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循环流化床换热器中的流动、传热和防、除垢研究

作　者: 姜峰
导　师: 李修伦
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 汽液固自然循环循环流化床 CCD 流动传热数值模拟中药浓缩
分类号: TQ05
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

汽液固三相循环流化床换热器具有良好的防、除垢和强化传热的作用，具有广阔的应用前景。本文从实验研究与应用、理论和数值模拟几方面深入研究汽液固三相自然循环流化床换热器中的流动、传热与防、除垢问题。论文主要内容如下：首先，总结与综述了循环流化床换热器的发展及其研究状况，对多相流强化传热和防、除垢技术的研究现状、测试手段及其数值模拟方法进行了简要的概括，并提出了本文的研究思路与方案。其次，建立了一套新型的汽液固三相自然循环流化床蒸发器，采用透明镀膜加热技术。其可视化部分既包括上行床，也包括下行床。采用CCD图象测量和处理系统，并编制了相应的图象处理软件，对加热状态下汽液固三相自然循环流化床内部的固体颗粒流动及分布，液固两相及汽液固三相传热与流型进行了研究。得出了循环流化床中固体颗粒浓度、速度以及相应的传热系数随热通量和固体颗粒加入量等操作参数的变化关系。第三，介绍了多相流数值模拟的数学物理基础，并简要分析了数值计算的一般方法，提出了本文数值模拟的思路。第四，从流体力学和计算传热学的角度出发，建立了液固两相流动传热模型，模型中考虑了固体颗粒与流体的相互作用及其对流动与传热的影响，同时首次提出了两相湍流普兰特数的概念。由模型计算结果可知，固体颗粒的加入使流体的湍流程度增强，强化了传热，降低了壁温。由模型计算的传热系数与实验数据的偏差为9.6%。最后，将汽液固三相流强化传热和防、除垢技术应用到中药浸取液的蒸发浓缩中。以更年安中药浸取液为工质，进行了小试和中试研究，验证了该技术在这一新的应用领域中的可行性。小试结果表明，汽液固三相流蒸发沸腾传热与汽液两相流蒸发沸腾传热相比，中药更年安醇提液传热系数增大1.5~2.0倍；中试结果表明，更年安醇提液传热系数较未加固体颗粒时的原工业生产装置增大1.50倍；蒸发强度提高1.63倍；装置稳定运行15 天，浓缩器没有发生结垢（挂壁）现象，而未加固体颗粒的原中药浸取液蒸发浓缩装置运行4－12天加热壁面上即发生结垢（挂壁）；更年安水提液蒸发强度提高1.34倍。

全文目录

前言  8-10
第一章文献综述  10-25
  1.1 液固流化床换热器  10-12
  1.2 汽液固三相循环流化床蒸发器的研究  12-17
    1.2.1 多相流强化传热和防、除垢技术的研究与发展  12-14
    1.2.2 循环流化床换热器中流动特性的可视化研究  14
    1.2.3 汽液固三相流化床传热机理和模型的研究  14-17
      1.2.3.1 汽液两相流动沸腾传热  14-15
      1.2.3.2 汽液固三相循环流化床沸腾传热  15-17
  1.3 测试技术  17-18
    1.3.1 激光多普勒(LDV)测速  17
    1.3.2 摄像法  17-18
    1.3.3 颗粒成像测速法(PIV)  18
  1.4 多相流数值模拟  18-23
    1.4.1 多相流的数学模化方法  18-19
    1.4.2 多相流数值模拟理论的研究和发展..  19-23
      1.4.2.1 湍流统观模拟  19-21
      1.4.2.2 两相流模型理论  21-23
  1.5 本文的研究思路  23-25
第二章汽液固三相循环流化床蒸发器的可视化实验研究  25-49
  2.1 实验装置及流程  25-26
    2.1.1 实验装置  25
    2.1.2 实验流程  25-26
  2.2 实验工质及其性质  26-27
  2.3 实验参数的测定  27
  2.4 实验方案  27-28
  2.5 实验研究思路  28-29
  2.6 实验结果与讨论  29-48
    2.6.1 定性研究  29-34
      2.6.1.1 三相循环流化床蒸发器正常循环前的启动阶段  29-31
      2.6.1.2 三相循环流化床蒸发器的正常运行阶段  31-33
      2.6.1.3 三相循环流化床蒸发器中三相段的特性  33-34
    2.6.2 定量研究  34-48
      2.6.2.1 颗粒浓度和速度的处理方法  34-36
      2.6.2.2 固体颗粒的浓度  36-41
      2.6.2.3 固体颗粒的速度  41-45
      2.6.2.4 汽液固三相自然循环流化床的传热特性  45-48
  2.7 小结  48-49
第三章多相流体力学的数值模拟  49-59
  3.1 湍流多相流流体力学模型  49-50
  3.2 模型的数值计算方法  50-59
    3.2.1 通用微分方程  50-51
    3.2.2 微分方程的离散  51-55
    3.2.3 交错网格与压力修正  55-57
    3.2.4 微分方程的求解  57-58
    3.2.5 欠松弛技术  58-59
第四章自然循环流化床换热器中液固两相流的传热  59-92
  4.1 流化床换热器中两相流传热模型和传热机理的研究  59-63
    4.1.1 有限层流层模型  60-61
    4.1.2 双阻力膜模型  61
    4.1.3 非稳态传热模型  61-62
    4.1.4 颗粒替换模型  62-63
  4.2 循环流化床内液固两相流传热模型  63-74
    4.2.1 循环流化床中液、固两相流传热机理  63-64
    4.2.2 循环流化床中液固两相流传热模型  64-71
      4.2.2.1 单液相流传热方程  65-66
      4.2.2.2 固体颗粒对液相流动传热方程的影响  66-70
      4.2.2.3 液固两相的流动传热方程  70-71
    4.2.3 边界条件  71-74
      4.2.3.1 进口边界条件  72-73
      4.2.3.2 床壁面的边界条件  73-74
      4.2.3.3 中心线边界条件  74
      4.2.3.4 出口边界条件  74
  4.3 循环流化床换热器中液固两相流传热模拟结果与讨论  74-90
    4.3.1 固体颗粒加入量的影响  75-82
      4.3.1.1 固体颗粒加入量对液相流场的影响  75-77
      4.3.1.2 固体颗粒加入量对液相湍流程度的影响  77-80
      4.3.1.3 固体颗粒加入量对液相温度场的影响  80-82
    4.3.2 热通量的影响  82-90
      4.3.2.1 热通量对液相流场的影响  82-85
      4.3.2.2 热通量对液相湍流强度的影响  85-87
      4.3.2.3 热通量对液相温度场的影响  87-90
    4.3.3 传热系数的模型计算值与实验数据的比较  90
  4.4 小结  90-92
第五章中药浸取液汽液固三相流蒸发浓缩研究  92-100
  5.1 前言  92-93
  5.2 小试研究  93-97
    5.2.1 实验装置与测量  93-94
    5.2.2 实验工质  94
    5.2.3 实验方案及操作参数  94
    5.2.4 实验结果处理方法  94-95
    5.2.5 实验结果分析与讨论  95-97
      5.2.5.1 固体颗粒浓度对加热管壁温和传热温差的影响  95-96
      5.2.5.2 传热系数与固体颗粒浓度的关系  96
      5.2.5.3 中药浸取液蒸发量与固体颗粒浓度的关系  96-97
      5.2.5.4 固体颗粒的防、除垢效果  97
  5.3 中试研究  97-99
    5.3.1 实验装置  97-98
    5.3.2 中试实验及其结果  98-99
  5.4 小结  99-100
第六章结论  100-102
参考文献  102-111
符号说明  111-115
博士期间论文发表情况  115-116
致谢  116

循环流化床换热器中的流动、传热和防、除垢研究

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