摘　要:液—固流態(tài)化傳熱強化機理還不*清楚,已有文獻對流態(tài)化粒子的粒度與傳熱系數(shù)的影響關系有較大分歧。從傳熱強化角度對水-沙流態(tài)化自動清洗的運行參數(shù)進行優(yōu)化試驗研究,得到的結果是:沙子粒度不是愈細愈好,而是Ｄｐ2ｍｍ（8目）左右為好;粒子體積分數(shù)以2.4%比較好;流速在0.2～0.28ｍ/ｓ（Ｒｅ=6000～9000）的范圍較好。雖然濃度低,但是在優(yōu)化條件下的流灰化傳熱強化幅度幾乎可以達到一倍左右,并且阻力又很低。
　　2004年12月底國家發(fā)展改革委員會發(fā)布的我國*個《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》中指出,每百萬美元的國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗,我國比世界平均水平高2.4倍,比美國、歐盟、日本、印度分別高2.5倍、4.9倍、8.7倍、0.43倍,提出的*保障措施之六是“加快節(jié)能技術開發(fā)、示范、推廣[1]。
    國家科委列為“九五”重點推廣計劃項目的管理液固內(nèi)循環(huán)流態(tài)化換熱器技術,不僅自動清洗除垢防垢、節(jié)水節(jié)能*[2-3],而且與外循環(huán)流態(tài)化相比具有較多優(yōu)勢;沒有旋流分離器的能耗與磨損問題,結構簡單設備費低,粒子磨損消耗低,運行維護簡單等[4]。
    但是,從純傳熱強化的角度,這種自動清洗式流態(tài)化換熱器運行參數(shù)的優(yōu)化問題沒有進一步的研究。為此,我們研究流態(tài)化換熱器的傳熱強化的運行參數(shù)優(yōu)化問題。
    1　傳熱管內(nèi)對流傳傳的流態(tài)化強化流態(tài)化
    沙粒向上運動的過程中沙粒并不是沿速度方向做直線運動,而是隨機、頻繁地碰擦傳熱管內(nèi)壁表面,實現(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備的運行效率。
    對于無污垢的傳熱管內(nèi)對流傳熱的熱阻主要在熱邊界層。對于流態(tài)化傳熱強化的機理研究應該說是不充分的,其認識也遠未清楚和統(tǒng)一。粗略的解釋比較多的傾向于,湖流中含有異質粒子以后產(chǎn)生附加的湍動,低頻大渦體使粒子發(fā)生徑向輸運[5-7],猶如攪拌相仿,有效地擾動了熱邊界層,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,因此由下式定義的管內(nèi)傳熱膜系數(shù)αｉ得以加大。
    2　試驗系統(tǒng)與試驗方法
    試驗裝置如圖1所示,傳熱管為Φ40ｍｍ×4ｍｍ的不銹鋼管,通冷卻水,通過閥門4調節(jié)流速,管內(nèi)為流態(tài)化沙粒。ＬＺＢ-50玻璃轉子流量計測量其流速,流量計采用時間—體積法進行標定修正。管內(nèi)的流態(tài)化沙粒隨著水向上運行,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。溫度測量全部采用0.1度分刻的玻璃管精頦溫度計。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算。流態(tài)化粒子的體積濃度是采用測量回沙管的回沙速度,再考慮傳熱管內(nèi)冷卻水的流量計算得到,每次流量調節(jié)穩(wěn)定5ｍｉｎ后讀數(shù)記錄數(shù)據(jù)。

    傳熱系統(tǒng)與傳熱管內(nèi)的流速或雷諾數(shù)的關系由許多研究,得到的曲線或計算式也較多,而且相互的差別不少,有的甚至是倍數(shù)[8]。
    其主要的原因可能在于粒子濃度、粒子的性質不同。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———粗沙子、中沙、細沙分別為6目（約4ｍｍ）、8目（約2ｍｍ）和12目（約1ｍｍ）———條件下進行傳熱系統(tǒng)的試驗測定。
    3　流態(tài)化粒子大小對傳熱強化的影響
    對流態(tài)化粒子大小與傳熱強化的關系zui早進行研究的是1955年Ｃａｉｄａｓ的博士論文[9],冷卻水中Ｄｐ0.68ｍｍ、0.50ｍｍ、0.29ｍｍ、0.22ｍｍ四種粒度的玻璃珠流態(tài)化的進行傳熱系數(shù)測定,其結論是粒子愈小傳熱系統(tǒng)愈高,德國人ＬｕｄｏｉｆＰｌａｓｓＫｒｏｎｂｅｒｇ在1972年的臥式換熱器管內(nèi)試驗中,采用Ｄｐ12μｍ、25μｍ、40μｍ、70μｍ、120μｍ的五種粒子,得到類似的結果[10]。但是,1987年ＪｏｃｈｅｎＳｔＫｏｌｌｂａｃｈ,Ｗ.ＤａｈｍＲ.Ｒａｕｔｅｒｂａｃｈｄ的試驗結果不同,是Ｄｐ2.2ｍｍ的粒子比Ｄｐ1.95ｍｍ的好[8]。應該說,文獻[9-10]的試驗粒子都是1ｍｍ以下的細粒子,其范圍不夠寬,尤其在傳熱強化機理尚未*清楚時推斷到更大的粒子范圍是未必正確。文獻[8]又是在粒度不同、同時又密度不同的條件下試驗得到的結果,同樣難以肯定得出把握的結論。并且,上述文獻的試驗粒子對于污垢自動清洗的要求來說太細,意義不大。
    為此,運行同樣材質、相同體積濃度（2.4%）、不同粒度的液態(tài)化傳熱系數(shù)試驗,其結果如圖2曲線所示:與文獻[9-10]不同,不是粒子愈細愈好,而是2ｍｍ沙粒表現(xiàn)出較好的傳熱特性,如4ｍｍ和1ｍ的都要好,相比之下大顆粒的沙粒效果比較差,1ｍ居中。這是因為在同樣的體積濃度下,液態(tài)化粒子的顆粒數(shù)反比于粒子直徑的三次方,對于Ｄｐ4ｍ的粗粒子的顆粒數(shù)只有Ｄｐ2ｍｍ粒子的1/8,對熱邊界層擾動的頻數(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,但是細粒子的跟隨性很好,幾乎不再有邊界層富集作用,加上單位粒子對熱邊界層的擾動強度也弱,總的結果是不如Ｄｐ2ｍｍ的中等粒子的傳熱強化效果好。

    4　流態(tài)化粒子濃度對傳熱強化的影響
    文獻[8]介紹了水平管內(nèi)Ｄｐ12-120μｍ五種粒度、1.5～3.0ｍ/ｓ四種不同流速條件下流態(tài)化粒子濃度對傳熱強化的影響曲線,粒子體積濃度在0%～39%的寬廣范圍進行試驗。所有曲線一致表明,在粒子體積濃度分別低于2.5%～6%時,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清洗防垢的要求,又必須防止過度清洗的管壁保護膜損壞。后者決定了只能采用低濃度。因此,傳熱管中心區(qū)流速高,而近管壁區(qū)流速慢。按照阻力zui小原理,在近管壁區(qū)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)化沙粒對管內(nèi)熱邊界層的有效擾動和滯留層厚度的減小。因此,雖然粒子濃度低,但是對提高管內(nèi)側的傳熱膜系數(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、流速愈高時就愈顯著,影響也愈大。
    為此,在優(yōu)選Ｄｐ2ｍｍ中等沙粒的基礎上,運行2.5%以下的低濃度對比試驗。圖3的傳熱系數(shù)曲線比較表明,體積濃度2.4%時顯著高于體積濃度為1.2%時。其理顯然,在于體積濃度高時,流態(tài)化粒子對熱邊界層的擾動頻數(shù)比體積濃度低時要高。
 
    5　流速（雷諾數(shù)）對傳熱強化的影響
    在文獻[8]列舉的11個流態(tài)化傳熱學計算式中,只有1969年Ｒｕｃｋｅｎｓｔｅｌｎ和Ｓｈｏｒｒ的計算式是Ｎｕｐ正比與Ｒｅ負次冪,其余均是正比與Ｒｅ正次冪。但是文獻[8-10]的試驗曲線卻都表明,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[8]沒有表明粒子濃度條件,即粒度、密度均不相同;文獻[9]沒有表明粒子濃度條件;顯然文獻[10]表明了粒子濃度相同的條件,但是在低濃度時彼此難以區(qū)分,并且試驗條件是水平傳熱管、1.5～3.0ｍ/ｓ的高流速
（Ｒｅ88000-166000的高雷諾數(shù)）,而傳熱設備流態(tài)化自動清洗應用的條件是立式傳熱管、0.25ｍ/ｓ左右的低流速,兩者實在相差太遠。為此,作者進行自動清洗防垢適宜的粒度、低濃度、立式傳熱管的試驗測定。如圖2、圖3所示,結果也是流速（雷諾數(shù)）超過一定值以后,傳熱系數(shù)反而下降。因此,對于運行優(yōu)化來說可以肯定的是在較低流速（雷諾數(shù)）下運行;并且傳熱系數(shù)可以比無粒子的提高一倍左右。
    但是,對于流速（雷諾數(shù)）超過一定值以后傳熱系數(shù)反而下降的機理應該說還不清楚,文獻[9]解釋為在臨界Ｒｅ數(shù)以上,系數(shù)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條件相抵觸。
    6　阻力
    試驗臺架由33根Φ38ｍｍ×3ｍｍ×4000ｍｍ的熱管組成。進口底室直徑370ｍｍ,高280ｍｍ,出口室直徑370ｍｍ,高260ｍｍ。系統(tǒng)加入的沙子量為0.051ｍ3,大部分沙子集中在進口底室和出口室內(nèi)。傳熱管內(nèi)的沙子濃度遠低于系統(tǒng)平均值,具體數(shù)值因缺少儀器沒有測量。設備的總阻力是11.52ｋＰａ,傳管長1500ｍｍ的兩測點之間的阻力的110Ｐａ左右,兩者都很低。流態(tài)化設備的阻力主要在流態(tài)化底室,約占3/4。
    7　結束語
    1）從傳熱強化角度優(yōu)化試驗的結果看,在本實驗中自動清洗式液態(tài)化換熱器在0.3ｍ/ｓ以下的低流速（10000以下的低雷諾數(shù)）下運行,流速（雷諾數(shù)）更高時傳熱系統(tǒng)反而下降;粒度以8目（Ｄｐ2ｍｍ）、體積濃度為2.4%為佳。
    2）在本實驗中,在優(yōu)化參數(shù)下運行時,水—沙流態(tài)化的傳熱系數(shù)可以比無沙子時提高了一倍左右,阻力又低,是一種很有效的傳熱強化方法。