新型流化床换热器的理论与实验研究

1、新型流化床换热器的理论与实验研究学学 院：环境与市政工程学院院：环境与市政工程学院专专 业：供热、供燃气、供暖与通风工程业：供热、供燃气、供暖与通风工程学学 号：号：102081404156研研 究究 生：隋忠伟生：隋忠伟指导教师：郭健翔指导教师：郭健翔开题时间：开题时间：2011年年09月月22日日青岛理工大学硕士研究生开题报告 Fluidized bed heat exchanger主要内容 Fluidized bed heat exchanger课题的来源 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。 Fluidized bed heat exchang

2、er课题研究的意义 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

3、，换热器不能正常操作。 Fluidized bed heat exchanger 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。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。 Fluidized bed heat exchanger国内外研究现状 在工业生产过程中，换热是一个广泛应用于化工、制药

4、、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。 Fluidized bed heat exchanger国内外研究现状 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

5、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。 Fluidized bed heat exchanger国内外研究现状在化学工业中，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。 RRa

6、utenbach和J.St.Kollbach等从不同角度比较了流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。 Fluidized bed heat exchanger国内外研究现状D.G.Klaren首先提出了由进口段、换热首先提出了由进口段、换热管束、出口段三部分组成的流化

7、床换热器，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过在换热管延伸段开边孔以促进固体颗粒的均匀分布。的均匀分布。 Fluidized bed heat exchanger国内外研究现状 为了进一步克服单根下降管流化床换热器操作上的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，不稳定，D.G.Klaren在在90年代又开发了外循环流化床换年代又开发了外循环流化床换热器。热器。 Fluidized bed heat e

8、xchanger国内外研究现状 J.St.Kollbach和和J.A.M.Meijer在传统的管壳式换热器的基础上进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多根下降管的内循环式流化床换热器器. . Fluidized bed heat exchanger国内外研究现状 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。 Fluidized bed heat exchanger国内外研究现状 Fluidized bed heat exchang

9、er主要研究内容及方案1. 2. 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。 Fluidized bed heat exchanger主要研究内容及方案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

10、换热管道充分接触，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。 Fluidized bed heat exchanger主要研究内容及方案 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。 Fluidized bed heat exchanger

11、主要研究内容及方案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。 Fluidized bed heat exchanger科研基础及条件 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。 Fluidized bed heat exchanger科研基础及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