姜 峰,劉 藝,齊國鵬,李修倫

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300072; 2.天津職業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境工程學(xué)院,天津 300410;3.天津市化工安全與裝備技術(shù)重點實驗室,天津 300350)

隨著工業(yè)的發(fā)展,能源緊張問題日益險峻,這對換熱裝置的高效利用提出了更加迫切的要求。然而,在實際工業(yè)中,90%以上的換熱設(shè)備存在著不同程度的結(jié)垢問題,降低了傳熱效率,增加了能耗,嚴重制約了生產(chǎn),甚至成為生產(chǎn)的瓶頸?；趽Q熱器的結(jié)垢問題,研究者們提出了一些方法,如增加流速、在換熱管內(nèi)加入內(nèi)插件、采用超聲波或電磁場以及加入阻垢劑等[1,2]。這些方法可以在一定程度上緩解結(jié)垢,但并不能從根本上解決結(jié)垢問題,而且可能會帶來較高的操作和設(shè)備費用,加劇環(huán)境污染。

流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)是將流化床技術(shù)和換熱過程相結(jié)合,依靠流化的惰性固體顆粒對換熱壁面的剪切和碰撞來破壞和減薄流動和傳熱邊界層,特別是層流底層,從而降低傳熱熱阻,強化傳熱。同時,流化顆粒對壁面的作用和對流體的擾動還可以降低壁面附近結(jié)垢物質(zhì)的過飽和度,防止小垢核在壁面上附著,進而延長結(jié)垢的誘導(dǎo)期。同其他方法相比,該技術(shù)可以有效地解決換熱設(shè)備的在線強化傳熱[3-6]和防、除污垢問題[7-9],且操作穩(wěn)定,運行成本低,目前在食品[10,11]、生物降解[12]和氧化鋁等工業(yè)上[13-15]已具有一定的應(yīng)用。

由該技術(shù)的強化傳熱和防、除垢機理可知,流化顆粒對換熱壁面的剪切和碰撞對強化傳熱和防、除垢性能具有重要的影響。為此,一些研究者也在此方面開展了相應(yīng)的研究[16-25]。

Pronk等[16,17]利用壓力傳感器分析了液-固流化床和循環(huán)流化床換熱器中顆粒對壁面的碰撞頻率,提出了計算顆粒碰撞壁面的沖量和動量的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)式,并在此基礎(chǔ)上考察了換熱器的防垢性能。結(jié)果表明,污垢的去除依靠于顆粒與壁面之間以及顆粒與顆粒之間碰撞產(chǎn)生的壓力脈沖。Kang等[18]結(jié)合數(shù)值模擬和可視化研究,分析了液-固循環(huán)流化床換熱器中顆粒對壁面的碰撞行為對傳熱性能的影響。結(jié)果表明,傳熱性能與顆粒對管壁的撞擊頻率密切相關(guān)。顆粒周期性地撞擊管壁,破壞了熱邊界層,提高了傳熱速率。張少峰等[19]對床層壁面的壓力波動信號進行了時域、頻域及自相關(guān)性分析,探究了液-固循環(huán)流化床中的流動特性。結(jié)果表明,顆粒體積分數(shù)的增加加劇了顆粒運動引起的壓力波動。Sheikhi等[20]通過對振動和壓力波動信號的頻率分析,考察了液-固流化床的流體力學(xué)特性,并預(yù)測了最小流化速度和顆粒床層流型的過渡。Spenik等[21]利用壓力傳感器捕集的顆粒碰撞信號,確定了循環(huán)流化床中的局部質(zhì)量通量。Abbasi等[22]利用加速度傳感器,考察了不同表觀氣速和顆粒粒徑下,顆粒流過流化床產(chǎn)生的振動信號。他們發(fā)現(xiàn),振動分析可以用于區(qū)分不同的流體力學(xué)現(xiàn)象和檢測最小流化速度。Ma等[23]利用動態(tài)信號測試采集系統(tǒng),考察了汽-液-固三相循環(huán)流化床蒸發(fā)器中顆粒對換熱壁面的碰撞行為,獲得了操作參數(shù)對顆粒-壁面碰撞強度和頻率的影響程度。Buffière[24]等考察了三相流化床中顆粒的碰撞頻率和碰撞壓力,提出了相關(guān)的計算模型。An等[25]利用功率譜密度和小波分析,考察了石墨管內(nèi)的汽泡運動和顆粒碰撞行為,并提出了三相循環(huán)流化床的適宜操作條件。

循環(huán)流化床按照流動方向,可以分為上行床、水平床和下行床。上述關(guān)于顆粒碰撞行為的研究主要集中在上行床[16,26]。然而,具有下行加熱室的換熱器在工業(yè)上也具有較為廣泛的應(yīng)用,如硫化堿和鋰行業(yè)的循環(huán)型蒸發(fā)器、多管程的換熱器等。在下行加熱室中,雖然流體在液柱的靜壓力下,其沸騰程度一般不如上行床,但由于晶體析出等原因,換熱過程中的結(jié)垢問題同樣嚴重,而且至今尚未得到有效的解決。為此,本研究將流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)與與具有下行加熱室的循環(huán)型蒸發(fā)器相結(jié)合,構(gòu)建冷模下行循環(huán)流化床蒸發(fā)器,考察顆粒對換熱壁面的碰撞行為隨軸向位置和操作參數(shù)的變化規(guī)律。研究中利用加速度傳感器采集顆粒對壁面碰撞的加速度信號,并進行相關(guān)的頻域和時域分析。研究結(jié)果有助于分析流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)的強化傳熱和防、除垢機理,促進其工業(yè)化應(yīng)用。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及流程

構(gòu)建了1套冷模下行循環(huán)流化床蒸發(fā)裝置,如圖1所示。該裝置材質(zhì)為304不銹鋼,主要由下行床、蒸發(fā)室、離心泵、電磁流量計、顆粒收集器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。下行床管徑為Ф38 mm×3 mm,高度為1 200 mm。沿下行床壁面的一側(cè),在不同的軸向位置X、Y和Z處,各安裝有1個加速度傳感器,用以測量和采集液-固兩相流碰撞壁面的加速度信號,如圖2所示。信號每5 s采集1次,以64 kHz的信號頻率連續(xù)采集180 s,采集結(jié)果由動態(tài)信號分析和處理系統(tǒng)(WKD5936,江蘇省測試電子設(shè)備公司)記錄和分析。床層進、出口的壓力采用壓力傳感器測量,測量結(jié)果由數(shù)字顯示儀表(AI-501MF,中國廈門宇電自動化技術(shù)有限公司)實時顯示,由“King-View”軟件自動儲存至電腦。當系統(tǒng)需要更換顆粒時,可采用顆粒收集器收集系統(tǒng)內(nèi)的現(xiàn)有顆粒。表1列出了相關(guān)設(shè)備儀表的規(guī)格。

表1 相關(guān)設(shè)備儀表的規(guī)格Table 1 Specification of the relevant apparatuses

圖1 冷模下行循環(huán)流化床蒸發(fā)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cold model down-flow circulating fluidized bed evaporation apparatus

將水和一定量的惰性固體顆粒添加到系統(tǒng)中至指定液位。開啟循環(huán)泵,通過調(diào)頻調(diào)節(jié)到指定的循環(huán)流量。當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時,采集顆粒碰撞加速度、壓力和流量等數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)操作參數(shù),重復(fù)上述過程。每次實驗重復(fù)3次,以檢查數(shù)據(jù)的重復(fù)性。

1.2 實驗工質(zhì)及參數(shù)

采用自來水作為液相工質(zhì),選擇不同粒徑的聚甲醛(POM)顆粒和玻璃珠作為惰性固體顆粒。聚甲醛和玻璃珠具有良好的理化性質(zhì),適于工業(yè)化應(yīng)用。顆粒的相關(guān)物性如表2所示。

表2 顆粒的相關(guān)物性Table 2 Physical properties of the POM particles

本研究主要考察下行床中,顆粒對壁面的碰撞信號隨軸向位置和操作參數(shù)的變化規(guī)律。實驗中可調(diào)整的操作參數(shù)包括顆粒加入量ε (0,1.0%,1.5%和2.0%)和循環(huán)流量V(2.15,2.88,3.61,4.32和5.16 m3·h-1)。其中,ε 是添加顆粒的堆體積與系統(tǒng)中工質(zhì)的總體積之比。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為獲取下行床中流化顆粒對壁面的碰撞行為,對液-固兩相流中復(fù)雜的碰撞信號進行頻域和時域上的統(tǒng)計分析。頻域分析可以獲得動態(tài)信號的頻率組成和能量分布。本研究選擇功率譜密度函數(shù)(Power Spectral Density Function, PSD)分析來獲得碰撞信號的頻率分布范圍。時域分析可以反映碰撞信號在一段時間內(nèi)的實時變化情況。本研究選用標準偏差和峰度來分別反映顆粒對壁面的碰撞強度和頻率。

1.3.1 功率譜密度函數(shù)

為提高傅里葉轉(zhuǎn)換的精度和頻譜分析的分辨率,對加速度信號的時間序列進行了相應(yīng)的數(shù)據(jù)分段和加窗處理后[27],按照式(1)計算功率譜密度:

式(1)中:f為頻率;w(n)為窗函數(shù);x(n)為時間序列。

采用Pwelch函數(shù)[28]進行信號的功率譜密度分析,如式(2)所示:

式(2)中:window為窗函數(shù);overlap為重疊率;nfft為分析塊長;fs為采樣頻率。研究中窗函數(shù)選擇海明窗,重疊率設(shè)置為75%,分析塊長設(shè)置為32 768,采樣頻率設(shè)置為64 kHz,相對應(yīng)的頻率分辨率為1.953 1 Hz。

1.3.2 碰撞加速度信號的標準偏差和峰度

標準偏差可以衡量加速度信號時間序列偏離平均值的程度。它反映了顆粒對壁面的碰撞強度,是碰撞力度和頻率的綜合作用結(jié)果,可按照式(3)和式(4)計算:

式(3)和式(4)中:σ為標準偏差;xn為加速度的瞬時值;N為時間序列采樣點的數(shù)目。

峰度K可以衡量時間序列分布的尖翹程度。它作為數(shù)據(jù)偏離正態(tài)分布的程度評價,可以反映顆粒對壁面的碰撞頻率[29,30],其計算如式(5)。

2 結(jié)果與討論

2.1 下行床中液-固兩相流碰撞信號的特征頻率分布

本節(jié)通過分析碰撞加速度信號的時間序列和PSD,獲取液-固兩相流中不同類型碰撞信號的特征頻率和能值分布。

圖3所示為設(shè)備背景噪音信號的加速度時間序列和PSD。此時,離心泵未開啟,下行床中為靜止的液相。由圖3可知,設(shè)備背景噪音信號的特征頻率范圍為0～40 Hz。與碰撞信號相比,噪音信號非常小,在研究中可以忽略。

圖3 設(shè)備背景噪音信號的時間序列和PSDFig.3 Time series and PSD of the equipment background noise signals

圖4所示為下行床中液相循環(huán)流動時,碰撞信號的加速度時間序列和PSD。此時,離心泵開啟,未加入固體顆粒,系統(tǒng)內(nèi)為單液相循環(huán)。對比圖3可知,圖4中在0～2 000 Hz和3 000～5 000 Hz的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了2個新的特征峰。其中,頻率范圍為3 000～5 000 Hz的信號強度隨著下行床軸向位置高度的降低而減弱。這與下行床由上到下,受循環(huán)泵的影響減弱,振動幅度減小相一致。因此,設(shè)備的特征頻率范圍為3 000～5 000 Hz。而0～2 000 Hz則為液相的特征碰撞頻率范圍,這與Jiang等[31]的研究結(jié)果相一致。

圖4 液相碰撞信號的時間序列和PSDFig.4 Time series and PSD of the liquid-phase collision signals

圖5所示為液-固兩相流碰撞信號的加速度時間序列和PSD。此時,離心泵開啟,系統(tǒng)內(nèi)為液-固兩相循環(huán)流動。對比圖4可知,由于顆粒對壁面的碰撞,液-固兩相流加速度時間序列中的信號強度大幅度增加,而且在6 000～16 000 Hz的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的特征峰。此頻率范圍即為固相碰撞壁面的特征頻率。本研究主要討論下行床的液-固兩相流中顆粒對壁面的碰撞行為。

圖5 液-固兩相流碰撞信號的時間序列和PSDFig.5 Time series and PSD of the collision signals of the liquid-solid two-phase flow

2.2 顆粒碰撞行為的軸向差異

圖6所示為顆粒碰撞信號的標準偏差和峰度沿下行床軸向位置的變化情況。

由圖6可知,沿著下行床中液-固兩相流的流動方向,標準偏差先減小、后增大,而峰度則逐漸增大。X點和Y點的峰度較為接近,而Z點的峰度明顯高于X點和Y點。

圖6 顆粒碰撞信號的標準偏差和峰度隨軸向位置的變化Fig.6 Variation of the standard deviation and kurtosis of the particle collision signal with the axial position

標準偏差和峰度沿軸向的變化規(guī)律,反映了下行床中顆粒的流化和分布情況。液-固兩相流經(jīng)設(shè)備的水平管進入到下行床,流向的突然改變增強了流體的湍流程度,促進了顆粒的徑向無序運動,使顆粒在徑向上分布得更加均勻,同時也增加了顆粒對壁面的碰撞動能,有助于提高顆粒對壁面的碰撞頻率和強度。因此,在下行床的進口區(qū)域,標準偏差較大,峰度較小。然而,由于顆粒的密度高于流體,使得顆粒在下行床中趨向于靠近床層中心的區(qū)域向下運動[32],且這種趨勢沿著床層的流動方向不斷加劇,因此導(dǎo)致了峰度的逐漸增大。這種現(xiàn)象不利于顆粒對壁面的作用,因而不利于強化傳熱和防、除垢。標準偏差是顆粒對壁面碰撞頻率和力度的綜合反映。由于下行床出口流動方向的改變增強了流體的湍流和顆粒的碰撞動能,因此,雖然床層出口附近顆粒碰撞的頻率低于床層中部,但其標準偏差仍然高于床層中部。

由圖6可知,不同測試點碰撞信號的標準偏差和峰度隨顆粒加入量和循環(huán)流量等操作參數(shù)的變化趨勢相似。因此,在后續(xù)分析下行床中顆粒對壁面的碰撞行為時,采用各測試點相關(guān)碰撞信號特征參數(shù)的平均值作為考察目標。

2.3 操作參數(shù)對顆粒碰撞行為的影響

2.3.1 顆粒加入量對顆粒碰撞行為的影響

圖7和圖8所示分別為顆粒加入量對顆粒碰撞信號的標準偏差和峰度的影響。如圖7所示,隨著顆粒加入量的增加,標準偏差總體上呈現(xiàn)出增大的趨勢。其中,聚甲醛顆粒增大的幅度逐漸減小,而玻璃珠增大的幅度逐漸增大;沉降速度較大的顆粒,如POM3顆粒和玻璃珠,增大的幅度更為明顯。峰度隨著顆粒加入量的增加而減小,但其減小的程度逐漸降低。

圖7 顆粒加入量對顆粒碰撞信號標準偏差的影響Fig.7 Effect of the amount of added particles on the standard deviation of the particle collision signal

圖8 顆粒加入量對顆粒碰撞信號的峰度的影響Fig.8 Effect of the amount of added particles on the kurtosis of the particle collision signal

顆粒加入量的增加提高了下行床中顆粒的固含率,有利于增加顆粒對壁面的碰撞頻率,因此使標準偏差增大,峰度降低。

如前所述,顆粒對壁面碰撞信號的標準偏差是顆粒對壁面碰撞頻率和力度的綜合反映。對于聚甲醛顆粒,加入量的增加,主要是有利于增加顆粒對壁面的碰撞頻率,對碰撞力度的影響較小。但隨著顆粒加入量的進一步增加,其對碰撞頻率的影響程度逐漸減小;同時,固含率的增加加劇了顆粒之間的碰撞,在一定程度上阻礙了顆粒向壁面的運動。因此,隨著顆粒加入量的增加,峰度降低的幅度逐漸減小,進而也導(dǎo)致標準偏差增大的幅度逐漸減小。

在下行床中,沉降速度或密度較大的顆粒更趨向于靠近床層中心向下運動[32],其在靠近壁面處的固含率較低,與壁面的碰撞頻率較小。此時,顆粒加入量的增加,有利于增加壁面處顆粒的固含率,可以明顯地增加顆粒對壁面的碰撞頻率,因此導(dǎo)致標準偏差增加的幅度更為明顯。玻璃珠的沉降速度與POM3顆粒相近,但其密度要明顯高于聚甲醛,因此,其趨向于床層中心分布的趨勢更加明顯,峰度明顯高于POM3顆粒,如圖8所示。這導(dǎo)致了玻璃珠標準偏差的增加幅度隨著顆粒加入量的增加而增大,不同于聚甲醛顆粒。

2.3.2 循環(huán)流量對顆粒碰撞行為影響

圖9和圖10所示分別為循環(huán)流量對顆粒碰撞信號的標準偏差和峰度的影響。

圖9 循環(huán)流量對顆粒碰撞信號標準偏差的影響Fig.9 Effect of the circulation flow rate on the standard deviation of the particle collision signal

圖10 循環(huán)流量對顆粒碰撞信號的峰度的影響Fig.10 Effect of the circulation flow rate on the kurtosis of the particle collision signal

由圖9和圖10可知,標準偏差隨著循環(huán)流量的增加而增大,而峰度則隨著循環(huán)流量的增加而減小。

循環(huán)流量增大,流體的湍流程度加劇,一方面有利于促進顆粒在下行床中的徑向運動,減小顆粒在下行床中徑向分布不均的現(xiàn)象,增加壁面處顆粒的固含率;另一方面,也有利于增加顆粒的碰撞動能,因而有利于增加顆粒對壁面的碰撞頻率和強度,導(dǎo)致標準偏差增大,峰度降低。這與Pronk等[16]所報道的結(jié)論相一致。

2.3.3 顆粒類型對顆粒碰撞行為的影響

圖11和圖12所示分別為顆粒類型對顆粒碰撞信號的標準偏差和峰度的影響。顆粒加入量較低時,標準偏差隨著聚甲醛顆粒粒徑的增加先減小、后增大;而峰度隨著粒徑的增加明顯增大。顆粒加入量較高時,標準偏差則隨著聚甲醛顆粒粒徑的增加而增大;峰度隨著粒徑的增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢,但增大的幅度較小。玻璃珠的標準偏差較小,但峰度明顯高于聚甲醛顆粒。

圖11 顆粒類型對顆粒碰撞信號標準偏差的影響Fig.11 Effect of the particle types on the standard deviation of the particle collision signal

圖12 顆粒類型對顆粒碰撞信號峰度的影響Fig.12 Effect of the particle types on the kurtosis of the particle collision signal

一方面,在一定的顆粒加入量下,顆粒的數(shù)量隨著粒徑的增加而減少,導(dǎo)致下行床內(nèi)的固含率降低,顆粒與壁面的碰撞頻率下降;另一方面,大顆粒的質(zhì)量和碰撞動能較大,有利于增加單顆粒對壁面碰撞的力度。因此,在上述2方面因素的共同作用下,聚甲醛顆粒的標準偏差在顆粒加入量較低時,隨著顆粒粒徑的增加先減小、后增大,而峰度則由于碰撞頻率的減少,隨著顆粒粒徑的增加而明顯增大。

顆粒加入量較高時,下行床內(nèi)的固含率增大,不同粒徑的聚甲醛顆粒對壁面碰撞頻率的差異減小,因而峰度隨顆粒粒徑的變化較小。此時,顆粒對壁面的碰撞力度則成為影響碰撞強度的主要因素,因此,標準偏差則隨著顆粒粒徑的增加而增大。這和Ma等[23]在上行床的汽-液-固三相流中所得到的結(jié)論一致。

如前所述,同聚甲醛顆粒相比,玻璃珠的密度和沉降速度大,不利于其徑向運動,同時顆粒趨向于靠近下行床的中心分布,因此其與壁面的碰撞頻率和力度小,導(dǎo)致其標準偏差較小,峰度遠高于聚甲醛顆粒。在將流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于下行床加熱室時,對這一點應(yīng)予以考慮。

圖13所示為操作參數(shù)對顆粒碰撞行為影響的三維圖。三維圖可以用來分析顆粒的碰撞行為。

圖13 操作參數(shù)對標準偏差和峰度影響的三維圖Fig.13 Three dimensional diagrams of the effect of the operating parameters on the standard deviation and kurtosis

由圖13可知,顆粒加入量對標準偏差的影響較小,而循環(huán)流量對標準偏差的影響較大。顆粒加入量和循環(huán)流量對峰度均有明顯的影響。結(jié)合顆粒碰撞行為的三維圖和后續(xù)相應(yīng)的下行床中液-固兩相流傳熱性能的研究,有助于分析流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)的強化傳熱和防、除垢機理,促進該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

3 結(jié)論

構(gòu)建了1套冷模液-固下行循環(huán)流化床蒸發(fā)裝置,通過碰撞加速度信號的頻域和時域分析,考察了顆粒對壁面的碰撞行為隨軸向位置和操作參數(shù)的變化規(guī)律。得到的主要結(jié)論如下。

1)液相和固相的碰撞頻率范圍分別為0～2 000 Hz和6 000～16 000 Hz。沿著下行床的軸向位置從上到下,顆粒對壁面碰撞信號的標準偏差先減小、后增大,峰度增大。

2)隨著顆粒加入量和循環(huán)流量的增加,顆粒對壁面碰撞信號的標準偏差呈現(xiàn)出增大的趨勢,峰度減小。顆粒加入量較低時,標準偏差隨著聚甲醛顆粒粒徑的增加先減小、后增大,而峰度則隨著粒徑的增加而明顯增大。顆粒加入量較高時,標準偏差則隨著聚甲醛顆粒粒徑的增加而增大;峰度隨著粒徑的增加也呈現(xiàn)出增大的趨勢,但增大的幅度較小。玻璃珠的標準偏差較小,但峰度明顯高于聚甲醛顆粒。

3)建立了顆粒碰撞行為隨操作參數(shù)變化的三維圖,有利于分析操作參數(shù)對顆粒碰撞行為的影響。在后續(xù)的研究中,將繼續(xù)開展液-固兩相流傳熱性能和流體力學(xué)特性的研究,以便更好地揭示流化床換熱防垢節(jié)能技術(shù)強化傳熱和防、除垢的機理,促進該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。