1．实验流程
实验流程如下所示。水由泵从储水槽送入系统，经转子流量计，在喷嘴处使得固体颗粒和少量的水混合后进人流化床，然后从流化床上方流出，进入旋液分离器，被分离后的固体颗粒进入外轮回管返回到颗粒收集筒，实现了粒子的轮回使用，水则返回液体储槽进入下一次轮回。
2、实验前提及丈量方法
实验是在常温、常压下进行的。喷嘴出口直径D与水平段直径d之比定义为口径比，由D／d表示。取口径比D／d分别为0.35，0.375，0.4，喷嘴的安装位置可以左右移动，以下降管的边沿界限位置为螺旋喷嘴安装位置三的原点，以向右为正，向左为负，分别取了10，0，-l0，-20 mm 4个位置。本实验中的固相为粒径较大的刚玉颗粒，颗粒密度为2350 kg／m，其直径Dk为1，2，3 mm，轮回系统的颗粒初始加入量占全床的体积分数分别为0．75％，1．25％，1．75％，2％，流体黏度肛分别取1，1．5，2，2．5，3 mPa·s，实验时所用流体为水，增加流体黏度的添加剂为CMC(羧甲基纤维素钠)。采用本实验室与中科院大恒图像有限公司合作开发的化工过程多相流图像处理系统，在线丈量固体颗粒在流化床换热管束中的含固体积分数，即当液体流量q达到使颗粒轮回的最小轮回流量以上时，以换热管束内的含固体积分数来衡量轮回效果的好坏。当管内的含固体积分数大时，说明颗粒被喷嘴内液体带人床内的数目较大，下降管内颗粒堆积较少，轮回效果也较好。
3、实验装置
轮回流化床主体为18根1000 mm长，内径为19mm的有机玻璃管束。喷嘴轮回装置的结构，主体采用锥形设计，在出水口的一端有一段水平管，用法兰将喷嘴安装在轮回下降管与水平输送管相连接的三通处。
液固外轮回流化床换热器作为一种新型高效的换热设备，已经较广泛地应用于化工出产的各个领域中。D．G．Ktaren 在2O世纪9O年代开发了外轮回流化床换热器，其中喷嘴是外轮回流化床完成颗粒轮回的枢纽控制部件，其出口直径与管道内径的比值及其安装位置对颗粒的轮回效果具有重要影响。然而这方面的报道却很少，因此本文参考气体喷射器、喷射式加热器中喷嘴的基本原理，设计了用于实现液固外轮回流化床颗粒正常轮回的枢纽部件——喷嘴，并通过实验考察了轮回液体流量、喷嘴直径与管道内径的比值、喷嘴安装位置、颗粒直径、颗粒初始加入量以及液体黏度等对外轮回流化床管束内含固体积分数的影响，以确定颗粒的轮回状况，为液固外轮回流化床换热器的设计与运行提供参考。
设计了实现液固外轮回流化床中颗粒正常轮回的枢纽部件——喷嘴，利用CCD图像采集分析系统，获得了其换热管束内固体颗粒的分布情况，考察了液体流量、口径比、喷嘴安装位置、颗粒直径、颗粒初始加入量以及液体黏度对液固外轮回流化床换热器管束内含固体积分数的影响。结果表明：口径比及喷头喷嘴安装位置对进步管束内的含固体积分数都存在一个最佳值，颗粒直径、颗粒初始加入量以及液体黏度对管束内含固体积分数也具有较大的影响，同时还通过对实验数据的综合分析，得到了喷嘴在最佳安装位置下液固外轮回流化床内含固体积分数的经验联系关系式。
4、实验结果与讨论
本文在床体结构不变的情况下，就不同工况及喷嘴安装参数改变时进行了实验研究，讨论了喷嘴形式及流化床的工况参数对含固体积分数的影响。2．1口径比及液体流量对含固体积分数的影3种不同口径比下液体流量与含固体积分数的关系，口径比为0．4时轮回床管束内的含固体积分数很小，轮回效果较差，这是由于射流速度的大小决定了速度梯度du／dy的大小，即决定了流体内单位面积上的切应力下，这是形成射流卷吸的枢纽应力，跟着下的增加，卷吸力增大。
大口径比的喷嘴，形成的卷吸力小；固然口径比为0.35时，在较小的液体流量范围内可以达到比较大的含固体积分数，但是其液体流量调节的上限比较有限；综合管内的含固体积分数和液体流量调节范围来说最佳口径比为0．375。在轮回流化床内，管束内的含固体积分数跟着流量的增大而增大。在流体中的颗粒主要受到曳力、浮力和重力这3种基本力的作用。跟着液体流量的增加，流体内的速度梯度增大。流体层之间单位面积上的内摩擦力增大，因此颗粒的曳力增大，曳力的增加使得床内单位高度上的含固体积分数增加，即增加了换热管束内的含固体积分数。
5、颗粒直径与含固体积分数的关系
固体颗粒直径与管束内含固体积分数的关系。因为大直径颗粒合用于强化传热及防除垢，因此本实验只对粒径较大的颗粒进行研究。可以看出，直径为2mm和3mm的颗粒比1mm的颗粒在管束内的含固体积分数要低得多，这是由于大颗粒的终端速度比小颗粒的要高，所以小颗粒在较小流量下就能完成轮回过程，并且在短间隔内就达到充分发展状态，而大颗粒还主要会萃在床层底部。
6、喷嘴安装位置和含固体积分数的关系
为口径比为0.375的喷嘴在各安装位置时对含固体积分数的影响。由图可见，跟着喷嘴安装位置的改变，换热管束内的含固体积分数具有显著的变化。由于在喷嘴射流的中央处会形成一个流速很高的中央流束，该中央流束的速度是形成射流卷吸的枢纽速度。但该流束只存在于射流的初始段，当喷嘴出口截面与下降管边沿界限间隔较远时，会使射流的末端达不到下降管边沿界限处，从而轮回效果很差或形不成轮回。由实验结果发现，当喷嘴被安装在0 mm或10 mm(在正方向间隔下降管边沿界限较近)位置处时轮回效果较好。
但当喷嘴的出口截面位于下降管边沿界限负方向位置处时颗粒轮回效果显著下降。这是由于中央流束只对附近的流体具有较强的卷吸作用，而且卷吸作用范围是有限的，不能笼盖住整个管道截面，另外在有限空间中射流有可能存在回流现象。因此当喷嘴被安装在负方向间隔下降管较远时，在下降管出口处形不成负压，从而影响轮回效果甚至完不成轮回。
7、流体黏度对换热管束内含固体积分数的影响
下为液体黏度对含固体积分数的影响进行了比较。由下图可以看出，跟着黏度的增加其流量调节范围减小了，并且所能达到的最大含固体积分数也随之减小。这是由于黏度的增加，增加了输送液体的阻力，使得在同样输出功率下的轮回泵所能达到的最大液体流量变小了，影响了颗粒的轮回速度。但从图7也可以看出当流量为7．5 m／h时，含固体积分数跟着黏度的增加有增加的趋势。
8、初始颗粒加入量与管束内含固体积分数的关系
下为初始颗粒加入量对含固体积分数的影响。由图可见，跟着初始颗粒加人量增加含固体积分数也增加，由于初始颗粒加入量的增加，使得下管箱内的颗粒体积分率增大，单位体积液体携带的固体颗粒数目也会增大，从而增加了进入换热管束内的颗粒流率，因此跟着颗粒初始加入量的增加，换热管束内的含固体积分数增加。
为了更加显著地比较出黏度对含固体积分数的影响，利用单位体积流量下含固体积分数的大小，来反映不同黏度下流体对颗粒的携带效果，如图8所示。跟着黏度的增加，单位体积流量下的含固体积分数增加，这是由于跟着黏度的增加，在同样的速度梯度du／dy下，高黏度流体对颗粒的切应力增大，即对颗粒的曳力增大，使得流人下管箱内的颗粒更轻易被带人换热管束内，增加了含固体积分数。综上所述，黏度的增加一方面增大了流体对颗粒的曳力，另一方面使得流量调节范围减小了。
9、结论
(1)口径比D／d是影响轮回流化床轮回效果的主要因素，口径比过大，射流速度太小，不能维持正常轮回；口径比过小，阻力加大，流量调节范围减小。综合比较以为，在本实验前提下，口径比为0．375左右时流化床的轮回效果较好。
(2)喷嘴存在一个最佳安装位置，在0 mm(即下降管边沿界限处)位置处轮回效果最佳，管束内的含固体积分数最大。
(3)换热管内的含固体积分数跟着颗粒直径的增大而减小，跟着颗粒初始加入量的增加而增加。
10、含固体积分数联系关系式
最小二乘法对实验数据进行了多元线性回归，得到喷嘴在最佳安装位置(L=0 mm)处轮回流化床换热管束内 。 |
