傳熱設(shè)備內(nèi)部循環(huán)流態(tài)化節(jié)能技術(shù)

1、第二章 傳熱設(shè)備內(nèi)部循環(huán)流態(tài)化節(jié)能技術(shù) 2.1. 對(duì)流傳熱過程的流態(tài)化強(qiáng)化流態(tài)化傳熱強(qiáng)化流態(tài)化沙粒向上運(yùn)動(dòng)的過程中沙粒并不是沿速度方向做直線運(yùn)動(dòng)，隨機(jī)、頻繁地碰擦傳熱管內(nèi)壁表面，實(shí)現(xiàn)除垢防垢，消除了管內(nèi)的污垢熱阻，極大地提高了傳熱設(shè)備的運(yùn)行效率。對(duì)于無污垢的傳熱管內(nèi)對(duì)流傳熱的熱阻主要在熱邊界層。對(duì)于流態(tài)化傳熱強(qiáng)化的機(jī)理研究應(yīng)該說是不充分的，其認(rèn)識(shí)也遠(yuǎn)未清楚和統(tǒng)一。粗略的解釋比較多5-7的傾向于，湍流中含有異質(zhì)粒子以后產(chǎn)生附加的湍動(dòng)，低頻大渦體使粒子發(fā)生徑向輸運(yùn)，猶如攪拌相仿，有效地?cái)_動(dòng)了熱邊界層，使管內(nèi)流態(tài)化液的徑向溫度分布曲線扁平化，并且截面平均溫度tw提高了，因此，管內(nèi)傳熱膜系數(shù)i得以加大

2、。 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法1溫度計(jì) 2加熱夾套 3流量計(jì) 4流量閥5加沙閥 6冷凝水7加熱蒸汽 8不凝性氣體9 粒子循環(huán)管 10冷卻水圖2.1 傳熱系數(shù)K測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖2.1所示。傳熱管為40×4的不銹鋼管，通冷卻水，通過閥門4調(diào)節(jié)流速，管內(nèi)為流態(tài)化的沙粒。LZB-50玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量其流速，流量計(jì)采用時(shí)間體積法進(jìn)行標(biāo)定修正。管內(nèi)的流態(tài)化沙粒隨著水向上運(yùn)動(dòng)，到頂部出口槽內(nèi)分離沉降下來，經(jīng)回沙管再循環(huán)使用。溫度測(cè)量全部采用0.1度分刻的玻璃管精密溫度計(jì)。管外夾套通加熱蒸汽，夾套高度500mm。傳熱熱量采用管內(nèi)冷卻水得到的熱量計(jì)算。流態(tài)化粒子的體積濃度是采用測(cè)量回沙管的回沙速度，再考

3、慮傳熱管內(nèi)冷卻水的流量計(jì)算得到。每次流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定5分鐘后讀數(shù)記錄數(shù)據(jù)。傳熱系數(shù)與傳熱管內(nèi)的流速、或雷諾數(shù)的關(guān)系由許多研究，得到的曲線或計(jì)算式也較多，而且相互的差別不少，有的甚至是倍數(shù)8。其主要原因可能在于粒子濃度、粒子的性質(zhì)。為此，本次研究中，采用同樣的沙子，分別在（2.4、1.2）不同濃度和不同粒度粗沙、中沙、細(xì)沙分別為6目（約4mm）、8目（約2mm）和12目（約1mm）的條件下進(jìn)行傳熱系數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定。圖2.2 流態(tài)化粒子粒度的影響 流態(tài)化粒子粒度的影響對(duì)流態(tài)化粒子大小與傳熱強(qiáng)化的關(guān)系最早進(jìn)行研究的是1955年Caldas的博士論文9，冷卻水中Dp0.68mm、0.50mm、0.29mm、

4、0.22mm0四種粒度的玻璃珠流態(tài)化的進(jìn)行傳熱系數(shù)測(cè)定，其結(jié)論是粒子愈小傳熱系數(shù)愈高。德國(guó)人Ludolf PLASS Kronberg在1972年的臥式換熱器管內(nèi)試驗(yàn)中，采用Dp12m、25m、40m、70m、120m的五種粒子，得到類似的結(jié)果10。但是，1987年Jochen St Kollbach，W.Dahm R.Rautenbachd的試驗(yàn)結(jié)果不同，是Dp2.2mm的粒子比Dp1.95mm的好8。應(yīng)該說，文獻(xiàn)9 10的試驗(yàn)粒子都是1mm以下的細(xì)粒子，其范圍不夠?qū)?，尤其在傳熱?qiáng)化機(jī)理尚未完全清楚時(shí)推斷到更大的粒子范圍是未必正確。文獻(xiàn)8又是在粒度不同、同時(shí)又密度不同的條件下試驗(yàn)得到的結(jié)果，

5、同樣難以肯定得出把握的結(jié)論。并且，上述文獻(xiàn)的試驗(yàn)粒子對(duì)于污垢自動(dòng)清洗的要求來說太細(xì)，意義不大。為此，進(jìn)行同樣材質(zhì)、相同體積濃度（2.4）、不同粒度的流態(tài)化傳熱系數(shù)試驗(yàn)，其結(jié)果如圖2.2曲線所示：與文獻(xiàn)9,10不同，不是粒子愈細(xì)愈好，而是2mm沙粒表現(xiàn)出較好的傳熱特性，比4mm和1mm的都要好，相比之下大顆粒的沙粒效果比較差，1mm的居中。這是因?yàn)樵谕瑯拥捏w積濃度下，流態(tài)化粒子的顆粒數(shù)反比于粒子直徑的三次方，對(duì)于Dp4mm的粗粒子的顆粒數(shù)只有Dp2mm粒子的1/8，對(duì)熱邊界層擾動(dòng)的頻數(shù)低得多所致。雖然在同樣的體積濃度下，Dp1mm的粒子數(shù)比Dp2mm增加7倍，但是細(xì)粒子的跟隨性很好，幾乎不再有邊

6、界層富集作用，加上單粒子對(duì)熱邊界層的擾動(dòng)強(qiáng)度也弱，總的結(jié)果是不如Dp2mm的中等粒子的傳熱強(qiáng)化效果好。. 流態(tài)化粒子濃度的影響圖2.3 流態(tài)化粒子濃度的影響文獻(xiàn)8介紹了水平管內(nèi)Dp12m120m五種粒度、1.5m/s-3.0m/s四種不同流速條件下流態(tài)化粒子濃度對(duì)傳熱強(qiáng)化的影響曲線，粒子體積濃度在039的寬廣范圍進(jìn)行試驗(yàn)。所有曲線一致表明，在粒子體積濃度分別低于2.56時(shí)，傳熱系數(shù)隨粒度濃度增大而增大，然后逐步下降。由于流態(tài)化粒子濃度既要滿足自動(dòng)清洗防垢的要求，又必須防止過度清洗的管壁保護(hù)膜損壞。后者決定了只能采用低濃度。此外，傳熱管中心區(qū)流速高，而近管壁區(qū)流速慢。按照阻力最小原理，在近管壁區(qū)

7、流態(tài)化的沙粒的體積濃度比中心區(qū)高。這種邊界層富集現(xiàn)象非常有利于的濃度流態(tài)化沙粒對(duì)管內(nèi)熱邊界層的有效擾動(dòng)和滯留層厚度的減小。因此，雖然粒子濃度低，但是對(duì)提高管內(nèi)側(cè)的傳熱膜系數(shù)的作用卻很顯著。這種的濃度沙粒邊界層富集現(xiàn)象影響，在沙粒愈粗、流速愈高時(shí)就愈顯著，影響也愈大。為此，作者在優(yōu)選Dp2mm中等沙粒的基礎(chǔ)上，進(jìn)行2.5以下的低濃度對(duì)比試驗(yàn)。圖2.3的傳熱系數(shù)曲線比較表明，體積濃度2.4%時(shí)顯著高于體積濃度為1.2%時(shí)。其理顯然，在于體積濃度高時(shí)，流態(tài)化粒子對(duì)熱邊界層的擾動(dòng)頻數(shù)比的濃度時(shí)要高。 流速（雷諾數(shù)）的影響 在文獻(xiàn)8列舉的11個(gè)流態(tài)化傳熱學(xué)計(jì)算式中，只有1959年Ruckenstein和

8、Shorr的計(jì)算式是NuP正比與Re負(fù)次冪，其余均是正比與Re正次冪。但是文獻(xiàn)8-10的試驗(yàn)曲線卻都表明，流速（雷諾數(shù)）超過一定值以后，傳熱系數(shù)反而下降。不過，文獻(xiàn)8既沒有表明粒子濃度條件，又粒度、密度均不相同；文獻(xiàn)9沒有表明粒子濃度條件；雖然文獻(xiàn)10表明了粒度濃度相同的條件，但是在低濃度時(shí)彼此難以區(qū)分，并且試驗(yàn)條件是水平傳熱管1.5m/s-3.0m/s的高流速（Re88000166000的高雷諾數(shù)），而傳熱設(shè)備流態(tài)化自動(dòng)清洗應(yīng)用的條件是立式傳熱管、0.25m/s左右的低流速，兩者實(shí)在相差太遠(yuǎn)。為此，作者進(jìn)行自動(dòng)清洗防垢適宜的粒度、低濃度、立式傳熱管的試驗(yàn)測(cè)定。如圖2.2和圖2.3所示，結(jié)果也

9、是流速（雷諾數(shù)）超過一定值以后，傳熱系數(shù)反而下降。因此，對(duì)于運(yùn)行優(yōu)化來說是可以肯定是在較低流速（雷諾數(shù)）下運(yùn)行最好；并且傳熱系數(shù)可以比無粒子時(shí)提高一倍左右。但是，對(duì)于流速（雷諾數(shù)）超過一定值以后傳熱系數(shù)反而下降的機(jī)理應(yīng)該說還不清楚。文獻(xiàn)9解釋為在臨界Re數(shù)以上，系統(tǒng)中的顆粒濃度過低，以致不能破壞流態(tài)化床壁的液膜。這一解釋不好理解，也與作者粒子濃度不變的試驗(yàn)條件相抵觸。參考文獻(xiàn)1 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃J.節(jié)能與環(huán)保，2003，（11）:03102 俞秀民，吳金香.管程內(nèi)循環(huán)液固流態(tài)化高效換熱器研究J.壓力容器，1995，13 (1):33-363 葉施仁,俞天蘭,俞秀民.液固

10、流態(tài)化換熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及應(yīng)用J.化工機(jī)械，1998，25（1）：31324 Klaren Dick Gerrit,Circulating fluidized bed ApparatusP，US:5676201，1997-10-145 顧毓珍.湍流傳熱導(dǎo)論M.上?？萍汲霭嫔?，1964.11,P200,204-2066 M.李伐著，郭天明、謝舜韶譯.流態(tài)化M.科學(xué)出版社，1964.3:240-2417 梁在潮.工程湍流M.華中理工大學(xué)出版社，1999.4:254-2598 Jochen St Kollbach，W.Dahm R.Rautenbach. Continuous Cleaning of H

11、eat Exchanger with Recirculating Fluidized Bed J, Heat Transfer Engineering, 1987, 8(4): 26-329 Caldas,I.Ph.D.thesis, University of Cincinnati,1955.10 Ludolf PLASS Kronberg, Method of Operating a Heat Exchanger p,US3886997,1975,1.32.2. 立式管內(nèi)內(nèi)循環(huán)流態(tài)化傳熱設(shè)備 1出口室 2檔罩3傳熱管 4粒子 5循環(huán)管6清液孔 7均布板 8泡罩 9進(jìn)口底室 圖2.4 內(nèi)循環(huán)

12、流態(tài)化傳熱設(shè)備結(jié)構(gòu)國(guó)家科委列為九五重點(diǎn)推廣計(jì)劃項(xiàng)目管程液固內(nèi)循環(huán)流態(tài)化換熱器技術(shù)的節(jié)水節(jié)能效果顯著 1。然而，在長(zhǎng)期運(yùn)行中發(fā)生底室篩板篩孔的積累性的沙子堵塞問題，堵塞率可以高達(dá)20。為此，用如圖1所示泡罩板替代原篩板2,以此解決篩板篩孔的堵塞問題。可是，按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的泡罩會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的管束流速流態(tài)化不均勻性問題，有個(gè)別傳熱管的流速低于沙子的沉降速度，出現(xiàn)沙子倒流和短時(shí)的快速倒流，導(dǎo)致管壁磨損、平均傳熱溫差減少、實(shí)際流量增大的能耗上升；又有個(gè)別傳熱管的流速會(huì)高于平均流速數(shù)倍，導(dǎo)致粒子的出口跑失問題。管束流態(tài)化的均勻性是流態(tài)化傳熱設(shè)備穩(wěn)定、高效運(yùn)行的關(guān)鍵3 。. 進(jìn)口底室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.1.不均勻性原因

13、分析對(duì)2.4圖所示的內(nèi)循環(huán)流態(tài)化傳熱設(shè)備的管束各管組成的流路的流體阻力比較分析，猶如在進(jìn)口與出口兩端并聯(lián)的電路，管束各傳熱管的結(jié)構(gòu)是完全一樣的，流速嚴(yán)重不均勻的基本原因顯然是泡罩到各管的入口段的阻力不再像原先采用篩板結(jié)構(gòu)時(shí)那樣的均勻性。因?yàn)閺呐菡值礁鞴苁娜肟诙尾粌H流路長(zhǎng)度不同，而且不同部位的粒子含量不同造成流體阻力會(huì)有顯著差別，并且各管入口處的流速方向的影響也顯著。例如，近泡罩周邊的第一圈管的入口處，有較大的水平方向分速度，容易造成流速普遍偏低。因此，必須研制泡罩周圍流態(tài)化均勻性好的泡罩新結(jié)構(gòu)。.2. 均勻性泡罩結(jié)構(gòu)均勻性泡罩結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。位于粒子內(nèi)循環(huán)管的正下方，兩者一一對(duì)應(yīng)。內(nèi)循環(huán)

14、管的下管口與均勻性泡罩的罩蓋之間的距離為60mm 。均勻性泡罩的中心管直徑大小在粒子內(nèi)循環(huán)管的一半以下，并且開設(shè)有水平方向的導(dǎo)沙孔。利用導(dǎo)沙孔內(nèi)噴流出來的液流，將內(nèi)循環(huán)回來的粒子水平方向、順暢均勻地輸運(yùn)到該泡罩周邊區(qū)域。因?yàn)榫鶆蛐耘菡值闹睆?20mm比較大。1導(dǎo)沙孔 2篩孔 3罩蓋 4裙部5大噴流孔6小噴流孔7導(dǎo)流片圖2.5均勻性 泡罩傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的罩蓋沒有篩孔，結(jié)果鄰近內(nèi)循環(huán)管的一圈6根管的流速均太低。造成管內(nèi)普遍偏小。因此，特在小噴流孔外配置有斜向上的導(dǎo)流片，以此來增大向上的分速度。.3. 試驗(yàn)研究因?yàn)榱魉賴?yán)重不均勻的基本原因是泡罩底室的流態(tài)化不均勻性。為此，專門設(shè)計(jì)圖2.2所示的泡罩底室的流

15、態(tài)化均勻性試驗(yàn)系統(tǒng)。底室直徑370mm，泡罩直徑120mm，靜態(tài)沙層厚度分別為50mm、80mm、150mm。通過調(diào)節(jié)閥門控制流量。直接觀測(cè)流態(tài)化沙層上表面高度分布的均勻性來評(píng)價(jià)。全部?jī)?yōu)化試驗(yàn)都在單個(gè)泡罩的最佳流量23.5m3/h的相同條件下進(jìn)行，以便比較。圖2.7. 沙層厚度對(duì)均勻性影響的試驗(yàn)測(cè)量曲線1泡罩流態(tài)化底室 2均勻性泡罩 3循環(huán)水池4循環(huán)水泵 5流量調(diào)節(jié)閥門 6轉(zhuǎn)子流量計(jì)圖2.6 泡罩底室的流態(tài)化均勻性試驗(yàn)系統(tǒng).4.沙層厚度影響 圖2.7.可見,隨著沙層厚度的增加,流態(tài)化沙面高度的均勻性也隨著增加,高差減小?；揪鶆虻淖钚「叨葹?0mm。穩(wěn)定均勻性150mm比80mm的要好。圖2.

16、8. 大小噴流孔導(dǎo)向片的均勻性比較 圖2.9. 導(dǎo)向片斜角優(yōu)化試驗(yàn).5.大小噴流孔的導(dǎo)向片的影響由于流態(tài)化沙層變化的不規(guī)律性和波動(dòng)性，所以均勻性不是幾個(gè)點(diǎn)能清楚、完全、確切表達(dá)的；并且實(shí)測(cè)讀數(shù)是同一點(diǎn)的時(shí)間平均高度，觀測(cè)讀數(shù)時(shí)存在一個(gè)評(píng)價(jià)處理過程，因而很難免有較大誤差。由于罩頂設(shè)計(jì)有導(dǎo)沙孔，罩蓋中心區(qū)部分少沙現(xiàn)象與沙層高度較低現(xiàn)象正是研究者企求的。因此，小噴流孔的導(dǎo)向片對(duì)均勻性的作用比大噴流孔好。結(jié)果如圖2.8.所示.6.導(dǎo)流片的斜角優(yōu)化進(jìn)一步對(duì)小噴流孔導(dǎo)流片的斜角進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。斜角分100、200、300、450四種。結(jié)果如圖2.9.所示，以斜角200的均勻性為最佳.7.泡罩均勻性的操作彈性

17、這種均勻性泡罩適宜的流態(tài)化流量范圍大小對(duì)于工程應(yīng)用很重要。通過試驗(yàn)明確：開始均勻流態(tài)化的最小流速流速為，均勻流態(tài)化的最大流速為，均勻流態(tài)化的最佳流速為。因此，操作彈性范圍為26到11的范圍，最大流量是最小流量的1.5倍。圖2.10. 周向速度分布曲線 圖2.11. 徑向速度分布曲線.8. 整機(jī)均勻性試驗(yàn)上述流態(tài)化底室均勻性的試驗(yàn)研究結(jié)果能否比較好的代表流態(tài)化實(shí)際設(shè)備的均勻性呢？為此，特將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的泡罩進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備高度6米多，有34根直徑38mm的水冷管，其中1根為循環(huán)回沙管。管束冷卻水流速的分布采用色水法觀測(cè)，結(jié)果如圖2.10.和圖2.11.所示?？梢姡?在接近最佳流量點(diǎn)時(shí)，周向速

18、度分布的均勻性與徑向差別不大，徑向速度大小差值為0.05m/s,周向速度差值為0.04m/s。從工業(yè)應(yīng)用的穩(wěn)定性角度要求，最忌諱的是個(gè)別管流速大小的畸低與畸高，前者造成粒子倒流和快速倒流，后者引起粒子的跑失。因此，裝機(jī)試驗(yàn)的速度場(chǎng)應(yīng)該是比較滿意的了。 雖然18m3/h是開始均勻流態(tài)化的最小流量，但是均勻性就差得多。由于噴流孔的噴流速度降低了，距離泡罩較遠(yuǎn)的水冷管的流速就低。反之，也然。 在最佳流量時(shí)圖9的徑向速度分布表明，導(dǎo)流片的最佳斜角還可以比20o 略小一點(diǎn)。.9.阻力特性圖2.12. 泡罩阻力曲線圖在內(nèi)循環(huán)流態(tài)化的傳熱設(shè)備阻力構(gòu)成中，泡罩流態(tài)化底室的阻力占其大部，因此，須進(jìn)行泡罩流態(tài)化底

19、室阻力特性的評(píng)價(jià)測(cè)量。圖2.12.所示的阻力曲線表明，阻力與流量之間為通常的拋物線關(guān)系線，并且最大流量時(shí)在4KPa 左右。參考文獻(xiàn)1 俞秀民，吳金香.管程內(nèi)循環(huán)液固流態(tài)化高效換熱器研究J，壓力容器，1995,13(1):33-362 彭德其，俞秀民，俞天蘭等.傳熱設(shè)備內(nèi)循環(huán)流態(tài)化管內(nèi)自動(dòng)清洗J，清洗世界，2004,20(7):1-53 姜峰，賈麗云，劉明言.液固流化床換熱器中的固體顆粒分布J，化學(xué)工程，2004,32(1):17-19.與外循環(huán)流態(tài)化比較KLAREX公司研制開發(fā)的帶旋液分離器的液固流態(tài)化換熱器，進(jìn)入換熱器的液體被分為兩部分-主體流和控制流體，控制流體用來將流態(tài)化清洗粒子輸送進(jìn)入

20、換熱器*。與內(nèi)循環(huán)流態(tài)化相比，不僅裝置顯然更加復(fù)雜，而且底室的均勻性較差，更重要的是由于旋液分離器的分離效率反比于其半徑，單個(gè)的處理量不大，對(duì)于較大流量的換熱器就需要旋液分離器組，并且一般旋液分離器壁的磨損嚴(yán)重。 *袁文，KLAREX式蒸發(fā)濃縮裝置，醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2000，21（6）244-245 .出口室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.1.跑沙根源分析圖2 .13. 擋沙罩結(jié)構(gòu)原理對(duì)工程應(yīng)用的內(nèi)循環(huán)流態(tài)化設(shè)備進(jìn)行調(diào)查，流態(tài)化跑沙容易發(fā)生在冷卻水使用量最少的午夜以后。但是，此時(shí)出口室的平均流速遠(yuǎn)低于粒子的沉降速度。為了探究其主要根源，作者進(jìn)行了整機(jī)試驗(yàn)研究：由33根外徑38mm、內(nèi)徑32mm的上升管和1根內(nèi)徑3

21、8mm的循環(huán)管組成，管間距50mm。為便于觀測(cè)，采用無頂蓋的敞開式結(jié)構(gòu)。在出口室的上方觀察，當(dāng)流量達(dá)到最大為23/h時(shí)，平均流速為0.24m/s，但是流速最快的管子的噴出液流的比液面，高出40-50mm，有時(shí)甚至高達(dá)70mm。即使不考慮摩擦損失，由動(dòng)能勢(shì)能轉(zhuǎn)換推算，達(dá)到1.19m/s，是平均流速的496；實(shí)測(cè)流速達(dá)到1.35m/s, 為平均流速的563。由于這些快速管的粒子慣性大，可以直接沖到出口式液面隨水流跑失。對(duì)于有頂蓋的流態(tài)化設(shè)備，出口室圓筒部分的高度一般為300350mm,這些快速管的粒子可以直接沖到高度300mm以上加速流的錐形區(qū)而隨水流跑失。因此，流態(tài)化粒子跑失的主要原因是很少數(shù)上

22、升管的流速奇高，對(duì)于采用泡罩板的流態(tài)化底室更容易出現(xiàn)。其次是總體流量較大，這時(shí)快速管的流速更大，粒子更容易沖過高度安全線跑失。流態(tài)化粒子逐漸跑失以后，粒子的體積濃度降低，更加劇了流速的不均勻性，影響正常運(yùn)行的污垢自動(dòng)清洗效率和傳熱效率。.2.擋罩防跑失的結(jié)構(gòu)原理外循環(huán)流態(tài)化2是利用外部的旋液分離器來回收其粒子再循環(huán)利用，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高、磨損嚴(yán)重。也有加大出口室的直徑和高度45，意在擴(kuò)大橫截面積，利用摩擦力，使快速管出來的沙子急劇慢下來，并且又增大高度，使快速管出來的粒子的沖高始終低于高度安全線，避免發(fā)生粒子跑失。但是，這種方法的出口室體積龐大。圖2.14. 擋沙罩的錐角優(yōu)化試驗(yàn)曲線作者提

23、出的是在每根傳熱管的出口端安裝一個(gè)塑料的擋沙罩，結(jié)構(gòu)如圖2.13.所示，使快速管出來的粒子在擋沙罩的作用下改變方向，非常有效地降低粒子的沖高，始終控制在高度安全線以下，杜絕粒子跑失地發(fā)生。.3.擋罩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)因?yàn)槌隹谑业牧魉僦挥袀鳠峁軆?nèi)平均流速的1/3左右。出口室液體對(duì)快速管出來的液流的摩擦力有阻滯作用。因此，要?jiǎng)恿W(xué)模擬擋沙罩的效果就必須考慮這一速度差的影響。為此，模擬試驗(yàn)的出口室的截面面積設(shè)計(jì)得足夠大，以便出口室液體向上的流速基本保持在傳熱管內(nèi)平均流速的1/3左右。優(yōu)化試驗(yàn)的擋沙罩的錐角有90o、120 o、180 o三種，擋沙罩的罩邊沿離傳熱管出口端的高度可以調(diào)節(jié)，擋沙罩的直徑與傳熱

24、管的外徑相同。 試驗(yàn)的方法是傳熱管的流速閥門可調(diào)，粒子的沖高直接觀測(cè)。同時(shí)測(cè)量其阻力特性。.4.擋沙罩錐角優(yōu)化試驗(yàn) 從圖2.14中可以看出，當(dāng)沒有加擋沙罩的時(shí)候，如果水的流速是平均流速的6倍時(shí)，沙粒可以沖高到340mm。這個(gè)高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粒子沖高的安全線高度，這樣就會(huì)出現(xiàn)粒子跑失現(xiàn)象。加了擋沙罩后，流態(tài)化粒子的沖高度顯著下降。最快流速管內(nèi)流速即使達(dá)到平均速度的6倍，沖高度也只有240mm，遠(yuǎn)在沖高安全線以下，不會(huì)出現(xiàn)跑失現(xiàn)象。錐角90度和120度的兩種擋沙罩，擋沙的效果區(qū)別不大，都能起到擋沙的效果，只是120度的擋沙罩稍微好一點(diǎn)。圖2.15. 擋沙罩的高度優(yōu)化試驗(yàn)曲線 圖2.16. 擋沙罩阻力與

25、角度的關(guān)系曲線.5.擋罩出口高度優(yōu)化試驗(yàn) 為了得到擋罩的最優(yōu)高度，選取擋沙效果較好的120度擋沙罩，改變其安裝高度，測(cè)量比較在不同流速下流態(tài)化粒子的沖高，結(jié)果如圖2.15所示。從圖中可以看出：無論安裝的擋沙罩有多高，流態(tài)化粒子的沖高都比沒有加擋沙罩的低很多，都能起到防止跑沙的作用，并且效果區(qū)別不是很大。其中擋沙罩高30mm時(shí)擋沙效果是最好的。.6.擋罩阻力問題從圖2.16中可以看出，當(dāng)沒有擋沙罩的時(shí)候，出口阻力很小。安裝擋沙罩后，阻力明顯增大，并且阻力是隨著流速的增大而增大。比較錐頂角90度和120度的擋沙罩，兩者相差很小，幾乎再測(cè)量誤差范圍以內(nèi)。因此，擋罩的錐形角度影響一般可以不考慮。圖2.

26、17.擋沙罩安裝高度對(duì)阻力的影響考慮到傳熱管出口端的阻力大小直接影響傳熱管內(nèi)流速的高低。為此，研究能否利用擋沙罩的阻力特性改善管束的流速分布的均勻性，特別是抑制快速管的流速其作用的問題。為此，選取擋沙效果最好的錐角120度的擋沙罩做不同安裝高度的阻力特性的試驗(yàn)測(cè)量。其結(jié)果如圖2.17曲線所示：對(duì)處于平均流速的傳熱管，擋沙罩增加的阻力是微小的，在0.02KPa以下，對(duì)流速幾乎無影響；但是，隨著水的速的增大阻力迅速增大，因此對(duì)遠(yuǎn)高于平均流速的快速管帶來的阻力很大，從而起到有效的抑制快速管的流速的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。這種自動(dòng)調(diào)節(jié)作用以其中安裝高度20mm為最大。 .7.擋沙罩的裝機(jī)效果試驗(yàn)l 擋沙效果 擋

27、沙罩在高度為20120mm之間的時(shí)候，都能起到擋沙的效果，而且效果良好，安裝后不再出現(xiàn)跑沙現(xiàn)象。并且發(fā)現(xiàn)不僅能夠防止跑沙，而且各根上升管的流速比以前的更加均勻，具有雙重功能，達(dá)到很好的預(yù)期效果。l 擋罩阻力 在傳熱管高度4000mm的整機(jī)實(shí)驗(yàn)中，加入的沙子為0.051立方米的時(shí)候，擋沙罩的阻力從80-100Pa不等，整個(gè)流態(tài)化設(shè)備的阻力是11520Pa；在加入的沙粒為0.064立方米的時(shí)候，擋沙罩的阻力的阻力90Pa左右，整個(gè)系統(tǒng)的阻力是16630 Pa。因此，擋沙罩阻力不到設(shè)備總阻力的1。參考文獻(xiàn)1 俞秀民，吳金香 管程內(nèi)循環(huán)液固流態(tài)化高效換熱器研究J.壓力容器，1995，13 (1):33

28、-362 Klaren Dick Gerrit,Circulating Fluidized Bed ApparatusP，US:5676201，1997-10-143 彭德其，俞秀民，俞天蘭等傳熱設(shè)備內(nèi)循環(huán)流態(tài)化管內(nèi)自動(dòng)清洗J.清洗世界，2004，20（7）:155 2.3. 立式管外內(nèi)循環(huán)流態(tài)化傳熱設(shè)備 傳熱管內(nèi)污垢在線自動(dòng)清洗技術(shù)比較多，有自轉(zhuǎn)鋼絲螺旋線1、自轉(zhuǎn)塑料扭帶2、自轉(zhuǎn)螺旋齒管3、電廠冷凝器膠球4、自轉(zhuǎn)塑料齒帶5、循環(huán)流態(tài)化6等等，技術(shù)也比較成熟，并且工業(yè)應(yīng)用的綜合效益也比較大。但是，立式傳熱設(shè)備管外的污垢在線清洗技術(shù)的研究者甚少。對(duì)此作者查閱到的文獻(xiàn)中最早的是專利US430062

29、5，屬于穩(wěn)定流態(tài)化床，該技術(shù)存在顯然的缺陷：分布篩板的篩孔容易堵塞，無法修理與更換；下管板與分布板之間的管段污垢不能清洗，依然會(huì)逐步積累及至阻塞甚至堵塞；多管進(jìn)水可以提高流態(tài)化的周向均勻性，卻無法解決徑向的均勻性，外層區(qū)域流速高，會(huì)跑失粒子，靠篩網(wǎng)回收粒子解決；內(nèi)層流態(tài)化不充分、甚至個(gè)別區(qū)域不流態(tài)化，會(huì)引發(fā)早期阻塞的惡果7。專利SU1145236A是周期性用惰性壓縮氣體；劇烈的穩(wěn)定床鼓泡快速清洗；但是不循環(huán)；更不是雙向循環(huán)流動(dòng)8；DD284749A所示的技術(shù)是上下特殊的網(wǎng)孔件，防止粒子泡失；像相機(jī)快門那樣的控制元件使每次形成的氣囊成為穩(wěn)定流帶動(dòng)粒子向上流態(tài)化流動(dòng)清洗，無氣囊的時(shí)段里粒子自然沉降

30、形成兩個(gè)方向的流態(tài)化清洗9，也沒有解決徑向的均勻性問題。因此，至今尚未見有能夠工業(yè)應(yīng)用的立式傳熱管外污垢在線機(jī)械清洗技術(shù)。由于管外污垢得不到及時(shí)清除，不僅運(yùn)行效率低，而且垢下腐蝕導(dǎo)致壽命大大縮短。為此，本節(jié)研究一種換熱器管外水垢雙向循環(huán)流態(tài)化周期清洗。1 殼程進(jìn)口 2布?xì)夤?3壓縮氣體源4閥門 5 差壓計(jì) 6 流量計(jì)7 排氣閥 8 溢水口 圖2.18. 立式管外循環(huán)流態(tài)化傳熱設(shè)備 .雙向循環(huán)流態(tài)化清洗技術(shù)方案雙向循環(huán)流態(tài)化周期清洗技術(shù)的方案如圖2.18.所示。在管外流體內(nèi)添加一定數(shù)量的可以在設(shè)備殼體內(nèi)循環(huán)流動(dòng)固體粒子。在殼體底部通入一定壓力和流量的空氣，經(jīng)過布?xì)夤車娙霘こ?，大量的氣泡不斷浮升?/p>

31、使通氣區(qū)域的兩相混合物密度比尚未通氣的鄰近區(qū)域的液體密度小得多。因此，通氣區(qū)域的氣水混合物向上快速流動(dòng)，其速度顯著地大于清洗粒子的自由沉降速度，隨之一起向上流動(dòng)，形成氣液固三相混合物的流態(tài)化向上劇烈運(yùn)動(dòng)，對(duì)管外壁的污垢產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷和頻繁的撞擊，達(dá)到快速清洗污垢的目的。三相混合物流動(dòng)至設(shè)備頂部后，氣體逸出液面，由排氣口排放出去。尚未通氣的鄰近區(qū)域的流體快速下流，形成殼體內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)。頂部分離出來液固兩相混合物也隨之回流到設(shè)備底部，繼續(xù)參與循環(huán)清洗。. 雙向循環(huán)流態(tài)化動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)由于氣泡的聚合、破碎、液面的逸出分離、氣泡體積大小在向上流動(dòng)過程隨壓力變化的改變等等原因，三相流態(tài)化流動(dòng)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程

32、，管外結(jié)構(gòu)的殼程流道又很復(fù)雜，因此內(nèi)循環(huán)的速度場(chǎng)目前尚無理論計(jì)算方法。但是工程設(shè)計(jì)必須保證通氣區(qū)域向上流動(dòng)的速度大于粒子沉降速度的條件，因此設(shè)計(jì)了圖2.18.所示的模擬試驗(yàn)研究。試驗(yàn)設(shè)備由40根Ø32×3×2200mm管，管間距為40mm等邊三角形排列，每排10根管。為了便于直接觀察年三相流態(tài)化的循環(huán)流動(dòng)狀況并且測(cè)量流動(dòng)速度，試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備底部通入有蘿茨鼓風(fēng)機(jī)來的空氣，氣量大小通過閥門調(diào)節(jié)，流量計(jì)測(cè)量。由差壓計(jì)測(cè)量清洗氣體的壓力。管外流動(dòng)速度場(chǎng)用色水法顯示和測(cè)量。考慮布?xì)夤軆蓚?cè)的管子排列的對(duì)稱性，只測(cè)出布?xì)夤芤粋?cè)三相混合物流動(dòng)的速度場(chǎng)。清洗氣體在液面下2米進(jìn)入，因?yàn)?/p>

33、汽泡的體積在向上浮升運(yùn)動(dòng)中逐漸變大，故對(duì)布?xì)夤芸谏戏礁叨葹?00mm和1080mm的兩個(gè)截面分別測(cè)量速度場(chǎng)，以便研究不同深度（確切說是靜壓）對(duì)流態(tài)化混合物運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)的影響。. 雙向循環(huán)流態(tài)化速度場(chǎng)在試驗(yàn)過程中可以直接觀察到三相流態(tài)化運(yùn)動(dòng)十分劇烈，清洗顆粒實(shí)現(xiàn)預(yù)想的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，能夠并且比較快速、高效清洗管外的人工模擬垢。圖2.19.和圖2.20.為不同高度處兩個(gè)截面向上流動(dòng)的速度場(chǎng)曲線。由圖曲線可以看出： 通入一定壓力和流量的氣體可以使管外的流體向上的流速可以達(dá)到0.4m/s以上，大于清洗粒子的沉降速度0.243m/s,因此三相流態(tài)化能夠帶動(dòng)清洗粒子實(shí)現(xiàn)清洗；圖2.19. 布?xì)夤苌戏?00mm截

34、面?zhèn)揉弲^(qū)域管外流速曲線曲線 圖2.20. 布?xì)夤苌戏?080mm截面?zhèn)揉弲^(qū)域管外流速曲線 在保證能進(jìn)行清洗的條件下，同一截面上不同的位置的流速相差較大，大約在0.30.6m/s變化。這樣容易造成流態(tài)化清洗不均勻。 最小的送氣壓力近似為送氣口處純液體的靜液壓。例如，送氣口為液下2000mm處時(shí)，最小的送氣壓力為19459 pa。當(dāng)送氣壓力更低時(shí)，則氣體流量太少，達(dá)不到三相流態(tài)化速度要求?？紤]最大的壓力是在殼程全部為液體的剛開始送氣時(shí)，因此清洗氣體的供氣壓力就是稍大于殼程液體的靜壓，加上15的裕量克服流動(dòng)阻力。 對(duì)比圖2與圖3的曲線可知，同一位置不同深度截面的氣液混合物流速變化影響不大，因此可以忽

35、略殼體深度對(duì)流態(tài)化速度的影響。 要確保清洗粒子可靠的流態(tài)化，就必須有足夠的氣量來保證流態(tài)化混合物向上流動(dòng)的速度。一根布?xì)夤茏铀蜌鈺r(shí)，在垂直方向的左右兩側(cè)鄰近的各2排列管范圍內(nèi)的混合物上升流動(dòng)速度都顯著超過粒子沉降速度0.24m/s，能夠確保該范圍可靠的三相流態(tài)化向上流動(dòng)清洗。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以是每4列管安排1根布?xì)夤堋?清洗氣量大小與每次清洗的設(shè)備管間面積S大小正比。殼程單位截面積清洗氣體的消耗量V通過試驗(yàn)測(cè)得為每平方米60.6m3/h。由此數(shù)據(jù)可知，此時(shí)每小時(shí)的氣體消耗量是很少的。記殼體內(nèi)徑為D(m)、傳熱管根數(shù)為N、傳熱管外徑為d(m)，則清洗氣體消耗量的工程設(shè)計(jì)計(jì)算式為 V23.8（D2

36、-Nd2） (m3/h)對(duì)于大型設(shè)備則可采用多區(qū)域分組通氣清洗，以免采用大氣源，減少了噪音的污染。例如，直徑Ø1600mm有560根直徑Ø38mm傳熱管的大型設(shè)備，管外清洗時(shí)只需要47.2m3/h的氣量。為了清洗的均勻性，也為了減低氣源的容量供氣能力。可以采用4組布?xì)夤埽瑓^(qū)域間隔送氣的辦法。. 雙向循環(huán)流態(tài)化清洗的粒子及其濃度流態(tài)化的前提是粒子的自由沉降速度必須小于氣液混合物上升流動(dòng)速度。因此，必須依據(jù)上述圖速度分布曲線確定合理的沉降速度。若粒子的沉降速度選擇得太大，則每根送氣管能夠帶動(dòng)鄰近區(qū)域流態(tài)化的范圍就小，清洗需要的耗氣量就大，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中布?xì)夤苁遣贾迷诠荛g，而兩管

37、間的距離在常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)為0.25D,因此一般需要的送氣管數(shù)也多，制造費(fèi)用也高。并且，過大的粒子無法通過傳熱管間區(qū)域，導(dǎo)致清洗失敗。若粒子的沉降速度選擇得太小，則粒子太細(xì)，清洗的速度太慢，也不經(jīng)濟(jì)。因此，綜合分析比較，選擇810目的沙子，其自由沉降速度約0.24m/s。流態(tài)化粒子選擇還需綜合考慮材質(zhì)的硬度和密度及其價(jià)格。河沙、瓷球、塑料顆粒等綜合比較以河沙較好。固體顆粒的數(shù)量也是影響三相流態(tài)化清洗效果的一個(gè)重要因素。如果太少，清洗太慢；如果太多，使得三相流態(tài)化混合物的密度太大，清洗氣體的壓力要求高，就需要采用壓縮機(jī)供氣，成本上升不經(jīng)濟(jì)。并且有可能發(fā)生粒子在管間的局部阻塞淤積，導(dǎo)致清洗失敗。根據(jù)試驗(yàn)

38、測(cè)量可知粒子總體積應(yīng)占管間體積的2%5%為宜。.雙向循環(huán)流態(tài)化清洗的費(fèi)用低廉內(nèi)循環(huán)三相流態(tài)化清洗中型設(shè)備，一般只需兩個(gè)小時(shí)左右，僅需一個(gè)操作人員。清洗氣體壓強(qiáng)低，絕大多數(shù)比較高的立式換熱器的管板間高度只有6000mm，6600pa的氣壓就足夠,可以不要壓縮機(jī)，而由蘿茨鼓風(fēng)機(jī)供氣。以直徑1600mm、高度6000mm的大型設(shè)備為例，按每平方米的管間面積清洗需要60.6m3/h的氣量計(jì)算，清洗2小時(shí)，蘿茨鼓風(fēng)機(jī)的電費(fèi)10多元，加上人員工時(shí)費(fèi)不足100元。因此，清洗費(fèi)用低廉。立式傳熱設(shè)備管外污垢采用該清洗技術(shù)，具有自動(dòng)清洗、在線清洗、操作簡(jiǎn)單、成本低廉、不污染環(huán)節(jié)等優(yōu)勢(shì)，及時(shí)除去污垢，始傳熱設(shè)備終保

39、持高效運(yùn)行，綜合效益很高。. 小結(jié) 分區(qū)切換送氣形成正反方向交替的、雙循環(huán)流動(dòng)的三相流態(tài)化的在線清洗快速、均勻無污染；每根布?xì)夤芸梢詭?dòng)兩側(cè)的兩排傳熱管區(qū)域的流態(tài)化清洗；雙循環(huán)流態(tài)化清洗的氣體量設(shè)計(jì)算式為23.8（D2-Nd2）；雙循環(huán)流態(tài)化清洗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用幾乎不增加，操作方便，清洗費(fèi)用低廉。 參考文獻(xiàn)1 YU Xiumin, YU Tianlan,Wu Jinxiang,et.al.The high efficient self-cleaning technique of self-rotating and vibrating Spiral for heat transfers,Adv

40、ances in heat transfer enhancement and energy conservation,1997,GUANZHOU.CHIANA,SOURH CHINA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY PRESS,429-4332 YU Tianlan, YU Xiumin,PENG Deqi,et.al.Self-Cleaning the fouling from the inside wall of tubes in a vertical water-cooling equipment with plastic twisted tapes,Compact H

41、eat Exchangers and Enhancement Technology for the Process Industries,begell house,inc.1999,503-5062 俞天蘭、彭德其、俞秀民 等.汽輪機(jī)冷凝器自轉(zhuǎn)塑料紐帶自動(dòng)在線連續(xù)除垢防垢技術(shù)研究J.現(xiàn)代化工,2002,(6)3 俞天蘭、俞秀民、支校衡，等.冷凍機(jī)立式水冷器污垢的塑料螺旋齒管自動(dòng)清洗技術(shù)研究J. 輕工機(jī)械,2003,(3): 93954鄭志耀.提高汽輪機(jī)組真空度的途徑與方法J.華北電力，1997，（10）:6-95Tianlan Yu, Deqi Peng.,Xiumin Yu . Reserc

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43、少鋒，李修倫，劉明言.換熱設(shè)備多相流防除垢新技術(shù)的研究發(fā)展J.化工機(jī)械，2003，30（2）:116-1212.4. 臥式管外循環(huán)流態(tài)化傳熱設(shè)備 管外冷卻水的臥式列管換熱器有相當(dāng)數(shù)量，例如氮肥生產(chǎn)與高壓機(jī)配套的級(jí)間水冷器。據(jù)納爾可公司的凱洛格合成氨水處理手冊(cè)介紹，“殼程走水的熱交換器的設(shè)計(jì)流速可能為0.30.6m/s,但在擋板周圍的滯流區(qū)的實(shí)際流速接近0.15m/s?！币话銡こ趟淦鞒隹诙斯馨迮c第一折流板的距離比其他折流板間距寬，這里水流速更低更易沉積。因此，在冷卻水的出入口、折流板的死角及管子的背流處都容易產(chǎn)生污泥沉積。雖然浮頭式結(jié)構(gòu)的換熱管束可取出來清洗，但是管外污垢的清洗十分困難，內(nèi)層管

44、的污垢清洗更為困難，因此效率普遍低下，以至大批水冷器的過早報(bào)廢。 圖2.21. 地?zé)崂迷O(shè)備的管外污垢流態(tài)化清洗結(jié)構(gòu)原理 1. 出水口 2.上升流動(dòng) 3.噴氣管 4.清洗粒子 5.列管 6.下降流動(dòng) 7.排氣口 圖2.22. 臥式循環(huán)流態(tài)化換熱器橫截面循環(huán)流動(dòng)示意圖 傳熱設(shè)備液固流態(tài)化粒子污垢在線清洗技術(shù)成功地大工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，綜合效益相當(dāng)高2 。文獻(xiàn)3介紹美國(guó)IDAHO 國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室研究的“臥式管外污垢清洗流態(tài)化床”，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。該技術(shù)是針對(duì)地?zé)崂迷O(shè)備的，大間距折流板之間的管段可以在運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)流態(tài)化自動(dòng)、連續(xù)清洗，并且具有傳熱強(qiáng)化功能。但是存在兩大未能解決的難題：其一，在小間距

45、折流板之間的管段只能靠快速來減緩結(jié)垢，在長(zhǎng)周期運(yùn)行過程中不可避免地效率逐步降低，后期惡化導(dǎo)致報(bào)廢；其二，在大間距折流板之間的管段范圍，存在有一定的軸向分速度，殼程流體就不會(huì)是均勻地橫流過列管流動(dòng)，圖中的滯流區(qū)B可能流態(tài)化不圖2.22. 臥式管外循環(huán)流態(tài)化清洗時(shí)橫截面循環(huán)流動(dòng)示意圖充分、甚至成為固定床，無自動(dòng)清洗功能，最導(dǎo)致局部阻塞或堵塞。流態(tài)化的均勻性及其粒子分布的均勻性是這類設(shè)備的關(guān)鍵4 。為此，加大上下的流體均布空間，提高橫過列管的流速的均勻性。但是，仍然只能減輕其害，并且減少了傳熱管的排布。雖然該研究沒能成功，但是最適合復(fù)雜傳熱面污垢清洗的技術(shù)是流態(tài)化，并且別無選擇。流態(tài)化在線清洗過程中

46、，固體粒子不可避免地會(huì)被殼程軸向流動(dòng)的水帶向下游出口端。IDAHO方案沒有成功的主要原因就是沒有能夠妥善解決殼程液流的軸向分速度與粒子濃度軸向均勻性的矛盾。為此，本節(jié)研究臥式管外循環(huán)流態(tài)化設(shè)備的技術(shù)5。. 管外污垢在線流態(tài)化清洗1. 管程進(jìn)口 2.排氣口 3.列管 4.殼程出口 5.管程出口 6.清洗粒子 7.清洗氣體進(jìn)口 8.管間支撐 9.噴氣管 10.殼程進(jìn)口 圖2.23. 臥式管外循環(huán)流態(tài)化清洗時(shí)縱向循環(huán)剖面流動(dòng)示意圖圖2.23. 三相流態(tài)化清洗結(jié)構(gòu)原理及其粒子軸向循環(huán)流動(dòng)示意圖橫截面的循環(huán)流動(dòng)如圖2.22.所示。在右側(cè)噴氣管清洗氣流的噴射下，氣泡向上浮升運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成氣、液、固三相流態(tài)化

47、橫過列管流動(dòng)，氣體在液面分離后排出，液固兩相則在左側(cè)形成橫截面逆時(shí)針循環(huán)流動(dòng)清洗。清洗一定時(shí)間后，切換為由左側(cè)噴氣管清洗氣流的噴射下，形成流態(tài)化的橫截面順時(shí)針循環(huán)流動(dòng)清洗。由于三相流態(tài)化流動(dòng)十分劇烈，清洗速度很快，非常有效。由于截面循環(huán)流動(dòng)方向的交替改變，使每個(gè)列管外壁受到兩個(gè)方向的沖洗，污垢清洗周向十分均勻。采用切換兩側(cè)噴氣管清洗方法的另一好處在于降低液面氣液分離的強(qiáng)度，減少外排氣體中清洗液的夾帶量。在殼體底部的噴氣管上的噴氣孔是設(shè)計(jì)為斜向殼程進(jìn)水方向的。因此，被殼程液流帶向下游的流態(tài)化清洗粒子沉降到底部后，又被噴氣管斜向后噴出的氣流推動(dòng)的液體帶向上游，形成如圖2.23.所示的粒子在縱剖面上

48、的軸向循環(huán)流動(dòng)，從而保持在線清洗過程中的粒子濃度的軸向均勻性。.在線流態(tài)化清洗可行性試驗(yàn)為了能清晰地觀察測(cè)量模擬試驗(yàn)的清洗過程和流動(dòng)狀況，試驗(yàn)設(shè)備的殼體與列管全部采用有機(jī)玻璃制成。殼體長(zhǎng)為2000mm，內(nèi)徑為390mm，64根管徑25mm的列管正三角形排列,管間距為32mm。每根噴氣管上開兩排孔。這些孔在橫截面上的方位夾角為向下30o，在縱剖面上的方向是與殼程液流方向相反的交角30o，孔徑4mm,孔距60mm。模擬污垢均用乳膠調(diào)制，三種污垢的不同成分分別是:1/2水泥、1/2CaCO3 ；1/3水泥、2/3CaCo3 ；1/4水泥、3/4CaCo3; 分別涂于管子的不同部位。殼體的上方開有排氣

49、管口。清洗的固體粒子的密度1.7、在水中的沉降速度0.18m/s。清洗氣體由蘿茨鼓風(fēng)機(jī)供給，氣體消耗量采用LZB-80形轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，供氣壓力由WPD022P3M2B3型寬脈沖智能差壓計(jì)測(cè)量。試驗(yàn)過程中，無論在兩端、還是在殼體的側(cè)面，均可以清楚地觀察到流態(tài)化液強(qiáng)烈的橫截面循環(huán)流動(dòng)，在底部可以清晰地觀察到粒子由下游向上游回送的軸向循環(huán)。流態(tài)化粒子的運(yùn)動(dòng)與列管的碰磨十分劇烈。雖然用乳膠調(diào)制的三種水泥CaCo3 模擬污垢遠(yuǎn)比工程污垢硬得多，但是經(jīng)過累計(jì)兩小時(shí)多的時(shí)間流態(tài)化清洗以后，管子不同部位的污垢基本清洗干凈。不僅清洗功能強(qiáng)，而且也比較均勻。 .清洗氣體參數(shù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究.1.消耗氣量設(shè)計(jì) 在水

50、平管橋截面積（F-F）最大處的向上流速最低，是實(shí)現(xiàn)清洗流態(tài)化循環(huán)流動(dòng)的難點(diǎn)。若該截面的流速能夠帶動(dòng)清洗粒子流動(dòng)，其它部位就更能夠保障流態(tài)化流動(dòng)。因此，清洗氣體的最低消耗量也由該水平管橋最大截面積決定。試驗(yàn)的結(jié)果以100m3/h最好。該截面排布有10根傳熱管。因此，氣相的平均速度為0.198m/s?？紤]氣體速度沿軸向的實(shí)際不均勻性，需要10左右的裕量。由清洗氣體消耗量與管橋截面面積成正比，可以得出工程設(shè)計(jì)計(jì)算式為 V786（Dnd）L （m3/h）式中D為設(shè)備內(nèi)徑（m），d為列管外徑（m），n為水平直徑截面上的列管根數(shù)。該式是清洗粒子沉降速度為0.18m/s條件下的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)計(jì)算可以依據(jù)

51、清洗粒子的實(shí)際沉降速度按比例修正。.2. 氣體壓力設(shè)計(jì) 主要用于克服設(shè)備內(nèi)的液體靜壓，并且最大的壓力是在剛開始進(jìn)氣時(shí)。開始流態(tài)化清洗后，由于進(jìn)氣口上方變?yōu)樗畾饣旌衔?，平均密度顯著減少，清洗氣體的壓力也隨之顯著下降。試驗(yàn)結(jié)果得到的最大壓力的計(jì)算公式為 Pmax 1500 +gD （Pa）式中為殼程流體密度（Kg/m3），g為重力加速度（m/s2）。顯然，無論大中小型設(shè)備都只需要低壓清洗氣體源，例如蘿茨鼓風(fēng)機(jī)。. 3. 清洗氣體軸向分速度設(shè)計(jì)觀察測(cè)量表明，氣體噴流的軸向分速度與水流的軸向速度比值在1516倍的范圍為宜。試驗(yàn)時(shí)觀察粒子濃度軸向比較均勻，停車后粒子在底部沿軸向均布。 .流態(tài)化粒子的選擇

52、與用量計(jì)算 在硬度、磨損率滿足要求的前提下，首先要考慮沉降速度。因?yàn)槌两邓俣冗^大，不僅消耗的氣體量就過大，并且會(huì)帶來一系列的問題：使液面的氣水分離增加難度；頂層的列管可能低于水面發(fā)生清洗困難；或者需要的排氣管徑過大，或者外排氣體帶水沫增大。但是，也不是沉降速度愈低愈好，成績(jī)速度過低，會(huì)容易發(fā)生循環(huán)回流太慢、清洗速度太慢和粒子容易被水帶出出口的難題。 其次是清洗粒子的體積濃度優(yōu)化試驗(yàn)。在015的范圍逐步增大，其結(jié)果是在10以下都比較好，當(dāng)濃度超過10以后逐步變差，能夠循環(huán)流態(tài)化清洗粒子反而少，循環(huán)效果不好。原因可能是清洗氣流的能量不大，但是阻力太大?？紤]不清洗時(shí)清洗粒子積聚在底部，量過大時(shí)會(huì)部分掩埋最低層的列管表面影響傳熱；若量過少，又會(huì)影響清洗的速度。試驗(yàn)以35為宜。.布?xì)夤軆?yōu)化設(shè)計(jì)三相流態(tài)化在線清洗的殼程雙循環(huán)都靠噴出的氣流實(shí)現(xiàn)。因此，布?xì)夤苁窃摷夹g(shù)的關(guān)鍵部件。噴氣管直徑 若氣速過高，容易使噴流的氣速沿軸向分布不均勻，離進(jìn)氣管遠(yuǎn)的噴流速度偏低，不能保障軸向的清洗強(qiáng)度基本一致，會(huì)造成近進(jìn)氣管處的清洗過度，產(chǎn)生管壁保護(hù)膜的破壞和管壁磨損；遠(yuǎn)離進(jìn)氣管處的清洗不足，清潔度不高，影響傳熱效率，嚴(yán)重時(shí)可能使橫截面的清洗循環(huán)無法實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果是