水平三维肋管管外高不凝性气体含量蒸气的冷凝换热

摘要

含不凝性气体的蒸气冷凝广泛存在于石油、化工、电力、制冷等行业中，由于系统中不凝性组分的存在，使换热器的传热效能大为降低，尤其是在生物质热解液化工艺中，如何快速、高效地冷凝含高不凝性气体的生物油蒸气，已成为制约生物质热解液化技术能否成功运用在工程实践中的一个重要条件。因此研究含高不凝性气体的蒸气凝结换热强化机理，具有非常重要工程实用价值和理论指导意义。目前，针对高不凝性气体含量的蒸气凝结换热研究还很少，而针对三维肋管管外含不凝性气体的蒸气冷凝还未见报道。 本文利用自主设计的大空间凝结换热实验台，对水平光管和三维肋管管外高不凝性气体含量水蒸气的凝结换热性能进行了实验研究；在此基础上对三维肋管凝结换热性能的强化进行了分析，获得了水平三维肋管管外含不凝性气体的蒸气凝结换热的实验关联式；以Nusselt理论为基础，在蒸气、凝结液膜和不凝性气体的质量、动量和能量守恒方程及传热传质比拟理论的基础上，建立了不凝性气体存在情况下的大空间三维外肋管管外膜状凝结换热模型；此外，还针对重庆周边农村的玉米秆、玉米芯、高梁秆、稻秸、麦秸、黄桷树、竹子7种常见生物质利用热重分析仪进行了热重实验研究，为生物质热解液化提供了良好的前期准备。通过以上实验及理论研究，主要得到了以下结论： 1、对水平光管和三维肋管管外具有不同空气质量含量的水蒸气的凝结换热性能进行了实验研究，实验结果表明：在相同的实验工况条件下，水平三维肋管的凝结换热系数是光管的1.7～2.9倍；三维肋管和光管的凝结换热系数均随不凝性气体含量的增加而降低，但凝结换热系数降低的速度随不凝性气体含量的增加而减小；三维肋管和光管的凝结换热系数随壁面过冷度的增大而增大。最后，获得了水平三维肋管管外凝结换热实验关联式。 2、从凝结液膜、蒸气和不凝性气体的质量、动量和能量守恒方程出发，结合对传质系数的修正，建立了不凝性气体存在时水平三维外肋管管外的膜状凝结换热理论模型。理论模型的计算结果与实验数据进行了比较，结果表明：水平三维外肋管管外的膜状凝结换热系数的理论解与实验数据基本吻合，不凝性气体与壁面过冷度对凝结换热系数的影响规律一致, 凝结换热系数随不凝性气体含量的增加而降低，随壁面过冷度的增大而增大。模型计算结果还显示，三维外肋管表面几何参数，如肋片高度H、肋片轴向间距L、肋片周向间距e、基管外径D等对凝结表面传热系数有明显的影响，高肋、小肋片轴向间距、大肋片宽度、小肋片周向间距的三维外肋管的平均凝结换热系数较大，而随基管外径的增大凝结换热系数先增大后减小。 3、通过对生物质进行热重实验，发现生物质热解过程主要分3个阶段：失水阶段，急剧失重阶段，缓慢失重阶段；生物质在急剧失重阶段的失重率占总失重的93.8％～97.2％。生物质种类不同，热解最终失重率不同，挥发分越大的生物质总失重率越大；对竹子和玉米秆而言，生物质颗粒粒径越小，最终失重率越大，但粒径的影响不明显；增大升温速率，热解反应出现热滞后现象，反应区间向高温区移动，达到最高热解速率所对应的温度增高；压力越大，玉米秆总失重率越大，而竹子总失重越小，且压力的影响在380℃之后表现较明显。