特性的影响，得出振动床中温度场的温度显优于同 类条件下移动床中温度场，在频率为2 3 6 7 h z 和一定流量下，随着振幅在一定范围内增 大，其壁面传热系数也增大，有利于床层内物料问的传热。文献“”1 用粉粒体传热的两 区模型和微元体能量平衡理论，研究和分析了不同粒径的分子筛催化剂对波面移动床换 热器中各传热系数的影响，得出分子筛催化剂颗粒粒径的大小对壁面传热系数和总传热 系数影响大，而对中央区的传热系数无影响。文献旧1 对型板换热器的传热特性及阻力降 性能等进行了实验研究。通过研究发现型板换热器的传热系数比列管式换热器的传热系 数高5 0 1 0 0 。阻力降值比传统的列管式换热器低，与型板内流体流速的1 4 4 次方成 正比。文献泓1 借助a n s y s 有限元分析软件，针对两种不同结构形式的波面传热板，建 立合理的力学模型，得到了波面板在制造和使用过程中的详细的应力分布情况。 1 5 粉体粒的流动研究 粉粒体的流动模式有如下几种： ( 1 ) “漏斗流”流动有时也称为“核心流动”，如图1 6 所示。 图1 6 贯穿整个料仓的漏斗流 f 螗1 6 t h ef i 玎l e l f o r mf l o wt h r o u g ht h ew h o l es i l o 一般发生在平底的料仓中或带料斗的料仓中，由于这种料斗的斜度太小或斗壁太粗 糙以致颗粒料难以沿着斗壁滑动，颗粒料是通过不流动料堆中的通道到出口的，从出口 大连理工大学硕士学位论文 向上，通道直径逐渐加大。颗粒在料位差压下固结时，物料密实且表现出很差的流动特 性，那么，有效的流动通道卸空物料后，就会形成穿孔或管道，严重可形成料桥或料拱。 ( 2 ) “整体流”，如图1 7 所示，通常发生在带有相当陡峭而光滑的料斗筒仓内， 物料从出口盼全面积上卸出。整体流中，流动通道与辩仓壁或科斗壁是一致的，全部物 料都处于运动状态，并贴着垂直部分的仓壁和收缩的料斗壁滑移。料面高于料斗与圆筒 转折处上面某个l l 缶界距离，料仓垂直部分的物料就可以栓流形式均匀向下运动，这个距 离是物料内摩擦角、料壁摩擦力和料斗斜度的函数。 全鼙物啊孵 仓t 移动 曩一生体蠢 的置- i i 图l ，7 整体流料仓 f i gl 。7 i l l ew h o l ef o r mf l o ws i l o ( 3 ) “扩展型流动”，漏斗流料仓的流动可以通过在料仓尾部连接一个整体流科 斗得到改善。整体流部分将扩展其有效的流动体积把不流动区减到晟小，形成一个不结 拱的可靠卸科条件，该结构可用来改造现有的漏斗流料仓，以防止起拱、穿孔等问题。 j e n i k e 睇1 提出流动函数f f ，认为松散粉粒体的流动取决于密实形成的强度，即 f f ：霉 ( 1 4 1 ) jc 式中：f 一开放屈服强度； 盯一密实最大主应力。 在一定密实应力a 。的作用下，所得开放屈服强度五小的粉粒体，即f f 值大者，粉 体流动性好， 影响粉粒体流动特性的因素还有很多，如粉粒体加料时的冲击、温度和化学变化、 湿度、粒度、振动等。 粉体流流动及传热参数耦合特性研究 j e n i k e 的流动与不流动判据嘲指出，如果粉粒体在流动通道内形成的屈服强度不足 以支撑住流动的堵塞料，那么在流动通道内将产生重力流动，稳定料拱的拱脚上作用着 主应力与料拱的跨距成正比，整体流料仓中流动单元的应力如图1 8 所示。作用在料拱 脚处的主应力可以表示为 ；，_ 上也( 1 4 2 ) 月( 曰) 式中：夕。一物料容积密度； 口一卸料口宽度： ( 口) 一料斗半顶角。的函数，可由图i 9 查得，也可按( 1 4 3 ) 式计算： ( 口) = ( 1 + 面+ 0 0 1 ( 0 5 + 励e( 1 4 3 ) 式中：m = l 时为圆锥形料斗，轴线对称；m = 0 时为楔形料斗，平面对称。 图1 8 整体流料仓中流动单元的应力 f i g1 8 t h ef l o w l ns u e s si nt h ew h o l ef o r mf l o ws i l o 里整万一 ，一 ：磁柏【j，3 朋 与1 辩斗斜度( e x 垂直起) 图1 9 料斗半项角函数h ( f i g1 9 t h eh a l f - a p e x a n g l ef i l l k ：t i o no f h o p p e r 大连理工大学硕士学位论文 j e n i k e 还给出了流动因数历为作用在流动通道上的密实主应力与作用在料拱上的 应力的比值，公式如下， ：s c _ o ) _ o + s i n 8 ) h ( 力 ( 1 4 4 ) “ 2 s i n 0 、7 式中：s ( 口) 一应力函数； 艿 一有效内摩擦角； 咖一壁面摩擦角； 口 一料斗半顶角。 流动函数f f 和流动因数可以表示为如图1 1 0 ，当密实主应力大于临界密实主应 力，位于石线之上，满足流动判据，发生流动；反之，应力不足以引起破坏，将发生起 拱；临界点可用来计算最小的料斗开口尺寸 斗中临再点竹霉耍主暖刀 4 = 肿值 图1 1 0 流动因数与流动函数的关系 f 谵1 1 0 t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e n h e f l o w f a c t o r a n d t h e f l o w 知铆 粉粒体在运动、成堆或从料仓中排料时，由于粒径、颗粒密度、颗粒形状、表面性 状等差异，粉粒体层的组成呈不均质的现象称为偏析。偏析的机理包括细颗粒的渗漏作 用、振动、颗粒的下落轨迹、料堆上的冲撞及安息角的影响等。 为防止偏析，使物料在出口处均匀混合，在加料时，采取能使输入物料重新分布和 能改变内部流动模式的方法，如活动加料管和多头加料管；在卸料时，通过改变流动模 式来减少偏析的发生，尽可能来模仿整体流，如在料斗的卸料口的上方装一个改流体可 以拓宽流动通道，或使用多通道卸料管；另一种改善物料在仓内的流动区域分布的方式， 如b a t e s 改流体，它将物料的流动形式由径向方式改为周向流动的方式。这种改变降低 了径向流动所产生的收缩应力，从而使粉体物料更易于屈服而产生流动，并因此使料斗 内的流动特征得到很好的改善。这种改流体的使用可以在料斗倾角较大、出口尺寸较小 的情况下，获得比传统料斗好得多的卸载效果。 粉体流流动及传热参数耦合特性研究 1 6 本章小结 ( 1 ) 分析了粉粒体的三种传热机理，得出均一连续模型和不连续粒子模型都只能在 一定的条件下描述粉粒体的传热状态，有一定的局限性；“两区”模型的预测结果与实 验测试结果能较好的吻合，与前两种模型相比合理一些。 ( 2 ) 分析了物质内部的导热过程的机理，总结了前人对无气流通过填充床的颗粒的 导热系数的简化模型及关联式。 ( 3 ) 对波面板移动床换热器与国内外其它形式的固流体换热器进行比较，这种换热 器可以解决很多流化床、回转炉的不足带来的问题。 ( 4 ) 对粉粒体在料仓中的流动模式、流动性、流动因素、流动判据以及粉粒体的偏 板和防止方法进行了初步的研究。 大连理工大学硕士学位论文 2 粉粒体非稳态传热及热物性参数研究 为了对不同粉粒体的有效热扩散系数及有效导热系数进行测定。本文分别应用半无 限大物体在恒壁温条件下传热的原理及大平板在恒热流条件下传热的原理，建立了实验 装置。针对复合肥颗粒，将其筛分为3 种不同规格的粉粒体，进行温度场测试，得出粒 径及空隙率对温度场的影响；并将其中质量百分比较大的一种颗粒增湿，分别对五种不 同湿度的复合肥颗粒进行温度场测试，得出了湿度对温度场的影响；根据测得的有效热 扩散系数、有效导热系数和表观密度，可计算出表观比热。同理，对其它几种粉粒体， 包括2 种分子筛颗粒及氟化铝粉末也进行了类似的温度场的测定，并得出相关结论。 2 1 传热模型 本文对具有一定床层厚度的物料的非稳态温度场进行研究，做如下假设： ( 1 ) 采用“两区”模型：粉粒体床层由壁面区和中央区两部分组成。壁面区可看成 一厚度为l 。的气膜，厚度与粉粒体直径有关；中心区可看成均匀的介质。 ( 2 ) 粉粒体中的气体在床层各位置都是均匀的。 ( 3 ) 热量只沿壁面厚度方向传递，横向传递可忽略不计。 ( 4 ) 壁面与粉粒体间，粉粒体与粉粒体之间及空隙问的对流传热和辐射传热都忽略 不计，整个粉粒体床层内的传热简化为热传导。 如图2 1 ，在x = l 处为绝热条件与实际情况不同，但是我们把x = l 处的温度高于初 始温度做为停止计算的判据，即x = l 处的温度在整个传热过程中不发生变化，满足半无 限大物体的传热条件，我们把o x l 的粉粒体层床按半无限大物体来处理。 图2 1“两区”传热模型 f i 9 2 i t h e t w o z o n e m o