新型流化床换热器的理论与实验研究

青岛理工大学硕士研究生学位论文开题报告论文题目： 新型流化床换热器的理论与实验研究 学 院 环境与市政工程学院 专 业 供热、供燃气、通风及空调工程 学 号 102081404156 研 究 生 隋忠伟 指导教师 郭健翔 开题时间 2011年9月23日 一、课题的来源、研究的目的意义（包括我国应用的前景）、国内外研究现状及水平课题来源：本课题是青岛理工大学与莱芜钢铁集团共同联合开发的针对高炉渣余热回收利用的项目。研究的目的意义：随着经济的持续发展，我国已成为世界第二大能源消费国，能源消费增速超过GDP的增长速度，同时也是污染最严重的国家之一。能源与环境已成为制约我国可持续发展的主要因素，新能源和节能技术的开发是当前非常迫切的任务。我国工业炉中，低温烟气余热资源丰富，是一种具有很高利用价值的二次能源，但缺乏有效的回收利用，这就造成了极大的浪费。利用换热器充分回收燃料燃烧后产生的废气的余热是重要节能途径之一。换热器的种类很多,但如何设计一种高效、体积小、传热好的新型换热器,仍是世界各国工程技术人员的共同愿望。目前，绝大多数换热设备中，在传热壁面上都存在不同程度的结垢，因而增大了热阻，致使传热系数下降，换热器不能正常操作。从研究实践得知：一方面，流化床换热器具有明显的防垢效果，这在很大程度上减少了由于热阻增大而造成的热量损失。另一方面，工业烟气可以在流化床中形成流化状态，并具有湍流扰动，这可以显著的提高换热系数。鉴于上述两方面，我们将流态化技术与金属换热器相结合，研制出利用工业炉烟气废热加热水的气水型流化床换热器，不仅可以回收巨大的热源，而且可以减少环境污染，因此，这一项目具有巨大的经济效益和重大的节能环保意义。国内外研究现状及水平：在工业生产过程中，换热是一个广泛应用于化工、制药、海水淡化、废水处理等工业部门的重要单元操作过程。换热过程中，换热壁面普遍存在着结垢和能耗巨大的问题，特别是在处理易结晶物料以及涉及蒸发工艺的加热过程时，传统换热器不能有效防止换热器壁面上结垢的发生，同时注意到污垢与流体边界层均在毗邻传热表面近处，因此将除垢、防垢与强化边界层传热过程相结合，提高换热管表面抗结垢和传热性能，就成为工业生产中的一个重要问题。早在20世纪70年代，流化床换热技术的研究就集中在美国、瑞典、荷兰和德国等国家发展开来。美国科学家首先把流化床换热器作为盐卤加热器应用于海水淡化和地热水换热的研究。此后荷兰学者把流化床换热器用于海水的多级闪蒸装置中，在20世纪80年代初开始应用于其它工业中。德国在80年代初对流化床换热器在废水蒸发方面开始应用研究。研究者利用流化床技术开发了液固流化床换热器，用来强化传热与防、除垢，取得了明显的效果。流化床换热器己在下列各工业部门中使用:(l)纸浆和造纸。(2)地热能。(3)污水处理。(4)化工和石油化工。在化学工业中，流化床换热器成功地代替常规换热器用于有结垢工况的苛刻条件，操作612个月，其总传热系数甚至不会变差。现在，人们对润滑油脱脂装置使用不结垢的流化床换热器有着浓厚的兴趣。RRautenbach和J.St.Kollbach等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，发现对表观液速较低与粘度较大的液体，流化床换热器均能达到较高的传热系数。他们还分别总结出了各自的传热系数关联式。J.St.Kollbach和J.A.M.Meijer还以饱和硫酸钙溶液为工质，对流化床换热器防、除垢性能进行了考察，同时研究了固体颗粒尺寸与加入量对防、除垢性能的影响。他们的研究结果均表明流化床换热器具有良好的防、除垢性能。D.G.Klaren首先提出了由进口段、换热管束、出口段三部分组成的流化床换热器，他将进口段分为液体分布段和固体颗粒分布段，采用多孔板作液体分布板，同时通过在换热管延伸段开边孔以促进固体颗粒的均匀分布。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，D.G.Klaren在90年代又开发了外循环流化床换热器。J.St.Kollbach和J.A.M.Meijer在传统的管壳式换热器的基础上进行了相应的结构改变，设计了具有多根下降管的内循环式流化床换热器.近年来，流化床换热器的研究和应用受到了国内学术界和产业界的广泛重视，其主要原因是流化床换热器不仅能在线防垢而且还能强化传热。天津大学李修伦等将玻璃球颗粒加入到气液两相流动沸腾系统中，并对其强化传热性能进行了研究。在天津汉沽盐场建立了一套千吨级中式装置，实验结果表明，相同装置的总传热系数比汽液两相流时增加了2.58倍，大大延长了洗罐周期。河北工业大学张少峰研究了固体颗粒在蒸发装置中的防、除垢机理，并在河南郸城金丹乳酸实业公司尝试进行了工业化应用。中南工业大学吴若琼等探讨了多相流蒸发在氧化铝蒸发中的应用可能性。国内一些部门也开展了这方面的研究工作，首先提出了把流化床换热器应用到炼油厂润滑油生产装置中代替刮刀式结晶器。二、试验研究的主要内容、方案和准备采取的措施1. 课题调研和相关资料的收集2. 技术基础研究主要包括换热器的换热机理、稠密气固两相流的传热传质机理、气固两相流的测试手段及其原理、高温气体的热回收方式这四个方面的技术基础研究。3. 化床换热器结构：在流化床试验台里布置气水换热器。根据收集资料和物料的本研究在国内外研究的基础上，提出利用流化床换热器回收工业高温烟气余热的技术方案。由于普通换热器管道烟气侧的换热系数远远小于液体介质侧的换热系数,这使换热器的综合换热系数不大，传热效果不好。本研究将流化床技术与换热器相结合并加以运用，提出一种新型的流物理化学参数，工业废气、烟气在流化床中形成流化状态，并与换热器管道充分接触，期间伴有强烈的湍流扰动，这大大提高了换热效果，提高了换热系数。 4. 建立传热传质模型流化床内气固两相流分为密相区和稀相区，采用EULERIAN双流体模型，对于浓相气固两相流，不仅要考虑到炉渣颗粒对空气和空气对炉渣颗粒的作用，同时也要考虑到颗粒之间的碰撞和摩擦作用对颗粒浓度分布的影响，考虑以上因素模拟床体内颗粒和空气的流动情况及温度分布，针对新型流化床换热器内部流场、温度场及传热传质过程进行了数值模拟计算，研究了风速、压力、换热量等参数之间的相互影响和变化规律。5. 流化床内传热传质的实验研究针对数值计算的边界条件和初始条件，利用以上建立的流化床试验台进行实验研究，来验证数值计算的准确程度。并在理论计算和实验研究的基础上，对该流化床结构及整个换热系统进行结构和技术的改进。三、已进行的科研工作基础和已具备的科学研究条件（包括在那个实验室进行试验，主要的仪器设备），对其他单位的协作要求。已进行的科研工作基础：1、阅读了与本课题相关的论文资料，对该课题的理论有了初步了解。2、按照本课题的相关需要，搭建了流化床换热系统试验台。3、完成了相关专业科目的学习，如高等流体力学计算流体力学等。4、根据课题研究的需要，学习了Matlab编程软件、CFD流体计算软件。已具备的科学研究条件：能源与环境技术装备工程研究中心为该科研工作提供了充分的实验研究空间，为搭建流化床实验台创造了良好的基础。该实验室具备各种先进的科研仪器，如美国FLUKE远红外热像仪、LabVIEW动态信号测试系统、安捷伦数据采集系统等，为课题的深入研究和实验提供了必要的工具。四、研究阶段的进度（起迄日期）和要求，以及预期结果。2010.12010.3 搜集与课题相关资料，对课题进行初步了解。2010.42010.8 确定各项设计参数，并进行相关辅助设备的选型。2010.92010.12 进一步完善流体试验台的搭建工作。2011.12011.3 利用计算机进行实验前的模拟，得出模拟数据。2011.42011.7 利用流化床试验台进行相关实验，并用实验所得数据与计算机模拟数据相对比。2011.82011.10 整理实验数据，完成毕业论文。2011.12 毕业论文答辩。五、文献、资料清单（注明资料名称、作者、刊物名称、出版物、页码等）1Schmidthe H. and Klaus G Circulating Particle in a Forced Circulation Evaporator，A Process Avoiding FoulingJ.Chem.Ing.Tech，62(10)，840，19902Rautenbach R.et al. The Fluidized Bed Technique in The Evaporation of Wastewater With Severe Fouling/Sealing PatentialLast Development，Application LimitationsJ.Desalination，8(l-3)，285，19913 Cole L T，Allen C ALiquid Fluidized-bed Heat Exchanger Flow Distribution ModelsICP-1151(Idaho Chemical Programs)，1979.4 Klaren D G, Baillie R EConsider Nonfouling Fluidized Bed Exchangers Hydrocarbon Processing，1989,(7)5 KLaren D G, Halberg HDevelopment of a Multi-stage FlashFluidized Bed Evaporator CEP-1980:41(7)6 叶施仁，俞天兰.液-固流态化换热器结构改进及应用J.化工机械,1998,25(1):31-32.7 闫皓峰,甘永平.新型换热器与传热强化.宇航出版社8 史美中,王中铮.换热器原理与设计.东南大学出版社9 李化治等.流化床换热器的应用.第六界热能热工年会论文10刘吉普,吴金香.管程内循环液固流态化换热技术研究J.湘潭大学学报(自然科学版),1996,18(3):79-84.11贾丽云，液固循环流化床和流化床换热器流动特性的研究.J，天津大学，199812 樊建