液固流化床传热性能实验研究

韩克鑫，孙 靖，谢春刚，尹立辉，王 鑫

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

在石油、化工等生产中会产生大量含有硫酸钠、硝酸钠等多种盐分的废水，采用蒸发结晶法处理只能得到多种盐分结晶的混合物，仍然属于废弃物，甚至是固体污染物。冷却结晶是利用盐分在高温下溶解度大，低温时溶解度小的特点而分离或提纯的方法，通过对较高温度的饱和溶液降温使其析出晶体[1]。冷冻淡化利用溶质的凝固点比水的凝固点低得多的物理特性，使海水或苦咸水中的水先于溶质以固相冰晶态析出，从而得到较纯净的冰晶和浓缩液[2]。在传统冷却结晶和冷冻淡化装置中，传热壁面容易堆积晶垢或冰层，从而使得传热阻力增大，设备出力降低，严重时甚至造成设备不能正常运行。

液固流化床换热器由于颗粒对传热壁面的撞击、刮削作用，具有不易结垢、传热效率高的特点，广泛应用于化工、废水处理、食品加工等领域[3-4]。液固流化床换热器的防除垢功能已经得到大量研究的验证[5-7]。可推断将液固流化床换热器应用于冷却结晶及冷冻淡化，能克服一般冷却结晶和冷冻淡化装置传热系数小、允许温差小、清洗维护频繁、规模不易放大等缺陷。因此，开发设计应用于冷却结晶及冷冻浓缩领域的液固流化床换热器具有重要意义。

液固流化床换热器有非循环式、内循环式、外循环式三种类型[8]。非循环式流化床中颗粒仅在管内悬浮运动，流速固定[9]。内循环式流化床中颗粒在一部分管内上升运动，一部分管内下降运动，流速可在一定范围内调节[10]。外循环式流化床中颗粒在所有管中上升运动，在换热器外固液分离后进行循环利用，流速可以在较大范围内调节[11]。液固流化床换热器的传热系数受几何结构、流速、流体和颗粒物性、颗粒填充量等多方面因素影响[12-14]。特别是应用于冷却结晶及冷冻淡化领域方面，传热系数值的确定缺乏参考依据。

文章利用单管流化床实验台，首先对非循环式液固流化床换热器用于冷冻淡化时的传热性能进行研究，为此类换热器的设计积累经验。内循环式和外循环式液固流化床换热器的传热性能将在后续研究中开展。

1 实验系统及实验过程

1.1 实验系统

单管流化床实验台如图1所示，主要由制冷机、竖直换热管段、循环泵、冷媒泵、循环水箱、固液分离器、加料器及必要的管路、阀门、仪表组成。换热管段采用套管形式，内管内径32 mm、外径38 mm，外管内径65 mm、外径73 mm。冷媒在内外管之间从上到下流动，盐水在内管从下到上流动。实验系统可以进行非循环和外循环两种运行方式。在非循环运行方式下，内管顶部需安装防止颗粒被带出的扩张段。为便于观察管内颗粒的运动和分布情况，换热管段分为长度各1 m的4个部分，各部分之间、换热管段与扩张段之间安装有长度为10 cm的透明段。在固液分离器颗粒循环管的下部设置一段软管，在非循环运行方式下用夹子将软管段夹紧。冷媒泵和循环泵可变频调节流量，所有仪表数据设置远传并自动记录。

图1 单管流化床实验台示意图Fig.1 Schematic diagram of test table of single tube fluidized bed

1.2 珠子添加量

床层空隙率定义为床层中珠子体积之外的空间占床层总体积的比率。分别设置0.88、0.86、0.84、0.82、0.80、0.78、0.76七种空隙率开展研究，对应的珠子添加量分别为3 kg、3.5 kg、4 kg、4.5 kg、5 kg、5.5 kg、6 kg。

1.3 实验过程

在加料器中加入实验所需的一定量珠子(直径4 mm、高4 mm圆柱状，不锈钢材质)，打开软管段的夹子。在循环水箱中加入NaCl质量分数为35 g/kg的盐水。打开冷媒泵，调节冷媒流量至7 m3/h左右。打开循环泵，逐渐提高流速，待加料器中珠子全部运动到软管段下部后用夹子把软管夹紧。继续逐渐提高流速，直到床层膨胀到从最上一个透明段观察到为止。每隔1 s自动记录盐水流量F1，盐水进口温度T1，盐水出口温度T2，盐水入口压力P1，盐水出口压力P2，冷媒流量F2，冷媒进口温度T3，冷媒出口温度T4的数值。为避免盐水过冷后大量冰晶瞬间析出，造成流化床工作的不稳定，在盐水出口温度T2接近理论结冰温度时，在循环水箱中加入冰晶500 g作为结晶核心。待盐水出水管路有冰浆连续产生时结束一次实验。

2 实验结果及分析

2.1 实验数据处理

实验结果的计算采用基本的对流传热换热器计算公式：

(1)

传热面积：A=π·d·l

(2)

=F2·C2(T4-T3)

(3)

式中:T1为盐水进口温度、T2为盐水出口温度、T3为冷媒进口温度、T4为冷媒出口温度、d为内管内径、l为换热段总长度、F1为盐水流量、F2为冷媒流量、C1为盐水比热容、C2为冷媒比热容、h为传热系数。

由于结冰过程释放的是相变潜热，通过盐水温度的变化无法准确计算换热量。因此，公式(3)的计算采用冷媒侧的参数。

2.2 实验过程中传热系数变化规律

图2所示为一个典型实验过程中传热系数的变化规律。可发现传热系数从珠子未膨胀(即光管传热)到珠子充满整个床层的过程中，传热系数由1 500 W/m2·℃左右逐渐增大到5 700 W/m2·℃左右，可见液固流化床用于冷冻淡化时，与光管换热器相比，传热系数可以提高4倍左右。这是由于随着床层的膨胀，珠子对流场的扰动作用从传热管的下部逐步扩展到整个传热管高度。而珠子对流场的扰动作用破坏了光管状态下传热管表面的边界层，使得壁面处的传热阻力降低。在之后的运行过程中传热系数一直在5 700 W/m2·℃上下波动，这是由于换热壁面存在结冰和冰层被珠子撞击破碎的动态过程，当冰层覆盖面积增加时，热阻增大，传热系数降低，当冰层覆盖面积减少时，热阻减小，传热系数增大。

图2 实验过程中传热系数变化规律Fig.2 The change law of heat transfer coefficient in the process of experiment

2.3 不同空隙率传热系数变化规律

如图3所示，在空隙率由0.88逐渐降低到0.76的过程中，传热系数首先迅速增大，然后有所减小，最后再缓慢增大。可以发现传热系数随空隙率的降低不是简单的线性相关关系，这是由于空隙率降低时存在正反两方面的影响。一方面空隙率降低时珠子的填充密度增大，增加了珠子对传热壁面的撞击频率，即单位传热面积、单位时间有更多的珠子与传热壁面相接触，有利于传热系数的提高。另一方面如图4所示，随着空隙率的降低，床层压降增大，表观流速降低，使得珠子的运动速度降低，珠子的运动冲量减小，减小了单个珠子的撞击力度，珠子撞击后的影响范围减小，不利于传热系数的提高。结合图3、图4可以看出，空隙率为0.84时，床层压降适中，且传热系数较大。

图3 不同空隙率传热系数变化规律Fig.3 The change law of heat transfer coefficient with different void fraction

图4 表观流速和压降随珠子添加量的变化规律Fig.4 Variation of apparent velocity and pressure drop with the amount of beads added

3 结论

1)液固流化床用于冷冻淡化时，与光管换热器相比，传热系数可以提高4倍左右。液固流化床中珠子对传热壁面的持续撞击刮削作用，可以防止传热壁面冰层的积累，有利于换热器的稳定运行。

2)传热系数随空隙率的减小经历了迅速增大，然后有所减小，最后再缓慢增大的过程。0.84的空隙率能够使得珠子撞击频率和撞击力度得到合理的搭配，达到较高的传热系数的同时，床层压降适中。