CN115854737B - 一种水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法，该方法通过公式(1)和公式(2)计算水浴换热器溢水板冗余临界高度，即泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，进而确定水浴换热器的结构参数，以满足工程需要。与现有技术相比，本发明水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法通过利用气体体积流量、孔板孔口气体静压、孔板直径、气泡通过孔板孔口的初始直径等参数计算得出泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，从而能方便快捷地确定水浴换热器的结构参数，来满足工程需要。

Description

一种水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法

技术领域

本发明属于气液两相流直接接触换热技术领域，具体涉及一种水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法。

背景技术

气液两相流直接接触换热一直以来都是传热学领域热门的研究课题之一，以这种方式进行传热的换热器与间壁式换热器比较，具有不易腐蚀、不易结垢、传热系数高、传热温差小、可在低温下操作等优点，因此这类换热设备在煤化工、石油化工领域得到广泛的应用，如流化床、洗涤冷却池、德士古气化炉等，这类装置还可以实现吸收气体混合物中的某些成分、净化除尘、气体增湿或干燥等功能，但它最广泛的用途是强化传热。从传热学角度出发，在不考虑温差的情况下，气液两相直接接触的传热面积、冷热流体之间的掺混强度和持续时间，是决定这类换热器传热效率的主要因素。

结合工程实际，于遵宏提出了高温煤气与水直接洗涤的换热除尘系统，设备主要通过环形喷水管和鼓泡区实现除尘和热质传递；周小铜设计出了煤矿井下巷道施工用水浴式除尘装置，该装置主要依托抽水泵将箱体中的水抽向空中形成喷雾，利用喷雾降尘原理，使空气中的粉尘与水结合后，再次落入其下方的水箱中，经沉降过滤，水箱中的水达到循环使用的目的；卢瑞华以洗涤冷却池为研究对象，搭建了传热模型，对模型中的气体下降管中心温度分布进行了实验测试，并以泡状流相关参数为优化依据，对洗涤冷却池内部结构进行了优化设计；谢海燕采用VOF模型对水煤浆汽化炉激冷室内合成气穿越液池过程的流动特性进行了数值模拟研究；陈意心采用欧拉双流体模型对水煤浆汽化炉洗涤冷却池内气液两相的分布特性进行了数值模拟研究；Mendelson从波动理论的角度出发，建立了湍流区泡状流中气泡瞬态速度与瞬态直径的函数关系。然而，水浴换热器气液两相触接时间短、接触面积小、液相水存在“死区”的问题依然突出，并且用于强化换热的水浴换热器溢水板冗余临界高度的确定方法尚未形成。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的之一在于利用传热学和流体力学的基本理论，结合气液两相流直接接触的传热特点，提供一种水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法，可以方便快捷地确定水浴换热器的结构参数，以满足工程需要。

本发明的上述目的是通过如下技术方案来实现的：一种水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法，所述水浴换热器包括进风管、溢水板、装置外壁、孔板、液位计；装置外壁形成储存水的空间，溢水板为筒状，设置于装置外壁中；孔板设有多个孔板孔口，横向安装于溢水板，将溢水板内部分为上下两部分，进风管末端插设于溢水板内部下部，设置出气孔与溢水板内部连通，溢水板内部上部形成泡状流区域，溢水板外部形成外侧水域，溢水板下方还设有通道连通外侧水域，泡状流区域和外侧水域组成水浴换热区；热流体从进风管进入，在出气孔处与冷流体初始接触，受到水的浮力作用，气流上升并通过孔板上的孔口变成泡状流；气流的进入会同时引起泡状流区域液面的上升，当上升高度大于溢水板高出液面高度后，水流从溢水板溢出进入外侧水域，而外侧水域与泡状流区域构成了一个连通器，两侧液面为了保持相平，水流会不断从溢水板下方的通道进入泡状流区域，使冷热流体进行充分搅动，增强换热效果；该方法通过公式(1)和公式(2)计算水浴换热器溢水板冗余临界高度，即泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，进而确定水浴换热器的结构参数，以满足工程需要，

H＜G·P_静·C(G) (1)

其中，C(G)是关于G的函数，由公式(2)表示

在式(1)和式(2)中，H是泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，单位m；G是气体体积流量，单位m³/s；P_静是孔板孔口气体静压，单位是Pa；C(G)是关于G的函数，由公式(2)表示；公式(2)中，D是孔板直径，单位m；d₀是气泡通过孔板孔口的初始直径，单位m；ρ是水的密度，单位kg/m³；δ是水的表面张力，单位N/m；g是重力加速度，单位m/s²。

优选地，孔板直径D＝1.2m,在26℃水的密度ρ＝996.7kg/m³，水的表面张力δ＝0.07182N/m，重力加速度g＝9.8m/s²。

优选地，考虑到出气孔与孔板之间的间距远小于溢水板高度，故忽略两者间间距的影响。

优选地，假设分散相气泡不发生横向运动。

优选地，气泡瞬态直径近似用气泡初始直径代替，从而气泡运动过程中体积不发生变化。

优选地，还包括：给G与P_静的赋值，G的赋值范围为1m³/s≤G≤5m³/s；P_静依次赋值为2000Pa、2500Pa、3000Pa。

优选地，还包括：把已赋值的G和P_静代入公式(1)和公式(2)，利用数值仿真工具，计算不同进风状态参数下泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值H，绘制关系曲线图。

与现有技术相比，本发明水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法通过利用气体体积流量、孔板孔口气体静压、孔板直径、气泡通过孔板孔口的初始直径等参数计算得出泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，从而能方便快捷地确定水浴换热器的结构参数，来满足工程需要。

附图说明

图1是本发明实施例水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法中水浴换热器的结构示意图。

图2是图1中的A-A向示意图。

图3是图2中的B-B向示意图。

图4是进风流量与溢水板超出液面高度临界值的关系曲线图。

图中：1——进风管；2——装置外壁；3——支座；4——排污口；5——出气孔；6——溢水板；7——泡状流区域；8——孔板；9——气泡；10——外侧水域；11——排水口；12——液位计；13——挡水板；14——电磁阀；15——进水管；16——孔板孔口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本发明实施例中，水浴换热器主要包括进风管1、溢水板6、装置外壁2、支座3、挡水板13、进水管15、液位计12等。装置外壁2为圆筒状，通过支座3固定于地面、平台或支架等上，其内部用于储存水，底部设有排污口4用于排出脏污。装置外壁2的侧壁下部设有排水口11用于排水，侧壁中部设有液位计12用于测量液面高度，侧壁上部设有出风管，出风管中安装有挡水板13。进水管15连通装置外壁2内部，在靠近装置外壁2的位置装有电磁阀14。进风管1末端设有多个出气孔5，出气孔5连通装置中的水。溢水板6为圆筒状，设置于装置外壁2中，内部通过横向安装设有多个孔板孔口16的孔板8将溢水板6内部分为上下两部分。进风管1末端插设于溢水板6内部下部，溢水板6内部上部形成泡状流区域7。溢水板6外部形成外侧水域10，溢水板6下方还设有通道连通外侧水域10。泡状流区域7和外侧水域10组成水浴换热区。

热流体从进风管1进入，在出气孔5处与冷流体初始接触，受到水的浮力作用，气流上升并通过孔板8上的板孔孔口16产生气泡9变成泡状流，增加了气液两相的换热面积。气流的进入同时会引起泡状流区域7液面的上升，当上升高度大于溢水板高出液面高度后，水流从溢水板溢出进入外侧水域，而外侧水域与泡状流区域构成了一个连通器，根据连通器原理，两侧液面为了保持相平，水流会不断从溢水板下方的通道进入泡状流区域，使冷热流体得到充分搅动，增强换热效果。气流在流出液面后，经挡水板13从出风管流出。

参见图2、图3，本发明实施例水浴换热器溢水板冗余临界高度(即溢水板超出液面高度的临界值)确定方法的具体步骤及推算过程如下：

为简化计算，做出以下三点假设：

(1)考虑到出气孔与孔板之间的间距远小于溢水板高度，故忽略两者间间距的影响。

(2)分散相气泡不发生横向运动。

(3)气泡瞬态直径近似用气泡初始直径代替，从而气泡运动过程中体积不发生变化。

在该水浴换热器内运动的气泡受到浮力和阻力影响，上升速度会随着上升高度的变化而发生变化，有下式：

在式(1)中，u_b是某段时间末气泡的终态速度，单位m/s；d是气泡瞬态直径，单位m；ρ是水的密度，单位kg/m³；δ是水的表面张力，单位N/m；g是重力加速度，单位m/s²。

选取气泡上升高度方向上的微分单元进行计算，存在以下关系：

dz＝u_b·dt (2)

对式(2)进行积分，得：

在式(3)中，等号左手边的积分上限Z是孔板距离液面的高度，单位m；等号右手边的积分上限t是单个气泡从孔板运动到液面需要的时间，单位s。

气流上升通过孔板上的孔口时，气泡初始状态存在以下关系：

G＝w·S·u₀ (5)

式(5)由流体连续性方程得出，在式(4)和式(5)中，d₀是气泡通过孔板孔口的初始直径，单位m；u₀是气泡通过孔板孔口的初始速度，单位m/s；d_e是孔板孔口直径，单位m；G是气体体积流量，单位m³/s；w是孔板开孔率，按经验值取60％；S＝πD²/4，是孔板面积，单位m²，D是孔板直径，单位m。

联立(1)～(5)式，可得单个气泡从孔板运动到液面需要的时间：

则在单个气泡从孔板运动到液面的t时间内，泡状流区域内流入的气体体积为：

V＝G·t (7)

式(7)中，V是t时间内，泡状流区域内流入的气体体积，单位m³，这部分体积的流入必然会引起泡状流区域液面的上升，存在以下关系：

ΔV＝V (8)

在式(8)和式(9)中，ΔV是因气体流入而引起泡状流区域增加的体积，单位m³；h是因泡状流区域体积增加而引起液面上升的高度，单位m；π是圆周率，无量纲数；D是孔板直径，单位m。

按照流体力学知识，要使气泡冲出液面，需满足孔板孔口气体静压大于该处位压的要求，即：

P_静＞Z·ρ·g (10)

式(10)中，P_静是孔板孔口气体静压，单位是Pa；Z是孔板距离液面的高度，单位m；ρ是水的密度，单位kg/m³；g是重力加速度，单位m/s²。

为保证泡状流区域内的水能从溢水板溢出，溢水板超出液面高度的临界值满足下式：

H＜h (11)

式(11)中，H是泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，单位m。

联立(6)～(11)式，有：

H＜G·P_静·C(G) (12)

其中，C(G)是关于G的函数，由公式(13)表示

在式(12)和式(13)中，H是泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，单位m；G是气体体积流量，单位m³/s；P_静是孔板孔口气体静压，单位是Pa；C(G)是关于G的函数，由公式(13)表示。公式(13)中，D是孔板直径，单位m；d₀是气泡通过孔板孔口的初始直径，单位m；ρ是水的密度，单位kg/m³；δ是水的表面张力，单位N/m；g是重力加速度，单位m/s²。

以某气液两相直接接触的水浴换热器例，计算泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值。根据现场测量，孔板直径D＝1.2m，孔板孔口直径d_e＝0.05m。在26℃水的密度ρ＝996.7kg/m³，水的表面张力δ＝0.07182N/m，重力加速度g＝9.8m/s²，代入式(13)中，则得式(14)：

将公式(14)代入公式(12)，得泡状流区域溢水板超出液面高度临界值的计算式(15)：

根据工程实际，对进风流量G和静压P_静进行赋值计算：

(1)进风管进入的风量赋值范围为1m³/s～5m³/s。

(2)孔口气体静压赋值为2000Pa、2500Pa、3000Pa。

(3)利用数值仿真工具进行求解，为保证泡状流区域内的水能从溢水板溢出，得出进风G和P_静与溢水板超出液面高度临界值H的关系，绘制关系曲线图如图4。

本实施例通过利用气体体积流量、孔板孔口气体静压、孔板直径、气泡通过孔板孔口的初始直径等参数计算得出泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，以快速设计溢水板超出液面高度的尺寸，从而能方便快捷地确定水浴换热器的结构参数，来满足工程需要。

Claims (4)

1.一种水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法，所述水浴换热器包括进风管、溢水板、装置外壁、孔板、液位计；装置外壁形成储存水的空间，溢水板为筒状，设置于装置外壁中；孔板设有多个孔板孔口，横向安装于溢水板，将溢水板内部分为上下两部分，进风管末端插设于溢水板内部下部，设置出气孔与溢水板内部连通，溢水板内部上部形成泡状流区域，溢水板外部形成外侧水域，溢水板下方还设有通道连通外侧水域，泡状流区域和外侧水域组成水浴换热区；热流体从进风管进入，在出气孔处与冷流体初始接触，受到水的浮力作用，气流上升并通过孔板上的孔口变成泡状流；气流的进入会同时引起泡状流区域液面的上升，当上升高度大于溢水板高出液面高度后，水流从溢水板溢出进入外侧水域，而外侧水域与泡状流区域构成了一个连通器，两侧液面为了保持相平，水流会不断从溢水板下方的通道进入泡状流区域，使冷热流体进行充分搅动，增强换热效果；

该方法基于如下假设：考虑到出气孔与孔板之间的间距远小于溢水板高度，故忽略两者间间距的影响；假设分散相气泡不发生横向运动；气泡瞬态直径近似用气泡初始直径代替，从而气泡运动过程中体积不发生变化，

通过公式(1)和公式(2)计算水浴换热器溢水板冗余临界高度，即泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，进而确定水浴换热器的结构参数，以满足工程需要，

H＜G·P_静·C(G) (1)

其中，C(G)是关于G的函数，由公式(2)表示

在式(1)和式(2)中，H是泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值，单位m；G是气体体积流量，单位m³/s；P_静是孔板孔口气体静压，单位是Pa；C(G)是关于G的函数，由公式(2)表示；公式(2)中，D是孔板直径，单位m；d₀是气泡通过孔板孔口的初始直径，单位m；ρ是水的密度，单位kg/m³；δ是水的表面张力，单位N/m；g是重力加速度，单位m/s²。

2.根据权利要求1所述水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法，其特征在于：孔板直径D＝1.2m,在26℃水的密度ρ＝996.7kg/m³，水的表面张力δ＝0.07182N/m，重力加速度g＝9.8m/s²。

3.根据权利要求1或2所述水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法，其特征在于：还包括：给G与P_静的赋值，G的赋值范围为1m³/s≤G≤5m³/s；P_静依次赋值为2000Pa、2500Pa、3000Pa。

4.根据权利要求3所述水浴换热器溢水板冗余临界高度确定方法，其特征在于：还包括：把已赋值的G和P_静代入公式(1)和公式(2)，利用数值仿真工具，计算不同进风状态参数下泡状流区域溢水板超出液面高度的临界值H，绘制关系曲线图。