分段數對生長管過飽和環境特征的影響

于　燕　 張　軍　 陳廣闖　 徐俊超　 閭　荔　 鐘　輝

(東南大學能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室, 南京 210096)

我國的能源結構以燃煤為主,而PM2.5的主要來源是燃煤排放的細顆粒物．傳統的除塵設備難以有效脫除細顆粒物,現有脫除PM2.5的一項重要預處理技術是通過物理或化學作用使顆粒團聚并長大后再進入傳統設備進行除塵[1]．目前預處理技術有蒸汽相變、聲團聚、電凝并、化學團聚等[2-6]．

水汽相變技術由于過程簡單、易于實現且顆粒長大效果明顯,受到了國內外廣泛關注．細顆粒在過飽和水汽環境中的生長與過飽和度呈指數關系[7],因此構建高效的過飽和環境對細顆粒長大效果至關重要．低溫飽和氣體與高溫液體相接觸和高溫含濕氣體與低溫液體相接觸因能耗較低,裝置簡單,是常見的過飽和環境構建方法,且顆粒生長場所雙生長管大多采用整段的形式[8-10]．然而文獻[11-12]計算結果表明,整段式生長管中過飽和度水平在其后半段出現大幅度下降的現象,致使生長管中過飽和度分布的均勻性很差,且平均過飽和度偏低．

整段式生長管中過飽環境不佳的原因主要是在生長管后半段管壁水和氣流之間的溫差減少,導致氣體與水蒸氣之間的傳熱傳質動力減弱．由此可見,提高生長管后半段管壁水和氣流的溫度差是改善生長管過飽和環境的有效途徑．基于此,于燕等[13]提出了兩段式生長管,即采用低溫飽和氣體與高溫熱水接觸后再與低溫冷水相接觸、高溫含濕氣體與低溫液體相接觸后再與高溫熱水相接觸的方式構建過飽和環境.計算結果表明,與整段式生長管相比,兩段式生長管中過飽和度水平有一定程度的提高,且在其后半段尤為明顯,但過飽和度分布整體上仍呈現較高程度的不均勻．

Roberts等[14]利用冷氣流與管壁熱水(熱水溫度設定為梯度溫度)相接觸構建過飽和環境,這相當于將生長管改進為多段式生長管,研究發現此時在生長管中心附近處過飽和度略接近于固定值,由此表明多段式生長管能更好改善生長管中過飽和度分布．但目前關于不同構建方式下生長管分段情況對平均過飽和度分布特征(過飽和度分布均勻性及過飽和水平的高低)影響的研究很少．為此,本文利用變物性參數的傳熱傳質模型對2種構建過飽和環境方式中不同分段數下生長管中的過飽和度分布進行了計算,對它們的過飽和環境特性進行了分析比較,同時考察了不同初始參數、生長管長度等操作條件下生長管分段數對過飽和度分布特征的影響．

1　生長管模型

細顆粒物在生長管中進行異質核化凝結長大．為了便于研究生長管中過飽和度分布特性,參考文獻[15]水汽條件下細顆粒長大實驗系統中生長管的相關設計,生長管長度為L,半徑R為0.75 cm,氣流平均流速U為0.74 m/s．設氣流進口溫度為Tin,將生長管長度L平均分為n段,每一段管壁溫度用Tw1,Tw2,…,Twn來表示．生長管物理模型如圖 1所示．

圖1　多段式生長管模型

2　相關參數和計算模型

生長管中工作液體為水．因空氣的熱力學參數已有相應的測量值,而其性質與燃煤煙氣相近,為此選用空氣作為載氣．空氣熱擴散系數和水蒸氣在空氣中的傳質系數隨溫度的函數關系為[12]:αt=0.001 4T-0.19,αv=1.18×10-5T1.75,其中αt為傳熱系數,cm2/s,αv為傳質系數,cm2/s,T為絕對溫度, K．

3　多段式生長管中不同操作條件下的過飽和環境特征

在多段式生長管中,本文采用以下方式構建過飽和環境: ① 方式1．因氣體溫度不斷提升,采用管壁水溫度不斷增加的方式能保證生長管后半段氣流與管壁水由足夠的溫差進行傳熱傳質,即溫度為Tin的冷氣流依次進入生長管的每一段,與管壁熱水進行傳熱傳質形成過飽和環境,TinTw1,Tw1>Tw2>…>Tw(n-1)>Twn．為了方便研究,本文采用管壁鄰段相同的溫差,即ΔT=|Tw1-Tw2|=…=|Tw(n-1)-Twn|．

3.1　方式1下過飽和環境特征

根據細顆粒長大實驗系統中生長管的相關設計[15],選取L=120 cm為基本長度,在Tin=298 K,Tw1=333 K,Twn=338 K下分別對n=2,5,10,15時生長管中的過飽和度進行了計算．由文獻 [12]研究可知,生長管中心附近處過飽和度分布較為均勻且過飽和度值相對較高,本文基于此,以0≤r/R≤0.5范圍內平均過飽和度的計算結果為例進行討論．基于不同分段數n下的計算可知,生長管中的平均過飽和度分別為1.309 0,1.401 8,1.423 0,1.338 5．由圖2可以看出,當n=2時,過飽和度水平隨生長管軸向距離先增加后快速下降,致使整體過飽和度分布均勻性較差;當n增大后,隨管長的增加,在前期過飽和度增加速度減緩,而在后期其下降速度明顯降低;當n增大到10時,后期過飽和度幾乎保持穩定,過飽和度分布均勻性明顯提高,但當n進一步增大到15時,過飽和度隨管長的增加一直緩慢增加,且沒有出現峰值,過飽和度整體水平降低．通過計算可知,在一定范圍內分段數n增加有利于過飽和水平的提高和均勻化,當n過大時,整體過飽和度水平開始降低．

圖2　方式1下不同n對過飽和度分布的影響

在方式1中,管壁液相水蒸氣一直向氣相進行質量和熱量擴散,使氣流的水蒸氣分壓和氣相溫度不斷增加．n較小時,在生長管前半段,氣相蒸汽壓的增加比該溫度下的飽和蒸汽壓增加要快,因此過飽和度增加;在后半段氣流溫度增加相對顯著,因飽和蒸汽壓與溫度呈指數關系[18],此時氣相溫度增加導致飽和蒸汽壓的增加比蒸汽分壓增加要快,因此過飽和度出現較嚴重的下降現象.n越大,每段中管壁水與氣流溫差越小,導致氣體與管壁熱水之間的傳熱傳質過程變得遲緩,因此前期過飽和度增加相對較慢.n越大,隨軸向位置的增加管壁熱水的溫度梯度越小,氣相溫度增加緩慢,同時氣相水蒸氣分壓增加也較為緩慢,使得飽和蒸汽壓和水蒸氣分壓增加達到一個平衡狀態,即出現在生長管后半段過飽和度水平呈平緩趨勢的現象.n過大時,氣相溫度增加尤為緩慢,氣相水蒸壓分壓增加比該溫度下飽和蒸汽壓增加要快,即出現過飽和水平一直緩慢增加的現象.分段數n越大,每段中管壁水與氣體的溫差減小,使得氣體與管壁水的傳熱傳質過程變得緩慢,峰值出現的位置較晚，即距離進口位置越遠.n過大時峰值消失,過飽和水平下降．

由圖2可知,n=10時生長管中過飽和度水平較高同時分布較為均勻.因此以n=10為對象,對進氣溫度Tin=288、308 K,第n段管壁水溫度Twn=335、348 K,生長管中0≤r/R≤0.5范圍內生長管中平均過飽和度分布進行研究,結果如圖3所示．由圖可以看出,降低進氣溫度和增加管壁水溫度都可提高生長管中過飽和度水平．通過改變進氣和管壁水溫度這2種方法可以發現,降低進氣溫度更有利于生長管中過飽和度水平的提高和過飽和度分布均勻化．這是因為降低進氣溫度和增加管壁水溫度都有利于傳熱傳質,使得過飽和度得到提高;降低進氣溫度使得氣相溫度顯著下降,由于飽和蒸汽壓與溫度呈指數關系[18],因而氣體的飽和蒸汽壓也顯著下降,更有利于整體過飽和度水平的提高;管壁水溫度增加有利于液相水蒸氣向氣相擴散,因水蒸氣在空氣中傳質較傳熱快,故氣相水蒸氣分壓增加較為顯著,同時n較大時氣相溫度增加

圖3　方式1下不同Tin和Twn對過飽和度分布的影響

較為緩慢,使得氣相水蒸氣分壓增加比該溫度下的飽和蒸汽分壓增加相對更快,即出現管壁水溫度增加和生長管中過飽和度呈現一直緩慢增加的現象．

圖4為L=100,120,150 cm,n=10,Tin=298 K,Tw1=333 K,Twn=338 K時,0≤r/R≤0.5范圍內生長管中平均過飽和度分布．由圖可以看出,L較大時,過飽和度出現先增加后降低的趨勢;L較小時,過飽和度出現一直緩慢增加的現象．這是因為L越大,當分段數n相同時,可以理解為L相同分段數n減小,有利于液相水蒸氣向氣相擴散,氣相溫度增加較快,使得氣相蒸汽分壓增加更快,導致過飽和度的增加相對較快;同時,L較大時,增加了氣相與液相傳熱傳質的時間,氣相溫度可以得到充分地提高,因飽和蒸汽壓與溫度呈指數關系[18],飽和蒸汽壓的增加較氣相水蒸氣分壓增加快時,過飽和度便開始下降;L較小時,氣相溫度增加緩慢,同時氣相水蒸氣分壓增加也較為緩慢,氣相溫度增加導致飽和蒸汽壓緩慢增加帶來的影響更為顯著,即當L較小時,過飽和度會出現一直緩慢增加的現象．

圖4　方式1下不同L對過飽和度分布的影響

3.2　方式2下過飽和環境特征

圖5為L=120 cm,n=2,3,5,10,15,Tin=338 K,Tw1=303 K,Twn=298 K時,0≤r/R≤0.5范圍內生長管中平均過飽和度分布(原理同方式1)．計算得到n=2,3,5,10,15時生長管中平均過飽和度分別為1.209 1,1.210 0,1.192 5,1.125 0,1.081 1．由圖5可以看出,生長管分段數n越小,整體過飽和度水平較高且隨軸向位置距離進口越遠,過飽和水平越有降低趨勢;生長管分段數n較大時,隨軸向位置距離進口越遠,過飽和水平出現先增加后趨于平緩的現象．這是因為該方式主要是通過氣相向液相傳熱使氣相溫度降低形成過飽和,n越小管壁水的溫度梯度越大,越有利于氣相向液相傳熱,使得過飽和水平較高，經計算,n越小氣相溫度的降低速率越大,n越大,氣相溫度的降低速率越趨于平緩,同時氣相水蒸氣分壓也呈現同樣的規律.n越小，生長管后段氣相溫度相對前段降低緩慢,飽和蒸汽壓相比于氣相水蒸氣分壓降低緩慢,過飽和水平有降低的趨勢;n越大,管壁水的溫度梯度越小,氣相溫度降低較為緩慢,同時氣相水蒸氣分壓降低也較為緩慢,即出現n越大在生長管后段過飽和度水平呈平緩趨勢的現象．

圖5　方式2下不同n對過飽和度分布的影響

由圖5和計算可知,n=3時過飽和度水平較高且分布較為均勻;n=10時過飽和度水平均勻性較好．圖6給出了L=100,120,150 cm,n=3,10,Tin=338 K,Tw1=303 K,Twn=298 K時,0≤r/R≤0.5范圍內生長管中平均過飽和度分布．由圖可以看出,n=3時,生長管總長度L減小有利于過飽和度分布均勻;n=10時,生長管總長度L增加有利于提高整體過飽和水平．這是因為n較小時,生長管后段氣相溫度降低導致氣相水蒸氣分壓降低效果更為顯著,使過飽和度水平下降,L減少不會導致氣相溫度進一步降低,避免上述現象的發生,有利于過飽和度水平均勻化;n較大時,L增加有利于氣相向液相傳熱,使氣相溫度降低更為顯著,整體過飽和水平提高．

圖6　方式2下不同L對過飽和度分布的影響

圖7為L=120 cm,n=3,進氣溫度Tin=328,348 K,第n段管壁水溫度Twn=288,300 K時,0≤r/R≤0.5范圍內生長管中平均過飽和度分布．由圖可以看出,增加進氣溫度和降低管壁溫度都可提高生長管中過飽和度水平.通過對比上述2種方法可以發現,增加進氣溫度更有利于生長管中過飽和度水平的提高和過飽和度分布的均勻．這是因為增加進氣溫度在生長管入口處推動了傳熱,氣相溫度迅速降低,同時氣相水蒸氣分壓較大使過飽和水平得到很大的提高;降低管壁水溫度,氣相在生長管起始段中的傳熱傳質過程并沒有發生改變,經過第1段管壁水溫度梯度增加,更有利于氣相向液相傳熱,促進氣相溫度降低,過飽和度水平得以提高,但不利于過飽和度分布均勻化．

圖7　方式2下不同Tin和Twn對過飽和度分布的影響

3.3　分段數與構建方式、溫差、生長管長度的關系

表1　不同構建方式、溫差、生長管長度下最小分段數分布

注：None表示該參數下過飽和度分布不均勻.

4　結論

1) 與整段式生長管相比,分段數n的增加有助于彌補生長管后段過飽和度水平下降的現象．在多段式生長管中,采用方式1,較多的分段數n有利于過飽和度分布均勻,且存在一個合適的分段數n既能保證過飽和水平的均勻化也能使整體過飽和水平較高;在保證生長管中過飽和分布均勻的前提下,降低進氣溫度能提高整體過飽和水平;生長管總長度L和溫差ΔT越大,要保證整體過飽和水平的均勻性就需要提高生長管的分段數n．

2) 在多段式生長管中,采用方式2,較多的分段數n雖然能保證過飽和水平均勻化,但n增大,整體過飽和水平顯著下降;n=3時,若采取合適的生長管總長度L、進氣溫度與管壁水溫度，也能獲得較均勻和過飽和水平高的過飽和環境;L越大,要保證整體過飽和水平的均勻性需要提高生長管的分段數n,相反地,ΔT越大要保證整體過飽和水平的均勻性則需要減小分段數n．

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