复合肥粒状颗粒移动床传热特性研究

杨凌 史启才 刘志军 冷涛田

大连理工大学流体与粉体工程设计研究所 大连 116012

E-mail: 7331yangling@

摘要：本文着重进行了不同流道宽度、不同复合肥颗粒流速条件下，复合肥粒状颗粒移动床中的传热特性的研究；并针对一种复合肥颗粒流速，改变换热介质流速来观察液相对换热的影响。通过实验数据整理和分析，得出了复合肥颗粒在移动床换热器中的特征参数关系，找出了温度、传热速率及传热系数变化的规律。

关键词：颗粒介质；移动床；传热系数

中图分类号：TK172

1.前言

粉粒体传热在化工、石油化工、轻工、食品和冶金等工业生产中具有重要意义。例如，氟化铝是一种主要工业原料，作为电解铝必用助熔剂，主要用于调整铝电解槽电解质的分子比、降低熔点和提高电解质的导电率、生产酒精时作发酵的抑止剂、陶瓷外层釉彩的助熔剂、非铁金属的熔剂、制造光学透镜以及有机合成的催化剂等。氟化铝的生产中，从煅烧炉[1,2]或回转炉[3]出来的氟化铝成品，温度大约在400~650 ℃，进行包装之前必须将氟化铝颗粒降温至60 ℃以下，同时可以实现热量回收。又如，复合肥的生产中，经过锻烧炉造粒后的复合肥颗粒，温度大约在80℃左右，为防止结块、吸湿、潮解、粉化并便于包装，有必要对刚生产出的复合肥颗粒进行冷却。对于粉粒体物料加热或冷却装备，国内外广泛采用的是流化床和回转炉等方法。这些方法是借助于空气作为换热介质，通过空气与粉粒体的直接接触的过程中完成能量的传递，存在

投资大、设备能耗高、占地面积大、运行费用高、换热介质受季节

的影响较严重、对环境造成一定污染等不足。间壁式移动床换热器

可以克服传统换热器的弊端及其它诸多难以克服的问题。

目前，在填充床领域被广泛接受的理论模型为“两区模型[4]”，

即整个颗粒床层被看作是具有均匀热物理性质的连续介质，在近壁

处受到一层均匀气膜的扰动，传热板与粉体流之间传热热阻是中央

核心区的传热热阻和壁面区热阻之和[5]。如图1所示，粉粒体在波

面板间的流道中连续下落，颗粒之间的空气被迫随着颗粒向下运动，

颗粒与波面板流道内的热水进行逆流间壁换热，其传热热阻主要集

中在粉粒体一侧[6]。对于复合肥颗粒的传热特性及其在移动床中的

传热规律目前还没有相关的研究。由于冷却与加热的机理完全相似，为了实验方便，本文采用热水通过波面板来对复合肥颗粒进行加热，研究和讨论了复合肥颗粒在移动床换热器中的传热特性。

图1 移动床流道示意图

Fig 1 the sketch map of moving bed’s

channel

2 实验装置及流程

2.1 实验装置

波面板换热装置示意图如图2，其中箱体外形尺寸为300 mm×250 mm×1200 mm，支座

2.2 实验流程

本实验装置包括加热及传热速率测量系统、物料运送及控制系统、测温系统。将调压器调至较大电压值使水箱内水加热至100 ℃，再将调压器调至较小值保持水温基本恒定。水箱内的热水经管道泵进入分配器，均匀后的热水再经各个转子流量计进入波面板对粉粒体进行加热。粉粒体经波面板加热后，落到料斗内。出料斗上安装振动电机，出料斗通过带有减震橡胶的螺栓与装置壳体柔性联接在一起，避免由于电机的振动而引起整个装置的振动。装置通过调节出料调节板开口的大小来控制粉粒体的流量，变频器调为16 Hz。水箱、装置壳体、管线、分配器外围均有保温材料进行保温，最大限度的减少热量损失。波面板内放出的热量全部用于粉粒体的加热，我们所测量的传热速率基本上是粉粒体温升所需要的热量。通过各个转子流量计可测出热水的流量，结合热水进出口温度值，可以计算出波面板内热水放热速率。再结合粉粒体进出口温度值，可以计算出被加热粉粒体吸热速率。测温系统主要由1支温度计及4支接触式表面热电偶组成，分别测水箱内温度、热水进出口温度及粉粒体进出口温度。

2.3 实验工况

热水流速为1 L/min，板间距为3种，物料流速分别为37.9 mm/min、59.2 mm/min、76.6 mm/min，100.4 mm/min及118.5 mm/min；板间距为50 mm，颗粒流速为100.4 mm/min，热水流速分别为0.4 L/min、1 L/min及2 L/min。

1 调压器

2 水箱 3、2

3 保温板 4、5、6、8、9、10、14、16、17、19 调节阀

7 管道泵 11、21 分配器 12 温度计 13、20、26、30 表面热电偶

15 转子流量计 18 温度显示仪 22 装置壳体 24 进料斗 25、29 间距调节板

27 波面板 28 视窗 31 支座 32 出料斗 33 振动电机 34 出料调节板

35 变频器 36 料斗 37 滚轮

图2 实验装置流程图

Fig 2 Experiment and flow chart

波面板换热装置的主要特征参数包括温升、传热速率、传热系数、板间距、粉粒体和热水流速、粉粒体和热水进出口温度，它们之间存在一定的关系和相应的变化规律。粉粒体从入口处初始状态下，流入波面板流道内，到达出口处时，被加热至一定温度。在这个过程中，温升、传热速率及传热系数随粉粒体与波面板的接触时间而变化，在板长一定时，接触时间与粉粒体流速有关，故温升、传热速率及传热系数随着粉粒体的流速变化而变化。

3.1 特征参数之间的关系

从图3、图4中，我们可以看出在加热介质流速(1 L/min)不变的情况下，随着粉粒体流量的增大，其温升减小，传热速率增加。这是因为粉粒体流量增大，导致粉粒体与波面板的接触时间减小，致使传热系数增加的缘故；同时，物料在自重及振动电机的作用下运动，颗粒碰到壁面后运动方向发生改变[7]

，对壁面的气膜进行冲刷及减薄，这不但更新了壁面区的物料，又促进了中央区的物料的传热。传热系数越大，单位时间内热水的给热量就越多。在热水流速不变的情况下，不同板间距，其间距越小，粉粒体进出口温升也越大，传热速率也随之增加，故在不引起颗粒架桥的情况下，板间距越小，波面板传热效果越好。

图3 温升与粉粒体流速的关系

Fig3 Relationship between the temperature difference and the particle velocity of flow

图4 传热速率与粉粒体流速的关系

Fig4 Relationship between the heat transfer rate and the particle velocity of flow

总传热膜系数α的计算公式如下：

m

Q

A T α=

Δ (1) 式中△Tm 为对数平均温差，计算公式如下：