鄭 奇 ，郭改青 ，祁貴生 *，劉有智 ，武曉利 ，高 磊

（1.中北大學(xué)山西省超重力化工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；2.陽煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400）

直接接觸換熱是將高溫流體與低溫流體直接混合的一種換熱方式，這一直接換熱過程與傳統(tǒng)換熱器相比具有更有效的傳熱系數(shù)、沒有表面結(jié)垢、可在低溫差操作等優(yōu)勢?？蓱?yīng)用到以下兩個過程：以傳熱為目的的冷熱流體直接接觸換熱過程和以傳質(zhì)為目的的空氣調(diào)節(jié)增減濕過程[1]。

超重力技術(shù)可強(qiáng)化氣液直接接觸過程，其反應(yīng)過程是在旋轉(zhuǎn)填料床 （實(shí)現(xiàn)超重力技術(shù)的設(shè)備）內(nèi)冷熱流體間直接接觸完成的，高速旋轉(zhuǎn)的填料對液體的強(qiáng)大剪切作用，將液體分割成具有一定線速度的液膜和液滴，降低了液膜厚度，增大了氣液相際接觸面積，從而強(qiáng)化了傳熱和傳質(zhì)過程[2-4]。

我國北京化工大學(xué)、華南理工大學(xué)、中北大學(xué)和國外學(xué)者對旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱性能開展了先驅(qū)性研究。李正林[5]等對定-轉(zhuǎn)子反應(yīng)器傳熱特性進(jìn)行研究，得出該反應(yīng)器換熱關(guān)聯(lián)式；徐春艷[6-7]、李艷[8-11]等在逆流旋轉(zhuǎn)填料床中進(jìn)行傳熱研究，證明了傳熱端效應(yīng)的存在，并驗(yàn)證了傳熱效果，根據(jù)操作參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響推導(dǎo)出傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，所得關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在±15%以內(nèi)；Abhijit Mondal[12]等發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)填料床的換熱效果是傳統(tǒng)換熱器的5～10倍；鄧先和[13-14]、陳海輝[15]等對錯流多級霧化旋轉(zhuǎn)填料床進(jìn)行傳熱性能研究，采用分格計(jì)算對氣液錯流傳熱過程進(jìn)行模擬計(jì)算，建立了氣液傳熱速率方程和計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)錯流旋轉(zhuǎn)填料床強(qiáng)化氣液傳熱的機(jī)理是液滴霧化增加了傳熱面積，但沒有研究傳熱過程中操作參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響。綜上所述，錯流旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱性能研究較少且計(jì)算較為復(fù)雜，研究領(lǐng)域也沒有涉及到熱空氣-冷水體系中不同填料對傳熱系數(shù)的影響。

本文以熱空氣-冷水體系展開氣液直接接觸式換熱實(shí)驗(yàn)，探索在錯流旋轉(zhuǎn)填料床的氣液直接接觸換熱過程中氣體進(jìn)口溫度、超重力因子、氣速和液體噴淋密度對傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，對比同材質(zhì)不同比表面積的絲網(wǎng)填料和亂堆填料對傳熱系數(shù)的影響，推導(dǎo)出關(guān)于超重力因子、氣速、液體噴淋密度、填料比表面積的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，簡化傳熱系數(shù)的計(jì)算，為錯流旋轉(zhuǎn)填料床的直接接觸式換熱以及精餾、吸收、分離、解吸中涉及換熱過程提供理論研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)以錯流旋轉(zhuǎn)填料床作為換熱設(shè)備，錯流旋轉(zhuǎn)填料床規(guī)格為內(nèi)徑30mm，外徑124mm，高度70mm。采用冷水-熱空氣體系，對冷水直接冷卻熱空氣的傳熱過程進(jìn)行探究，對比兩種填料對換熱效果的影響。采用在線溫度檢測儀測定其氣液進(jìn)出口處溫度，通過計(jì)算得出傳熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中操作參數(shù)為：氣體進(jìn)口溫度為25～120℃，液體噴淋密度為1.2～7.1m3/(m2·h)，氣速為 0.09～0.24m/s，超重力因子為7.69～69.25。填料規(guī)格見表1。

表1 填料規(guī)格Table 1 Specifications of packings

1.2 各操作參數(shù)及K的計(jì)算

錯流旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱性能由傳熱系數(shù)K[12]來表征，其計(jì)算公式見式(1)。

式中：Cp-流體的比熱容，kJ/(kg·℃)；A-換熱面積，m2；Δt-冷、熱流體的平均對數(shù)溫度，℃。

超重力因子是轉(zhuǎn)速與半徑的函數(shù)，其計(jì)算公式如式(2)所示。

式中：ω-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，1/s；r-轉(zhuǎn)子半徑，m；N-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，r/min。

液體噴淋密度q是單位時間內(nèi)單位流通截面上液體噴淋的體積，m3/(m2·h)，其計(jì)算如式 (3)所示[17]。

式中：L-液量，m3/h；r1、r2-分別為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑和外徑，m。

氣速是由氣量與填料橫截面積計(jì)算得出，其計(jì)算如式(4)所示[1]。

式中：G-氣量，m3/s。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示。氣體通過空氣加熱器加熱至指定溫度后由錯流旋轉(zhuǎn)填料床的進(jìn)氣口進(jìn)入，在錯流旋轉(zhuǎn)填料床的填料層形成軸流向上的均勻氣流。水從錯流旋轉(zhuǎn)填料床的進(jìn)液口進(jìn)入，通過液體分布器噴出，噴在填料層上，被強(qiáng)大的離心力強(qiáng)制沿徑向作霧化分散。液滴在填料層與空氣經(jīng)過充分接觸，完成氣液兩相間的傳熱傳質(zhì)過程，經(jīng)殼內(nèi)壁匯集到裝置底部的排液口流出，氣體由氣體出口排放到大氣中。在氣體進(jìn)出口和液體進(jìn)出口分別設(shè)置溫度檢測口。

圖1 錯流旋轉(zhuǎn)填料床傳熱實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Experimental flow diagram of heat transfer in cross-flow rotating packed bed

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對傳熱系數(shù)的影響

恒定液體噴淋密度 4.7m3/(m2·h)，氣速 0.24m/s，超重力因子48.09，氣體進(jìn)口溫度對兩種填料傳熱系數(shù)的影響如圖2所示。由圖可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，氣體進(jìn)口溫度對兩種填料傳熱系數(shù)的影響趨勢是一致的，傳熱系數(shù)隨氣體進(jìn)口溫度的增大顯著增大。在熱量傳遞過程中,增大氣體進(jìn)口溫度，氣相溫度高于液相溫度，熱量從氣相向液相傳遞，液相從氣相獲得顯熱又以潛熱的形式由水汽化返回氣相，氣體出口溫度變化平緩，溫差較大，有利于流體之間的傳熱；在質(zhì)量傳遞過程中，增大氣體進(jìn)口溫度的同時相對濕度降低，傳熱后氣體溫度降低濕度增大，氣相水汽分壓低于液相水汽平衡分壓，質(zhì)量由液相向氣相傳遞，此時熱、質(zhì)反向傳遞，因此隨氣體進(jìn)口溫度的增大，傳熱過程中氣體的增濕降溫推動力增大，導(dǎo)致傳熱系數(shù)增大。

圖2 溫度對傳熱系數(shù)K的影響Fig.2 Effect of temperature on K

絲網(wǎng)填料的傳熱性能優(yōu)于亂堆填料，這是因?yàn)榻z網(wǎng)填料具有較高的比表面積，能更好地捕集細(xì)小的液滴，使氣液充分接觸換熱。在氣體溫度20～80℃時，絲網(wǎng)填料的傳熱系數(shù)約為亂堆填料的2.73～2.87倍，在100～120℃時，絲網(wǎng)填料和亂堆填料的傳熱性能相差不大，絲網(wǎng)填料的傳熱系數(shù)約為亂堆填料的1.18倍，說明在高溫時換熱效果受填料的影響較小，這是因?yàn)闅怏w在100℃以上時，部分水汽化成水蒸氣，液滴減少，填料對液滴的捕捉性能下降，絲網(wǎng)填料不能發(fā)揮其高比表面積的優(yōu)勢，出現(xiàn)兩種填料傳熱系數(shù)接近的現(xiàn)象。為避免水汽化帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，本文選擇氣體進(jìn)口溫度為90℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 超重力因子對傳熱系數(shù)的影響

恒定氣體進(jìn)口溫度90℃，液體噴淋密度4.7m3/(m2·h)，氣速 0.24m/s，超重力因子對兩種填料傳熱系數(shù)的影響如圖3所示。由圖可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，兩種填料的傳熱系數(shù)均隨著超重力因子的增大而緩慢增大。絲網(wǎng)填料的傳熱系數(shù)約為亂堆填料的1.5倍，絲網(wǎng)填料的超重力因子在7.69時的傳熱系數(shù)與亂堆填料的超重力因子在69.25時的傳熱系數(shù)幾乎相同，說明絲網(wǎng)填料在超重力因子較低時也有較好的傳熱效果。

圖3 超重力因子對傳熱系數(shù)K的影響Fig.3 Effect of high gravity factor on K

在超重力因子7.69～58.19時，兩種填料的傳熱性能都平緩增長，這是因?yàn)閮煞N填料均利用其孔隙結(jié)構(gòu)對液體進(jìn)行剪切和離心作用，隨超重力因子的增大，液膜厚度變薄,減少液膜熱阻,液體被剪切成更細(xì)小的液滴，液滴直徑減小，進(jìn)而增大了氣液相際接觸幾率，相際接觸面積增大，同時氣液兩相的相對運(yùn)動速度也提高，增強(qiáng)了傳熱性能。在超重力因子在58.19～69.25時，兩種填料的傳熱性能均變化不大，這是因?yàn)槌亓σ蜃虞^高時，液體被剪切的小液滴不再變化，傳熱效果保持不變。

2.3 液體噴淋密度對傳熱系數(shù)的影響

恒定氣體進(jìn)口溫度90℃，氣速0.24m/s，超重力因子48.09，液體噴淋密度對兩種填料床傳熱系數(shù)的影響如圖4所示。由圖可知，絲網(wǎng)填料與亂堆填料的傳熱性能均隨液體噴淋密度的增大緩慢增大。絲網(wǎng)填料的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于亂堆填料，約為亂堆填料的2.4倍，這是因?yàn)榻z網(wǎng)填料的孔隙率和對液體的捕集性均大于亂堆填料，液體能較好的穿過填料層，在高速旋轉(zhuǎn)的填料層中被剪切成小液滴，較好的潤濕填料層，增強(qiáng)了傳熱性能。亂堆填料的比表面積較小，對液滴的捕集性較低，大部分液體被剪切成小液滴后沒有附著在填料上就被甩到填料層外緣，因此傳熱性能較低且隨液體噴淋密度的增大而增長緩慢。

圖4 液體噴淋密度對傳熱系數(shù)K的影響Fig.4 Effect of liquid spray density on K

2.4 氣速對傳熱系數(shù)的影響

恒定氣體進(jìn)口溫度90℃，液體噴淋密度4.7m3·m-2·h-1，超重力因子 48.09，氣速對兩種填料床傳熱系數(shù)的影響如圖5所示。由圖可知，兩種填料的傳熱系數(shù)均隨氣速的增大而增大，絲網(wǎng)填料的傳熱性能優(yōu)于亂堆填料，約為亂堆填料的1.24～1.54倍。氣速的增大使氣液兩相相對速度增大，增大了氣相湍動程度，減小了氣膜阻力，提高了傳熱性能。

圖5 氣速對傳熱系數(shù)K的影響Fig.5 Effect of gas velocity on K

絲網(wǎng)填料的傳熱性能隨氣速的增大迅速增加，亂堆填料的傳熱性能隨氣速的增大緩慢增加，在較高氣速時，絲網(wǎng)填料的傳熱性能遠(yuǎn)大于亂堆填料，說明絲網(wǎng)填料的傳熱性能受氣速影響較大，這是因?yàn)榻z網(wǎng)填料孔隙率高于亂堆填料，氣體經(jīng)過絲網(wǎng)填料的通道較為復(fù)雜，與附著在絲網(wǎng)填料上的小液滴充分接觸，傳熱效果增長迅速。

2.5 傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

對錯流旋轉(zhuǎn)填料床總傳熱系數(shù)進(jìn)行因次分析[16]，得出式(5)。

式中，A、a、b、c表示待定參數(shù)，A 包括了旋轉(zhuǎn)填料床的設(shè)備結(jié)構(gòu)、填料結(jié)構(gòu)和介質(zhì)特性等影響。Nu為努塞爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)。其中

式中，α為流體的傳熱系數(shù)，u為流體流速，ρ為流體密度，μ為流體粘度，λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)，Cp為流體比熱容，r為錯流旋轉(zhuǎn)填料床半徑。

本實(shí)驗(yàn)過程中壓力相同，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣-水，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)空氣和水的物性變化較小且無液體氣化現(xiàn)象。為方便研究，將式(5)的參數(shù)采用超重力因子β、液體噴淋密度q和氣速u來表示，便于應(yīng)用計(jì)算。則液體傳熱系數(shù)如式(9)所示，氣體傳熱系數(shù)如式(10)所示。

錯流旋轉(zhuǎn)填料床是直接接觸式換熱器，可忽略管內(nèi)污垢熱阻和管壁熱阻，傳熱系數(shù)K可由式(11)表示。

從推導(dǎo)關(guān)聯(lián)式中可得出傳熱系數(shù)K與超重力因子β、液體噴淋密度q、氣速u有關(guān)，實(shí)驗(yàn)還考察不同填料結(jié)構(gòu)對傳熱系數(shù)K的影響，則將式(11)變形為式(12)。

式中：ae為填料的比表面積，m2/m3；通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得待定參數(shù)，擬合結(jié)果如式(13)所示。

擬合所得關(guān)聯(lián)式的R2大于0.99。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，將實(shí)驗(yàn)值和理論值進(jìn)行對比，如圖6所示，其最大誤差小于15%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)式相關(guān)性較好。因此，可認(rèn)為擬合所得關(guān)聯(lián)式能很好地反映錯流旋轉(zhuǎn)填料床的傳熱性能。

圖6 傳熱系數(shù)K實(shí)驗(yàn)值與理論值的對比圖Fig.6 Comparison of experimental value and theoretical value of heat transfer coefficient K

3 結(jié)論

以錯流旋轉(zhuǎn)填料床為換熱設(shè)備，熱空氣-冷水為實(shí)驗(yàn)體系，考察了氣體進(jìn)口溫度、超重力因子、氣速、液體噴淋密度對傳熱系數(shù)的影響，對比了兩種填料的換熱性能，得出如下結(jié)論：

（1）兩種填料的傳熱系數(shù)均隨著氣體進(jìn)口溫度、超重力因子和氣速的增大而增大，隨液體噴淋密度的增大變化不大；在相同實(shí)驗(yàn)條件下，絲網(wǎng)填料的傳熱性能優(yōu)于亂堆填料。

（2）從關(guān)聯(lián)式和實(shí)驗(yàn)可得出，對傳熱系數(shù)的影響為：氣體進(jìn)口溫度＞氣速＞填料比表面積＞超重力因子＞液體噴淋密度；絲網(wǎng)填料的傳熱性能受氣速的影響大于亂堆填料，在相同液體噴淋密度下，絲網(wǎng)填料的傳熱系數(shù)是亂堆填料的2.4倍，絲網(wǎng)填料更適合氣速、液體噴淋密度較大的氣液傳熱過程。

（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得傳熱系數(shù)K，得到錯流旋轉(zhuǎn)填料床傳熱系數(shù)K的關(guān)聯(lián)式為K=1.01β0.21523q0.17997u0.98929ae0.56695， 實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值最大誤差在15%以內(nèi)，擬合度良好。

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