带有插入物的水平液固两相流强化传热综合性能研究

摘要

换热器在工作过程中会产生污垢，污垢的存在严重影响换热器的传热效率，严重时会影响正常生产，因此对新型换热器的研究具有工程意义。由于固体颗粒的重力作用的存在，水平液固循环流化床换热器中存在着颗粒分布不均匀的现象，从而影响了换热器的换热效果。许多研究表明，在管内安装Kenics静态混合器来改善颗粒的分布情况，管内安装Kenics静态混合器后不仅能够改善颗粒的分布情况，而且液体通过Kenics静态混合器后产生螺旋运动，增加了湍流度使传热系数得到了提高。 利用Star-ccm+计算流体力学软件进行数值模拟，对管内插入Kenics静态混合器的速度场和温度场进行分析，利用协同角对管内插入不同扭率的Kenics静态混合器进行考察，结果显示，扭率越小其场协同角越小，根据场协同理论可以得出，扭率越小的Kenics静态混合器对管内传热提高越明显。 对管内插入Kenics静态混合器的水平液固循环流化床换热管进行实验研究，实验考察了静态混合器扭率、静态混合器安装方式、液体流速、颗粒体积含量对传热性能和流阻性能的影响。实验发现当雷诺数在10000-45000之间，扭率为1.5、2.5、4、6的Kenics静态混合器的综合性能评价指标PEC均大于1，说明了水平流化床换热器插入Kenics静态混合器能够改善传热。在雷诺数达到42000左右，Kenics静态混合器扭率Y=4，颗粒体积含量为4%时，水平流化床换热器的PEC指标最高达到1.09。 利用Star-ccm+计算流体力学软件进行数值模拟，考察了不同流速和不同扭率对水平管内颗粒分布的影响情况，通过模拟结果可以发现在扭率一定时，随着流速的增加水平管内颗粒分布均匀长度变长。在流速相同时，管内插入Kenics静态混合器的扭率越小，对水平管内颗粒分布均匀长度越长。在流速为1.5m/s的情况下，扭率为Y=1.5的Kenics静态混合器的颗粒分布均匀长度最长达到1640mm，扭率为Y=6的Kenics静态混合器颗粒分布均匀长度最短为760mm。模拟同时也考察了水平管内安装不同扭率静态混合器的流阻性能和传热性能，利用综合传热性能评价可以发现，扭率Y=4的综合传热性能指标PEC最优为1.1。当流速大于1.5m/s，在2m长的水平流化床换热器内安装一个扭率Y=1.5的Kenics静态混合器能够达到改善颗粒分布和提高传热性能的效果。

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