氣液交叉流裝置冷凝過程的傳熱傳質特性

張峰榛，楊 虎，劉興勇

（四川理工學院材料與化學工程學院，四川 自貢 643000）

氣液交叉流裝置冷凝過程的傳熱傳質特性

張峰榛，楊 虎，劉興勇

（四川理工學院材料與化學工程學院，四川 自貢 643000）

建立了氣液交叉流冷凝過程的傳熱傳質模型并給出其動力學參數的表達式，通過實驗研究了不同工況下高溫含濕氣體橫掠冷卻液柱流陣列的熱質傳遞特性，獲得傳熱、傳質系數。研究表明，錯列排列對應的傳熱、傳質系數值為直列排列對應值的1.2～1.4倍；液柱流動誘發氣液界面附近的氣體發生湍動以及氣體繞流液柱引起的自身湍動，分別是低氣速和高氣速條件下強化氣液相間傳熱傳質的主要因素；本研究體系下路易斯準數在0.75～0.85范圍內。

氣液交叉流；冷凝；傳熱傳質；直列與錯列

隨著國家對環境的日趨重視，于2016年1月1日全國實施《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)。該標準增加了臭氧和PM2.5兩項污染物控制指標，規定PM2.5年平均小于35μg/m3?；剂先紵?，如火電廠發電燃煤尾氣是PM2.5的主要來源之一。從美國國家航空航天局2010年9月公布的世界各地PM2.5的密度圖來看，在我國東部沿海地區PM2.5質量濃度高達80μg/m3。源頭控制PM2.5勢在必行。

現有PM2.5脫除技術主要有纖維過濾、特殊場分離以及濕法分離。纖維過濾[1,2]的分離機理是細小顆粒由布朗運動引起的擴散沉積。具有分離效率高的優點，但同時存在阻力大、過濾材料再生難等不足；特殊場分離技術主要是依靠引入電場[3,4]、磁場[5]、聲場[6-8]等使顆粒受到一場力的作用，加速其在固體表面上的沉積。不過目前該方法并未廣泛用于工業尾氣處理中；傳統濕法分離主要是利用氣液兩相間高比表面實現微小顆粒的洗滌，該技術分離效率高，不過存在因霧沫夾帶帶來的二次分離問題[9]。

基于此，提出了利用高溫含濕氣體橫掠冷卻液柱流陣列實現凈化氣體的方法[10]。該方法具有推動力大、分離效率高、阻力小且霧沫夾帶少等特點。為此本文研究了含濕氣體橫掠冷卻液柱流陣列的氣液相際熱質傳遞特性，以期優化氣體凈化系統的過程參數以及指導設備制造。

1 氣液交叉流冷凝過程動力學模型

高溫含濕氣體橫掠冷卻液柱流陣列，氣相主體濕分壓力大于液柱流表面飽和濕分壓力，濕蒸汽從氣相主體向液柱流表面傳遞，即液柱流表面冷凝和氣體降溫減濕過程。在下述簡化假設條件下建立該過程的動力學模型：

(1)僅考慮含濕氣體沿流動方向的溫度、濕度變化，將三維問題簡化成一維；

(2)忽略液柱流熱焓變化；

(3)因液柱流表面更新較快，將液柱流溫度視為均勻，且等于其進口溫度；

(4)忽略液柱表面收縮，將液柱流視為圓柱。

圖1是氣液交叉流冷凝過程一維示意圖。以含濕氣體為研究對象，取微元控制體dl。

圖1 氣液交叉流冷凝過程微元控制體示意圖Fig.1 Schemeofgas-liquid cross-flow condensation process control system

控制體內傳熱方程由式(1)表達：

控制體內濕蒸汽傳質方程由式(2)表達：

式(1)、(2)中：wn-絕干氣體質量流量，kg/s；cH-干基濕比容，J/(kg·K)；T-干球溫度，K；h-給熱系數，W/(m2· K)；Tliq-液柱流溫度，K；a-液柱流陣列比表面積，m2/ m3；S-氣體流通橫截面積，m2；H-含濕量，為m(H2O)/ m(絕干氣)；kH-傳質系數，kg(絕干氣)/(m2·s)；Hliq-液柱流表面溫度對應的飽和含濕量，為m(H2O)/m(絕干氣)。

由式(1)、(2)可獲得氣液交叉流冷凝過程的動力學參數，即給熱系數和傳質系數，分別如表達式(3)和(4)。

式(3)和(4)中，A為液柱流陣列表面積，可由式(5)近似計算。

其中：n-液柱流根數；d0-液柱流直徑，m；L0-液柱流長度，m。不同實驗工況下，通過測得氣體流量、氣體的進出口溫度、濕度以及液體的溫度，可先獲得傳質系數kH；再采用數值解法求解式(3)，進而獲得給熱系數h。

根據Chilton-Colburn J因子的類比關系[11]，給出描述氣液交叉流冷凝過程傳熱速率與傳質速率之比的路易斯準數Le，如式(6)所示。

2 實驗裝置及流程

本文利用如圖2所示的氣液交叉流冷凝實驗裝置獲得其動力學參數。裝置主要由氣液交叉流冷凝室、風機、蒸汽發生裝置、電加熱器、離心泵、恒溫水槽組成。其中冷凝室的幾何尺寸為80×80×50mm，多孔布液器上開孔孔徑d0=5mm，開孔布置分直列和錯列兩種，如圖3所示。

恒溫水槽將儲水池內的液體溫度降低至實驗設定溫度后，磁力泵將恒溫水槽內的水加壓并通過液體流量計計量，送入冷凝室頂部的儲液槽，通過多孔板布液器使之均勻分布，形成連續穩定液柱流；氣體經風機加壓，由氣體流量計計量后，與蒸汽發生器產生的蒸汽混合并由電換熱器中加熱，進入氣液交叉流冷凝室，與液柱流陣列形成交叉流動發生傳熱傳質，最后從冷凝室出口流出。氣液交叉流冷凝室頂部及底部分別安裝溫度計測量液體溫度；冷凝室的氣體入口和出口處分別安裝數顯溫濕度計測量氣體溫度及相對濕度。實驗控制含濕氣體進口溫度和相對濕度分別在55～60℃和25%～30%范圍內。每組實驗液體進出冷凝室的溫差皆小于0.2℃。

圖2 氣液交叉流冷凝實驗裝置示意圖Fig.2 Experimental setup scheme of gas-liquid cross flow condensation process

圖3 布液器開孔布置示意圖Fig.3 Schematic openings layout of liquid distributor

3 結果與討論

3.1 液柱流陣列排列方式影響

圖4、5分別給出了在液速為0.79m/s條件下，液柱流陣列排列方式對給熱系數和傳質系數的影響?？梢?，給熱系數和傳質系數隨氣速增大而顯著增加；在同一氣速條件下，錯列排列對應的給熱系數值和傳質系數值為直列排列對應值的1.2～1.4倍。這主要是由于氣體繞流錯列排列的液柱流陣列更有助于增強氣體的湍動，強化傳熱傳質過程。

圖4 液柱流陣列排列方式對給熱系數的影響Fig.4 Effect of liquid column arrangement on heat transfer coefficient

圖5 液柱流陣列排列方式對傳質系數的影響Fig.5 Effect of liquid column arrangement on mass transfer coefficient

3.2 液柱流速影響

圖6、7分別給出了液柱流速對給熱系數和傳質系數的影響?？梢娭绷信c錯列排列條件下皆表現出：低氣速下，隨液柱流速的增大，給熱系數和傳質系數增加趨勢明顯；而高氣速下，給熱系數和傳質系數隨液柱流速的增大變化趨勢不明顯。以氣體流速為1.30m/s，錯列排列的實驗工況為例，液柱流速從0.53m/s增至1.0m/s，給熱系數和傳質系數分別從111.6W/(m2·K)和0.134kg(絕干氣)/(m2·s)增加至134.1W/(m2·K)和0.163kg(絕干氣)/(m2·s)，增幅分別達20.2%和21.1%；而氣體流速為2.50m/s，液柱流速從0.53m/s增至1.0m/s，給熱系數和傳質系數分別維持在190W/(m2·K)和0.24kg(絕干氣)/(m2·s)左右。這主要是由于在低氣速條件下，液柱流動誘發氣體在氣液界面附近發生湍動，強化了氣液相間的傳熱傳質過程；而高氣速條件下，由液柱流動誘發的氣體湍動程度較高氣速氣體繞流液柱引起的湍動小，給熱系數和傳質系數不隨液柱流速改變而改變。

圖6 液柱流速對給熱系數的影響Fig.6 Effect of liquid column flow rate on heat transfer coefficient

圖7 液柱流速對傳質系數的影響Fig.7 Effect of liquid column flow rate on mass transfer coefficient

3.3 熱質傳遞規律

為進一步探討氣液交叉流冷凝過程熱量質量傳遞規律，圖8給出了不同實驗工況下的路易斯準數?？梢?，在本研究體系下路易斯數Le值在0.75～0.85的范圍內。這一結果與常壓下空氣-水系統獲得的Le值約為0.868的結果[11]是一致的。

圖8 不同實驗工況下的Le值Fig.8 Lewis numbers in various experimental conditions

4 結論

(1)相同氣速下，錯列排列對應的給熱系數值和傳質系數值為直列排列對應值的1.2～1.4倍；

(2)低氣速下，液柱流動誘發氣液界面附近的氣體發生湍動是強化氣液相間傳熱傳質過程的主要因素；而高氣速下，氣體繞流液柱引起的自身湍動是強化傳熱傳質過程的主要因素；

(3)本研究體系下，描述氣液交叉流冷凝過程傳熱速率與傳質速率之比的路易斯準數Le在0.75～0.85范圍內。該研究結果對氣液交叉流氣體凈化系統的過程參數優化及設備制造具有指導意義。

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Characteristics of heat and mass transfer in condensation processof gas-liquid cross flow device

ZHANG Feng-zhen,YANG Hu,LIU Xing-yong
（School of Material and Chemical Engineering,Sichuan University of Science and Engineering,Zigong 643000,China）

The heat and mass transfer models for the condensation process of liquid-gas cross flow were established mathematically,and the expressions of heat and mass transfer coefficients were obtained.The characteristics of high temperature and humidity gas that flowed across an array of liquid columns were experimentally studied in various working conditions to get the heat and mass transfer coefficient.The results show that the heat and mass transfer coefficients of the staggered arrangement are 20%-40%higher than that of the aligned arrangement,and the gas turbulence near the gas-liquid interface caused by the flow of the liquid columns and the gas turbulence caused by the gas flow around liquid columns are the main factors that intensify the heat and mass transfer in low and high gas flow rates,respectively.The Lewis numbers in this study are between 0.75 and 0.85.

gas-liquid cross flow;condensation;heat and mass transfer;aligned arrangement and staggered arrangement

TQ02

：A

：1001-9219(2016）04-77-04

2016-03-16；

：四川省科技支撐計劃項目（2014GZ0132），四川理工學院人才引進項目（2012RC07）；

：張峰榛（1980-），男，講師，電話 15881329605，電郵zhangfengzhen421@163.com。