（化学工程专业论文）汽液固三相流可视化研究及无因次建模.pdf

摘要 汽液固三相循环流化床换热器将循环流态化技术与传热相结合，能够起 到蘸好的防、除垢和强化传热作用，具有广阔的应用前景。然而汽液固三相 流动沸腾系统内部流体运动情况是非常复杂的，因此本文将运用可视化技术 对汽液固三相流化床蒸发器加以研究。 本实验建立了一套汽液固三相自然循环流化床蒸发器，采用透明玻璃管 镀膜加热，其可视化部分包括加热管和循环管。应用c c d 图像测量和处理系 统，并编制了相应的图像处理软件，采用高精度的铂电阻测温传感器对热模 条件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 汽液固三相传热进行了研究，得出了循环流化床中固体颗粒浓度和速度以及 相应的传热效果随热通量和固体颗粒加入量等操作变量的变化规律。 在本文中采用多种固体颗粒进行三相流化床传热情况的研究，考察了不 同颗粒对三相流化床传热效果的影响。但是，目前有关该系统的研究主要集 中在定性分析上，而有关建立模型方面的研究报导很少，而本文对这方面进 行了定量分析，在大量实验的基础上建立了无因次的汽液固三相传热模型， 结果表明模型值与实验值基本一致，最大偏差6 一= 1 0 9 。 关键词：汽液固三相流；沸腾传热；c c d ：固含率；颗粒速度；无因次建模 a b s t r a c t c o m b i n i n gc i r c u l a t i n g f l u i d i z a t i o n t e c h n i q u e w i 廿l b o i l i n g h e a t t r a n s f e r , v a p o r - l i q u i d s o l i d ( v - l s ) c 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 ra n da l s op r e v e n ta n dr e m o v ef o u l i n g i to c c u p i e st h ew i d e a p p l i c a t i o n h o w e v e r , 也em e c h a n i s m so ff l o wa n dh e a tt r a n s f e rr r ec o m p l e x ，i n t h i sp a p e r , av i s u a l i n v e s t i g a t i o no n av a p o r - - l i q u i d - s o l i dt h r e e - - p h a s e n a t u r a l c i r c u l a t i n gt o wb o i l i n gs y s t e mw i l lb ec a r r i e do u t an e w t y p eo fv - l st h r e e p h a s en a t u r a lc i r c u l a t i n gf l o wb o i l i n gs y s t e mi n c l u d i n g h e a t i n gt u b ea n dc i r c u l a t i n gt u b ew a se s t a b l i s h e da se x p e r i m e n ta p p a r a t u s ，w h i c h i sm a d eo fg l a s sp l a t e dw i t ht r a n s p a r e n te l e c t r i c a l l yh e a t i n gf i l m i nt h e 、，_ l s s y s t e m ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，d i s t r i b u t i o n s o fs o l i d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fh e a t t r a n s f e rw e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gt h ec c d m e a s u r i n gs y s t e m ，i m a g ep r o c e s s i n g s o f t w a r e d e v e l o p e db yt i a n j i nu n i v e r s i t ya n dp r e c i s ep l a t i n u mr e s i s t a n c e t r a n s d u c e r s t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec h a r a c t e r so f f l u c t u a t i o nw i t hh e a tf l u xo f t h e a x i a ld i s t r i b u t i o no fs o l i dh o l d u pa n dt h ev e l o c i t yo ft h ep a r t i c l e si nt h es y s t e mi s d r a w n i nt h ee x p e r i m e n t s ，s e v e r a lk i n d so fp a r t i c l e sw e r eu s e di no r d e rt oi n v e s t i g a t e d i f f e r e n ti n f l u e n c eo nt h eh e a tt r a n s f e ro ft h et h r e e p h a s ef l u i d i z e db e do ft h e s e p a r t i c l e s h o w e v e r , t h er e s e a r c ha v a i l a b l ei sm a i n l yq u a l i t a t i v ea n dt h e r ea r eo n l y l i t t l er e p o r t so nm o d e l i n g i nt h i sp a p e r , q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sw a se x p a t i a t e do n a n dd i m e n s i o n l e s sm o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t hv a s te x p e r i m e n td a t a t h er e s u l t s h o w st h a tt h em o d e lv a l u ea n de x p e r i m e n t a lv a l u ea r ec o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r , a n dt h em a x i m u md e v i a t i o ni s 10 9 ， k e yw o r d s ：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 ；b o i l i n gh e a tt r a n s f e r ；c c d ；s o l i d h o l d u p ；s o l i dv e l o c i t y ；d i m e n s i o n l e s sm o d e l i n g ： 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，也不包含为获得苤叠盘鲎或其他教育机构的 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 签字日期：m 多年莎月岬日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤盗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。 ( 保密的学位论支在解密后适用本授权说明) 导师签名：钐支f 阳卞专 签字日期：弘。 年6 月r 7 曰 未诤i 白 一 对月 矿莎 去年 名 ， 凇 湖 文 期 沦 日 位 字 学 签 第一章前言 第一章前言 汽液固三相流是将惰性固体颗粒加入到汽液两相流动沸腾系统中，形成汽液 固三相流，三相流技术不但可以较好地解决换热装置在运行过程中出现的壁面结 垢，还可以强化传热，实现节能、降耗和连续化生产，因而汽液固三相流技术在 石油、化工、能源、动力、轻工等领域具有较为广泛的应用前景。尽管目前人们 已经在理论和工程应用方面对其进行了许多研究，但是对汽液固三相流技术的机 理的了解还不是十分清晰。形成这种局面的状况是由于三相流系统的复杂性以及 在实验研究中，人们无法观察到三相流沸腾系统的内部情况，仅仅是用一般的多 相流测量技术对其行为进行测定和研究，给研究带来了很多的困难。 近年来，研究者开始运用c c d 测试技术对多相流系统进行研究。张利斌【“、 贾丽云【2 】、刘俊杰口l 等分别采用c c d 测试系统对冷模状态下的液固循环流化床 和气液固循环流化床进行了研究，但是这些研究对现在已广泛应用于工业生产中 的汽液固循环流化床的流动特性并未涉及，其研究结果也不能完全推广到汽液固 三相系统。 本文将利用c c d 图像测试系统及白行开发的数据采集系统对汽液固三相自 然循环流化床的流动及传热特性进行研究。主要内容包括以下几部分：综合分析 多相流测试技术，尤其是c c d 技术和数字图像处理技术的研究进展；对镀膜电 加热透明玻璃管汽液固三相自然循环流动沸腾系统，应用c c d 测量和图像处理 系统去拍摄不同操作条件下流化床内的运行状况的图片；利用自行开发的软件系 统对图片进行处理，获得汽液固三相自然循环流化床内的分散相的运行特性数 据，讨论其随操作条件参数的变化规律，并对流化床的传热特性进行了定性和定 量研究，利用获得的实验数据建立无因次汽液固三相流传热模型。这些研究为汽 液固三相循环流化床强化传热和防、除垢技术的工业应用、设计放大以及揭示其 机理提供了有益的借鉴，拓展了其应用领域。 第二二章文献综述与分析 第二章文献综述与分析 2 1 流化床换热器的应用及发展 2 1 1 液固流化床 液固流化床换热器首先在美国 4 ，5 q 、瑞典t 7 , 8 、荷兰1 9 1 0 峰国家进行了研究并 得到应用，研究结果表明：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，可有效除去换热壁面上沉积的污垢，使换热器的传热系数 维持在个可接受的操作范围内而不需停车清垢。 保持液固流化床换热器管束内的稳态操作是流化床换热器设计的关键它要 求管柬内液体流速和固体颗粒分布均匀。k l a r e n l 川提出了一种三箱管式散式流化 床，如图2 1 所示。其中进口段分为液体进口段和固体颗粒分布段，在进口管箱 和颗粒流化段之间设有液体分布板。k a l r e n 1 2 1 设计了一种单根下降管的内循环式 流化床换热器，如图2 ，2 所示，在换热器管柬中央专门设有_ 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。但由于固体颗粒的进出通道数 日不同，这种结构上的不对称性容易带来操作的不稳定性。 图2 - i 三箱管式流化床换热器 f i g u r e2 - 1 s c h e m a t i co f f l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e rw i t ht h r e e - c h a m b e r s k o l l b a e h 和r a u e n b a e h 1 3 在传统的管壳式换热器的基础上进行了相应的结构 改交，设计了如图2 - 3 所示的具有多根下降管的内循环式流化床换热器从而在 一定程度上解决了单根下降管流化床操作的不稳定性问题。 一定程度上解决了单根下降管流化床操作的不稳定性问题。 第二章文献综述与分析 第二章文献综述与分析 2 1 流化床换热器的应用及发展 2 1 1 液固流化床 液固流化床换熟器首先在美国鼬, 6 1 、瑞典【7 ，引、荷兰mo 】等国家进行了研究并 得到应用，研究结果表明：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，可有效除去换热壁面上沉积的污垢，使换热器的传热系数 维持在一个可接受的操作范围内而不需停车清垢。 保持液固流化床换热器管束内的稳态操作是流化床换热器设计的关键，它要 求管束内液体流速和固体颗粒分布均匀。k l a r e n 【l l l 提出了一种三箱管式散式流化 床，如图2 1 所示。其中进口段分为液体进口段和固体颗粒分布段，在进口管箱 和颗粒流化段之间设有液体分布板。k a l r e n 1 2 】设计了一种单根下降管的内循环式 流化床换热器，如图2 2 所示，在换热器管柬中央专门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。但由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。 图2 1 三箱管式流化床换热器 f i g u r e2 - 1 s c h e m a t i co f f l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e rw i t ht h r e e - c h a m b e r s k o l l b a c h 和r a u e n b a c h l l 3 在传统的管壳式换热器的基础上进行了相应的结构 改变，设计了如图2 3 所示的具有多根下降管的内循环式流化床换热器。从而在 一定程度上解决了单根下降管流化床操作的不稳定性问题。 第二章文献综述与分析 二瓤撼 蹲y矽 图2 2 具有单根下降管的 内循环式流化床换熟器 f i g u r e2 - 2s c h e m a t i co f i n n e r c 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 i t hs i n g l ef a l l i n gt u b e 图2 3 具有多根下降管的 内循环式流化床换热器 f i g u r e2 - 3s c h e m a t i co f l n n n r c 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 i t hm u l t i p l ef a l l i n gt u b e 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，k l a r e n l l 4 , 1 5 】又 开发了一种外循环式流化床换热器，如图2 - 4 所示。这种外循环式流化床换热器 的最大优点在于管束内固体颗粒分布较为均匀，系统操作稳定。 1 一 硬体入口：2 一师网；3 一分布板；4 一f 管箱：5 一下管扳：热管； 7 一上管板；8 一上管箱；9 、l o 一液体出口：1 1 旋液分离器；1 2 循环管 图2 - 4 外循环式流化床换热器 一 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i c o f o u t e r c i r c u l a t i n g f l u i d i z e d b e d h e a t e x c h a n g e r 随着流化床换热器的工业应用，研究者们首先对流化床换热器的传热效果与 防、除垢性能进行了较深入和广泛的研究。 r a u t e n b a c h 和k o l l b a c h l l 6 l 从不同角度比较了流化床换热器与普通换热器的 换热性能，发现对较低的表观液速与粘度较大的液体，流化床换热器均能达到较 高的传热系数。k o l l b a c h 还分别给出了各自的传热系数关联式。 m o r i l l 7 】以硫酸钙溶液为工质，对流化床换热器防、除垢性能进行了考察， 第二章文献综述与分析 同时研究了固体颗粒尺寸与加入量对防、除垢性能的影响。其研究结果表明流化 床换热器具有良好的防、除垢性能。 以上所研究讨论的流化床换热器无论形式如何变化，加热管中始终为液固 两相流，所以上述流化床换热器只能称为液固流化床换热器。蒸发沸腾传热在 工业上应用是非常普遍的。沸腾中壁面污垢的形成要比单相换热时严重得多，而 且人们对沸腾传热系数的要求要比单相液体的高得多，因此对在沸腾系统中加入 惰性固体粒子以强化传热并防垢除垢也逐步引起了人们的兴趣。 2 1 2 汽液固三相流化床 2 1 2 1 多相流强化传热和防除垢的研究和发展 多相流防、除垢的研究发展：二十世纪八十年代末到九十年代初，一些研究 者将固体粒子加入到管内两相流动蒸发沸腾系统中，并对固体粒子强化流动沸腾 传热及防除垢效果进行了初步的研究，取得了显著的效果，应用前景十分广阔。 具体研究成果如下： 李修伦和刘绍丛1 1 8 1 较早地在汽液两相流动系统中，加入玻璃球粒子形成气 液固三相流动沸腾系统，并对其传热性能进行了研究。研究表明：与两相流动传 热系数相比，汽液固三相流传热系数提高约两倍，玻璃球粒子的加入还有很好的 防垢效果； 李修伦和闻建平【1 9 】采用铜粒子代替玻璃球，对上述汽液固三相流沸腾传热 过程进行了进一步的研究，发现其强化传热效果大大提高。这主要是因为铜粒子 的密度、导热系数和比热均比玻璃球高所致； 李修伦等 2 0 , 2 1 开发了一种新型的气液固三相循环流化床蒸发器，实现了固体 颗粒的分离和再循环，满足了工业生产的实际需要，得到了国内众多产业部门的 广泛关注。他们以饱和盐卤为工质，采用饱和水蒸汽加热，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 】对上述蒸发器的强化传热和防、除垢性能作了进一步的研究，并 提出了最优工艺参数范围，同时认为固体颗粒对流动沸腾传热过程的强化效果不 仅与其密度、比热、导热系数等物性参数有关，还与工质对颗粒的润湿性能有关。 邹克华f 2 3 】利用电加热系统研究了三相循环流化床的流动沸腾传热和压降， 以烧碱溶液为工质，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，从而也拓宽了汽液固三相循环流化床蒸发器的应用范围； m o i l 等【l 7 】在用于海水加热与浓缩的装置中加入固体颗粒，研究了传热面上 4 第二章文献综述与分析 硫酸钙垢层的清除效果，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。 于志家等1 2 4 在两相流载气蒸发系统中引入固体颗粒，发现不仅可以显著强 化传热，而且壁温及壁面液体过热度明显下降。， 张少峰、陈健生口5 ，2 岛等人以饱和盐卤为工质，研究了刚玉粒子对饱和盐卤蒸 发的强化传热和防、除垢性能，以及自然循环状态下颗粒的强化传热和防、除垢 性能。实验表明：固体粒子在自然循环条件下仍有较好的强化传热和防、除垢效 果。自然循环的操作方式因其能耗低及设备投资少而具有较大的实用价值。 高振楠、贾原媛 2 8 】将汽液固三相流强化传热和防、除垢技术应用到造纸 的黑液蒸发中去，取得了较好的强化传热和防、除垢效果。 李修伦等 2 0 1 1 2 1 】对天津长芦汉沽盐场的年产3 万吨氯化镁卤水蒸发装置与设 备进行了技术改造，取得了连续运行2 5 0 0 余小时而不结垢的运行结果。 刘明言等1 2 9 ，3 0 j 1 1 经过到中药制药厂的广泛调研，发现中药浸取液的浓缩过程 存在挂壁问题，提出了向中药浓缩器中加入生理惰性固体颗粒以解决挂壁问题的 新思路，并与天津中新药业乐仁堂制药厂合作，进行了更年安中药浸取液三相流 化床高效防垢浓缩技术及装置的小试、中试研发。结果表明：该装置可提高传热 系数1 5 2 0 倍，连续运行1 5 天以上无结垢现象。 任斌等【3 2 等将汽液固流化床蒸发器应用于绿茶浓缩过程中。实验表明：采 用玻璃珠作为惰性粒子，工质连续沸腾操作1 2 0 小时以上时蒸发管内壁上仍没有 结垢现象。而在实际生产中，茶汁结垢的情形较为严重，每天均需进行清洗除垢。 以上工作对汽液固三相循环流化床在各种工质和固体颗粒条件下的强化传 热和防、除垢效果研究得较为深入和全面，但对其运动机理尚无准确论述，原因 之一是缺乏对于系统内部流体动力行为的研究，多相流测试技术的发展对于能否 实现这一研究具有重大意义。 2 。1 2 2 循环流化庆流动特性的可视化研究 刘绍从 3 3 】、陈健生等【3 4 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。 贾丽云口5 1 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。并利用该测量系统对冷模( 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 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 第二章文献综述与分析 粒浓度和速度的分布，并对其进行了数值模拟。 姜峰【3 6 】用电荷耦合器件( c c d ) 测量系统对冷模( 多管) 循环流化床和热模( 单 管1 液固循环流化床的两相流动特性进行了研究，系统中采用的c c d 单场测量方 法可用于粒子高速运动情况，测得的颗粒最高运动速度为1 5 m j s ，测量精度高于 奇偶两场的测量精度。 刘明言等 ”】用c c d 系统对热模三相循环流化床进行了研究，得到了颗粒的 浓度分布和汽泡的浓度分布。 2 2 流化床传热机理和模型的研究 2 2 1 汽液两相流动沸腾传热模型 对于汽液两相系统，目前工程上应用较广泛的是双机理模型，即：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。学者们所提出的流动 沸腾传热模型有i 加和模型、渐进模型和强化模型： ( 1 ) 加和模型 加和模型是1 9 5 2 年r o h s e n o w 3 卅首先提出的。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加和，即： a 自，= h “+ h ， ( 2 - 1 ) 式中： 办。流动沸腾传热系数，w m 七k ； 办。池泡核沸腾传热系数，w l - 2 k _ 1 ； 髓液相单独存在时的对流传热系数，w m - 2 k 1 ； 1 9 6 6 年，j c c h e n 3 9 1 在对上式进行改进，提出了被普遍接受的加权加和 模型。他引入对流传热强化因子f 和泡核沸腾抑制因子s ，得到如下数学表达式； 厅m = s h + f h ， ( 2 - 2 ) 上述模型，特别是j c c h e n 提出的加权加和模型，虽然在传热机理上较 笼统，但十分明确她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运行状况的改变而变化。模型 的构思与表达思路的确具有一定的实用性与启发性，预测能力较好，使用方便， 得到广泛的应用。 ( 2 ) 强化模型 强化模型是m m s h a h t 4 0 1 于1 9 7 6 年提出的。其数学形式为： 6 第二章文献综述与分析 h m = e h l ( 2 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规律，但当对流传热和 泡核沸腾传热两种机理的贡献接近时，将造成较大的误差。 ( 3 ) 渐进模型 渐进模型的通式为： 盖= ( s h 6 ) “+ ( 肋 ( 2 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1 3 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 l 4 1 1 以及s t e i n e r 和t a b o r e k 4 2 l 提出，n = 2 或3 。 2 2 - 2 汽液固三相循环流化床沸腾传热机理和模型 目前研究者对汽液固三相流传热机理模型的研究主要是借鉴了汽液两相流 传热机理模型的思路，建立的模型主要是加和模型，迄今为止，已发表的汽液固 三相流化床沸腾传热方面的论文不多，其中取得的重要成果如下。 李修伦等【4 3 】较早进行了三相流沸腾传热研究，以双机理法为基础建立了三 相流动沸腾传热模型，即三相流沸腾传热膜系数是由液固两相流传热和受固体颗 粒影响的泡核沸腾传热组成，表示为： 五m = e h t p + m s h 6 ( 2 - 5 ) 式中： 啊。为液固两相流传热膜系数，按s c h i t t 的液固两相传热膜系数计算； h m 按f o r s t e r 和z u b e r 的泡核沸腾式计算，并由实验数据回归出校正参 数m 。 闻建平等进一步研究了铜粒子对三相流沸腾传热的影响，张利斌【1 9 】提出三 相循环流化床沸腾传热系数计算式； h m ，= 也忍，。+ ( 1 一瓯) e h k + s h 如 ( 2 - 6 ) 式中： 。c 为颗粒团与加热壁面接触面积分率，无因次； 第二章文献综述与分析 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于，无因次： 厅一为颗粒团与壁面之间的传热系数，w m 2 k 。1 ； h i ，为含固体颗粒稀相的液体传热膜系数，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 1 。 邹克华等4 4 1 将两相流动沸腾传热的强化模型和渐进模型加以综合和修正， 并推广到三相流动沸腾传热中，提出如下的传热系数计算式： h j b , = 8 0 h ，+ ( 1 一疋) e k + s h 如 ( 2 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4 5 1 对管内= k n 流动沸腾传热的机理进行研究，提出了- - n 循环流化 床沸腾传热系数h 。计算式为： h 仲2 = 妒h + h j l 2 + 知 ( 2 - 8 ) 式中： h 。为汽液固三相流化床沸腾传热系数，w m 2 k 1 ； h 。为固体颗粒与壁面间的对流传热系数增量，w i t i 2 k - 1 ； h 。为固体颗粒与壁面碰撞引起的液体容积对流传热系数增量， w 1 t i 2 k ： 丸。为无固体颗粒时的流动泡核沸腾传热系数，w 1 t i 。k 。 陈建生对饱和盐卤液体中加入刚玉粒子的三相流动沸腾传热系统进行了 研究，得到如下传热系数计算式： ；2 ：= 陋。h ；+ | i f 汗+ 磕。 ( 2 9 ) 高振楠 4 6 】对麦草浆中加入玻璃球和聚四氟乙烯粒子的情况进行了研究，得 到如下传热系数计算式： 磅= 陵h s + ( 1 一疋溉 3 + 碗，。 ( 2 1 0 ) b a k e r ，a r m s t r o n g 和b e r g o u g n o u 4 7 1 提出气液固三相流系统有因次的传热关 联式： h 妒= = 1 9 7 7 u f 。7 。u g0 0 5 9 d p 。1 。6 ( 2 1 1 ) s u h ，j i n 和k i m 4 8 】提出的气液固三相流有因次的传热关联式为： 第二章文献综述与分析 ”4 ，k 照型型塑兰止噬门“5 ( 2 - 1 2 ) 【 l s i , u l j j 以上三相流传热模型虽然有一定的适用性，但是对于汽液固三相流化床，由 于实际流体运动状态及传热机理的复杂性，影响对流换热的因素有很多，除了流 体流速之外还有流体的物性参数( 比如密度、粘度、比热、导热系数以及固体颗 粒的尺寸等参数) 以及流化床的几何尺寸等，因此很难应用数学分析的方法精确 地求解换热方程组，而由于缺乏坚实的理论支持，线性加和的方法也是难以描述 这种非线性作用机制。在这种情况之下，只能采用实验研究的方法来寻求经验性 的关系式。而相似原理和因次分析法则是处理实验数据、运用实验成果，把握主 要因素、找寻客观规律的重要手段。 2 2 3 无因次模型 以下是- - $ e i 流无因次传热模型的研究进展情况，通过考察气液固和汽固流化 床的无因次准数关联式，发现无因次的传热计算式准确性较高，可以较为真实地 反映传热情况。 王祖武等h 9 】在1 米塔径三相流化床实验基础上，采用因次分析和相似准数 对实验数据进行处理，得到了用相似准数关联的气液一固三相流化床流动特性预 测模型，经比较分析和回归分析表明：h l 的相关性在8 5 以上，具有一定的准 确性，此模型具有较好的预测准确性。 于志家等【5 0 1 通过对自然循环型气液固三相流载气蒸发传热的实验研究，通 过实验数据回归处理，获得了可用于气液固三相流载气蒸发传热计算的经验关联 式： n u = 3 0 0 r e g 。, 。6r e l 。2 8 叫玎6 3 毒 0 2 沼m 作者还利用该式对4 7 0 余组实验数据进行平均回归，偏差为6 。 s h a h t 5 1 1 得出了饱和沸腾的汽液两相流传热系数准数关联式： 粤= ，( c 0 ，b o ，d j ) ( 2 1 4 ) 式中： c o 为对流准数，无因次； b o 为沸腾准数，无因次： 两为弗鲁德常数，无因次： 第二章文献综述与分析 h 佃两相传热系数，w m 2 k ； 该模型的能较好符合实际情况，其误差范围在1 2 6 以内。 z a i d i 5 2 】等人得出的气液固三相流传热系数准数关系式为： n u ：o 0 4 2 r e f o 7 2 。p r ，。8 6 。乃，。晰 ( 2 1 5 ) 其误差在6 以内。 综上所述，前人在对多相循环流化床传热情况建立模型时，很少涉及汽液固 三相流沸腾传热系统无因次模型的研究，而无因次模型大多集中在对汽液两相或 者气液固三相系统的研究上，涉及到汽液固三相流的模型大多是有因次的经验模 型。由于汽液固三相流系统的复杂性，现在人们对它的机理了解尚不清楚，所以 建立的有因次的模型带有明显的经验型，适用范围较窄，且计算式中包含的参数 是否全面、准确，完全取决于提出者的研究水平。 由多参数组成的无因次模型能够反映多因素的组合作用，无因次准数的作用 大小可由其指数值的高低看出，这些指数值是由大量实验数据回归得到的，具有 充实可靠的实际基础；无因次准数是由所研究现象的基本控制微分方程及单值性 条件经无因次化转化后得到的，因此不但有理论依据，而且能够从数学上得到约 束；无因次准数计算式一般以多个具有不同指数的无因次准数之乘积表述，这在 一定程度上易于反映现象的非线性特性。 因此建立汽液固三相流沸腾传热系统的无因次模型非常必要。为此，本文建 立了一套玻璃镀膜加热装置来对三相流系统传热情况进行研究，通过改变不同的 实验参数获得大量第一手传热实验数据。通过理论分析，列出影响三相流系统传 热的参数，通过分析它们的量纲，选定核心物理量，组合成若干无因次准数，建 立无因次准数关系式的形式，接着对获得的实验数据按照上面得到的准数形式进 行组合和对数化，然后对数据进行多元线性回归，就得到各无因次准数的指数。 用得到的关联式模型求得每组传热系数的计算值，通过与传热系数的实验值进行 比较，可以判断模型的适用性。 2 3 多相流测试技术 多相流测试技术1 5 3 , s + 是一门跨多种学科的新兴学科，在多相流动系统中，由 于各相之间的相互作用，其相界面在时间和空间上都有可变性和随机性，流动特 性远比单相流复杂。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 1 0 第二章文献综述与分析 针等；另一类是外置法，主要有压力分布法【5 5 、摄影法、激光多普勒法【56 1 、x 射线法【5 7 】、1 3 射线法等。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。外置法则没有这个问题，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。 2 3 1 激光多普勒测速技术 激光多普勒测速技术( l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t r y ，简称l d v ) 可以测得相 局部运动的瞬时速度，它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。l d v 测量技术具有测量精度高、时间和空间 分辨率高、测量体积小、相应频率快、非接触测量、对流场无干扰等优点【5 9 l 。 激光多普勒测速仪【6 0 6 1j 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 6 “，但其结构复杂、造价昂贵，对使用技术要求较高。研究主要集 中在固含率较低的气固两相系统、液固两相系统和液含率较低的气液两相系统， 近年来，用于气液鼓泡塔系统相速度测量的研究较多，但是用于三相流测试的很 少 6 3 1 。 2 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 m a 【6 4 j 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 r t h e r 和h a r t a g e 6 5 1 采用c c d 摄像机测量循环流化床中气相 输送行为；g b a v c i c 等【66 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，随着数字图像采集与处理技术的飞速发展， 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。 2 3 3 颗粒图像测速技术 颗粒图像测速( 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 i v ) 技术于2 0 世纪9 0 年 代初被应用于多相流系统，是激光技术和数字图象技术的结合 6 7 ，p i v 技术的发 展经历了一个多样而快速的发展演化过程，至今仍处在快速的发展之中。p i v 技 术不仅可以测量三相流化床内部颗粒瞬时速度，还可以测量速度波动、相含率、 气泡大小及分布。a d r i a n l 6 引，b u c l t h a v e l 6 9 1 和g r a n t 7 0 1 等人在不同时期，从不同角 第二章文献综述与分析 度概述了p i v 技术的发展过程。p i v 技术在本质上是图像分析技术的一种，它是 由激光闪斑位移技术 7 l 】发展而来的，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， 然后将图像数据传至计算机进行处理。通过多幅图像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) 则该速度可视为该点的瞬时速度。p i v 在技术的实现衍生出了多种形 式，主要有以下模式： 从示踪粒子播放浓度上分： ( 1 ) 浓度方式一p t v ( p a r t i c l et r a c k i n gv e l o c i t y ) 即粒子跟踪模式： ( 2 ) 浓度方式一p ( p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ) 即粒子成像模式； ( 3 ) 高浓度方式- - l s v ( l a s e rs p e c k l e v e l o c i m e t r y ) 即激光散斑模式。 经过大量的实践摸索后，中粒子浓度( p i v ) 模式以其在测量精度、空间分辨 率、图像处理方法等方面的优势，已经成为粒子浓度和速度测量的主要方式。 2 4 c c d 技术 2 4 1c c d 技术简介 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 7 2 , 7 3 1 即电荷耦合器件，是一种新型的固体成 像器件。其突出特点是以电荷作为信号；其功能是把二维光学信号变成一维视频 信号，并经监视器同步显示出一幅人眼可见的图像。它是由大量独立的光敏元件 组成。光线透过镜头照射到c c d 上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取 决于它所受到的光照强度。当按动快门时，c c d 将各个元件的信息传送到模，数 转换器上，模拟电信号经过模数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定 格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片诞生了。然后图像数据根据不同的需 要以数字信号和视频信号的方式输出。 这种新型光电成像器件于1 9 7 0 年首先在美国研制成功。由于它具有灵敏感 度高、分辨率高、具有理想的“扫描”线性和数字扫描能力、体积小、成本低廉 等优点，因而得到了较为广泛的应用。c h e n 等口4 1 开发了颗粒图像处理系统，经 计算机图像处理系统进行分析，可以得到低浓度下的颗粒浓度分布；李盛彬等1 7 5 j 将彩色线阵c c d 应用于物体尺寸精密测量的研究；w a n g 等【7 6 】采用c c d 技术测 量金属箔片的线性热力学膨胀；c h u 等刚将c c d 应用于医学成像。目前，c c d 技术的发展异常迅速，已在国防、公安、工业、医学、生物、天文、宇航等技术 和科学领域得到广泛应用。 2 第二章文献综述与分析 c c d 器件本身具有许多优点： ( 1 ) c c d 是固体化器件，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长； ( 2 ) 图像畸变小，尺寸重现性好； ( 3 ) 采集频率高，高速度： ( 3 ) 像素超高度集成化及高分辨率； ( 4 ) 光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度和测量精度； ( 5 ) 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。 2 4 2c c d 技术的应用现状及前景 c c d 以它无可比拟的优点，日渐成为现代光电技术和现代测试技术领域中 最有发展前途的技术手段之一。c c d 技术是集光学、电子学、精密机械学及微 计算机技术于一体的综合的新兴技术，应用领域相当广泛。它可应用于：计量检 测、光学信息处理、光谱能量检测、生产过程自动化、军事导航、自动跟踪、侦 察等。 作为一种有效的非接触测量方法，c c d 尺寸检测技术被广泛用于工件尺寸 的在线非接触检测，达到自动控制的目的；c c d 可以用于微细结构、细胞、细 菌、指纹图像等微小物体的观察分析：传真是现代通讯系统不可缺少的手段，用 c c d 作传真机，图文传送速度较快，可以在不到一秒钟内完成一页a 4 稿件的扫 描；把高密度线阵c c d 扫描系统安装在飞机、卫星上。由飞机、卫星完成对地 面的实时的高分辨率的高空摄影；c c d 还可以对汽车牌照进行自动识别，并已 广泛应用于公安交通、存车场警卫监控、高速公路自动收费等领域。伴随着半导 体集成电路工艺的日臻完善，新材料、新型器件结构的不断采用，c c d 技术将 会在航天、空间遥感、工农业、天文、通讯等军、民用方面发挥更大的作用， c c d 技术的应用前景是相当可观的。 2 5 数字图像处理 2 5 1 图像的数字化 直接从观察系统( 输入系统) 获得、未经采样和量化的图像为模拟图像。模 拟图像在空间分布和亮度取值上均为连续分布。将模拟图像转换为离散数字图像 的过程称之为图像的数字化【7 8 ，其工作包括两个方面：取样和量化。所谓取样， 就是将一幅连续图像在空间上分割成m n 个网格，每个网格中的模拟图像的 亮度均值作为该网格的亮度值。取样阵列中的每个网格被命名为象素或像元图， 第二章文献综述与分析 m n 的大小决定了离散图像的空间分辨率。取样使模拟图像在空间上离散化， 但取样点上的图像的亮度值还是某个幅度区间的连续分布。把取样网格点上对应 的亮度连续变换区间转换为单个特定数码的过程，称之为量化( q u a n t i z a t i o n ) ， 如图2 5 所示。量化后的象素点整数值叫图像灰度级( g r a yl e v e l ) ，灰度层次的 多少常用2 n 幂表示，n 越大则图像的密度分辨率越高，图像看上就较为柔和逼 真。一般情况下，n 一- - - 8 ，即图像的灰度为2 5 6 级。 鞋绺爨； ； j 一 瞄 b j 图像荣索“j 懿化 图2 - 5 图像数字化 2 - 5t h en u m e r a l i z a t i o no f i m a g e s 在数字图像处理中，一个最简单和最有用的工具是灰度直方图。该函数概括 了一幅图像的灰度级内容。任何一幅图像的直方图都包括了可观的信息，某些类 型的图像还可由其直方图完全描绘。灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像 中的象素的个数：其横坐标是灰度级，纵