分段数对生长管过饱和环境特征的影响

于　燕　 张　军　 陈广闯　 徐俊超　 闾　荔　 钟　辉

(东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室, 南京 210096)

我国的能源结构以燃煤为主,而PM2.5的主要来源是燃煤排放的细颗粒物．传统的除尘设备难以有效脱除细颗粒物,现有脱除PM2.5的一项重要预处理技术是通过物理或化学作用使颗粒团聚并长大后再进入传统设备进行除尘[1]．目前预处理技术有蒸汽相变、声团聚、电凝并、化学团聚等[2-6]．

水汽相变技术由于过程简单、易于实现且颗粒长大效果明显,受到了国内外广泛关注．细颗粒在过饱和水汽环境中的生长与过饱和度呈指数关系[7],因此构建高效的过饱和环境对细颗粒长大效果至关重要．低温饱和气体与高温液体相接触和高温含湿气体与低温液体相接触因能耗较低,装置简单,是常见的过饱和环境构建方法,且颗粒生长场所双生长管大多采用整段的形式[8-10]．然而文献[11-12]计算结果表明,整段式生长管中过饱和度水平在其后半段出现大幅度下降的现象,致使生长管中过饱和度分布的均匀性很差,且平均过饱和度偏低．

整段式生长管中过饱环境不佳的原因主要是在生长管后半段管壁水和气流之间的温差减少,导致气体与水蒸气之间的传热传质动力减弱．由此可见,提高生长管后半段管壁水和气流的温度差是改善生长管过饱和环境的有效途径．基于此,于燕等[13]提出了两段式生长管,即采用低温饱和气体与高温热水接触后再与低温冷水相接触、高温含湿气体与低温液体相接触后再与高温热水相接触的方式构建过饱和环境.计算结果表明,与整段式生长管相比,两段式生长管中过饱和度水平有一定程度的提高,且在其后半段尤为明显,但过饱和度分布整体上仍呈现较高程度的不均匀．

Roberts等[14]利用冷气流与管壁热水(热水温度设定为梯度温度)相接触构建过饱和环境,这相当于将生长管改进为多段式生长管,研究发现此时在生长管中心附近处过饱和度略接近于固定值,由此表明多段式生长管能更好改善生长管中过饱和度分布．但目前关于不同构建方式下生长管分段情况对平均过饱和度分布特征(过饱和度分布均匀性及过饱和水平的高低)影响的研究很少．为此,本文利用变物性参数的传热传质模型对2种构建过饱和环境方式中不同分段数下生长管中的过饱和度分布进行了计算,对它们的过饱和环境特性进行了分析比较,同时考察了不同初始参数、生长管长度等操作条件下生长管分段数对过饱和度分布特征的影响．

1　生长管模型

细颗粒物在生长管中进行异质核化凝结长大．为了便于研究生长管中过饱和度分布特性,参考文献[15]水汽条件下细颗粒长大实验系统中生长管的相关设计,生长管长度为L,半径R为0.75 cm,气流平均流速U为0.74 m/s．设气流进口温度为Tin,将生长管长度L平均分为n段,每一段管壁温度用Tw1,Tw2,…,Twn来表示．生长管物理模型如图 1所示．

图1　多段式生长管模型

2　相关参数和计算模型

生长管中工作液体为水．因空气的热力学参数已有相应的测量值,而其性质与燃煤烟气相近,为此选用空气作为载气．空气热扩散系数和水蒸气在空气中的传质系数随温度的函数关系为[12]:αt=0.001 4T-0.19,αv=1.18×10-5T1.75,其中αt为传热系数,cm2/s,αv为传质系数,cm2/s,T为绝对温度, K．

3　多段式生长管中不同操作条件下的过饱和环境特征

在多段式生长管中,本文采用以下方式构建过饱和环境: ① 方式1．因气体温度不断提升,采用管壁水温度不断增加的方式能保证生长管后半段气流与管壁水由足够的温差进行传热传质,即温度为Tin的冷气流依次进入生长管的每一段,与管壁热水进行传热传质形成过饱和环境,TinTw1,Tw1>Tw2>…>Tw(n-1)>Twn．为了方便研究,本文采用管壁邻段相同的温差,即ΔT=|Tw1-Tw2|=…=|Tw(n-1)-Twn|．

3.1　方式1下过饱和环境特征

根据细颗粒长大实验系统中生长管的相关设计[15],选取L=120 cm为基本长度,在Tin=298 K,Tw1=333 K,Twn=338 K下分别对n=2,5,10,15时生长管中的过饱和度进行了计算．由文献 [12]研究可知,生长管中心附近处过饱和度分布较为均匀且过饱和度值相对较高,本文基于此,以0≤r/R≤0.5范围内平均过饱和度的计算结果为例进行讨论．基于不同分段数n下的计算可知,生长管中的平均过饱和度分别为1.309 0,1.401 8,1.423 0,1.338 5．由图2可以看出,当n=2时,过饱和度水平随生长管轴向距离先增加后快速下降,致使整体过饱和度分布均匀性较差;当n增大后,随管长的增加,在前期过饱和度增加速度减缓,而在后期其下降速度明显降低;当n增大到10时,后期过饱和度几乎保持稳定,过饱和度分布均匀性明显提高,但当n进一步增大到15时,过饱和度随管长的增加一直缓慢增加,且没有出现峰值,过饱和度整体水平降低．通过计算可知,在一定范围内分段数n增加有利于过饱和水平的提高和均匀化,当n过大时,整体过饱和度水平开始降低．

图2　方式1下不同n对过饱和度分布的影响

在方式1中,管壁液相水蒸气一直向气相进行质量和热量扩散,使气流的水蒸气分压和气相温度不断增加．n较小时,在生长管前半段,气相蒸汽压的增加比该温度下的饱和蒸汽压增加要快,因此过饱和度增加;在后半段气流温度增加相对显著,因饱和蒸汽压与温度呈指数关系[18],此时气相温度增加导致饱和蒸汽压的增加比蒸汽分压增加要快,因此过饱和度出现较严重的下降现象.n越大,每段中管壁水与气流温差越小,导致气体与管壁热水之间的传热传质过程变得迟缓,因此前期过饱和度增加相对较慢.n越大,随轴向位置的增加管壁热水的温度梯度越小,气相温度增加缓慢,同时气相水蒸气分压增加也较为缓慢,使得饱和蒸汽压和水蒸气分压增加达到一个平衡状态,即出现在生长管后半段过饱和度水平呈平缓趋势的现象.n过大时,气相温度增加尤为缓慢,气相水蒸压分压增加比该温度下饱和蒸汽压增加要快,即出现过饱和水平一直缓慢增加的现象.分段数n越大,每段中管壁水与气体的温差减小,使得气体与管壁水的传热传质过程变得缓慢,峰值出现的位置较晚，即距离进口位置越远.n过大时峰值消失,过饱和水平下降．

由图2可知,n=10时生长管中过饱和度水平较高同时分布较为均匀.因此以n=10为对象,对进气温度Tin=288、308 K,第n段管壁水温度Twn=335、348 K,生长管中0≤r/R≤0.5范围内生长管中平均过饱和度分布进行研究,结果如图3所示．由图可以看出,降低进气温度和增加管壁水温度都可提高生长管中过饱和度水平．通过改变进气和管壁水温度这2种方法可以发现,降低进气温度更有利于生长管中过饱和度水平的提高和过饱和度分布均匀化．这是因为降低进气温度和增加管壁水温度都有利于传热传质,使得过饱和度得到提高;降低进气温度使得气相温度显著下降,由于饱和蒸汽压与温度呈指数关系[18],因而气体的饱和蒸汽压也显著下降,更有利于整体过饱和度水平的提高;管壁水温度增加有利于液相水蒸气向气相扩散,因水蒸气在空气中传质较传热快,故气相水蒸气分压增加较为显著,同时n较大时气相温度增加

图3　方式1下不同Tin和Twn对过饱和度分布的影响

较为缓慢,使得气相水蒸气分压增加比该温度下的饱和蒸汽分压增加相对更快,即出现管壁水温度增加和生长管中过饱和度呈现一直缓慢增加的现象．

图4为L=100,120,150 cm,n=10,Tin=298 K,Tw1=333 K,Twn=338 K时,0≤r/R≤0.5范围内生长管中平均过饱和度分布．由图可以看出,L较大时,过饱和度出现先增加后降低的趋势;L较小时,过饱和度出现一直缓慢增加的现象．这是因为L越大,当分段数n相同时,可以理解为L相同分段数n减小,有利于液相水蒸气向气相扩散,气相温度增加较快,使得气相蒸汽分压增加更快,导致过饱和度的增加相对较快;同时,L较大时,增加了气相与液相传热传质的时间,气相温度可以得到充分地提高,因饱和蒸汽压与温度呈指数关系[18],饱和蒸汽压的增加较气相水蒸气分压增加快时,过饱和度便开始下降;L较小时,气相温度增加缓慢,同时气相水蒸气分压增加也较为缓慢,气相温度增加导致饱和蒸汽压缓慢增加带来的影响更为显著,即当L较小时,过饱和度会出现一直缓慢增加的现象．

图4　方式1下不同L对过饱和度分布的影响

3.2　方式2下过饱和环境特征

图5为L=120 cm,n=2,3,5,10,15,Tin=338 K,Tw1=303 K,Twn=298 K时,0≤r/R≤0.5范围内生长管中平均过饱和度分布(原理同方式1)．计算得到n=2,3,5,10,15时生长管中平均过饱和度分别为1.209 1,1.210 0,1.192 5,1.125 0,1.081 1．由图5可以看出,生长管分段数n越小,整体过饱和度水平较高且随轴向位置距离进口越远,过饱和水平越有降低趋势;生长管分段数n较大时,随轴向位置距离进口越远,过饱和水平出现先增加后趋于平缓的现象．这是因为该方式主要是通过气相向液相传热使气相温度降低形成过饱和,n越小管壁水的温度梯度越大,越有利于气相向液相传热,使得过饱和水平较高，经计算,n越小气相温度的降低速率越大,n越大,气相温度的降低速率越趋于平缓,同时气相水蒸气分压也呈现同样的规律.n越小，生长管后段气相温度相对前段降低缓慢,饱和蒸汽压相比于气相水蒸气分压降低缓慢,过饱和水平有降低的趋势;n越大,管壁水的温度梯度越小,气相温度降低较为缓慢,同时气相水蒸气分压降低也较为缓慢,即出现n越大在生长管后段过饱和度水平呈平缓趋势的现象．

图5　方式2下不同n对过饱和度分布的影响

由图5和计算可知,n=3时过饱和度水平较高且分布较为均匀;n=10时过饱和度水平均匀性较好．图6给出了L=100,120,150 cm,n=3,10,Tin=338 K,Tw1=303 K,Twn=298 K时,0≤r/R≤0.5范围内生长管中平均过饱和度分布．由图可以看出,n=3时,生长管总长度L减小有利于过饱和度分布均匀;n=10时,生长管总长度L增加有利于提高整体过饱和水平．这是因为n较小时,生长管后段气相温度降低导致气相水蒸气分压降低效果更为显著,使过饱和度水平下降,L减少不会导致气相温度进一步降低,避免上述现象的发生,有利于过饱和度水平均匀化;n较大时,L增加有利于气相向液相传热,使气相温度降低更为显著,整体过饱和水平提高．

图6　方式2下不同L对过饱和度分布的影响

图7为L=120 cm,n=3,进气温度Tin=328,348 K,第n段管壁水温度Twn=288,300 K时,0≤r/R≤0.5范围内生长管中平均过饱和度分布．由图可以看出,增加进气温度和降低管壁温度都可提高生长管中过饱和度水平.通过对比上述2种方法可以发现,增加进气温度更有利于生长管中过饱和度水平的提高和过饱和度分布的均匀．这是因为增加进气温度在生长管入口处推动了传热,气相温度迅速降低,同时气相水蒸气分压较大使过饱和水平得到很大的提高;降低管壁水温度,气相在生长管起始段中的传热传质过程并没有发生改变,经过第1段管壁水温度梯度增加,更有利于气相向液相传热,促进气相温度降低,过饱和度水平得以提高,但不利于过饱和度分布均匀化．

图7　方式2下不同Tin和Twn对过饱和度分布的影响

3.3　分段数与构建方式、温差、生长管长度的关系

表1　不同构建方式、温差、生长管长度下最小分段数分布

注：None表示该参数下过饱和度分布不均匀.

4　结论

1) 与整段式生长管相比,分段数n的增加有助于弥补生长管后段过饱和度水平下降的现象．在多段式生长管中,采用方式1,较多的分段数n有利于过饱和度分布均匀,且存在一个合适的分段数n既能保证过饱和水平的均匀化也能使整体过饱和水平较高;在保证生长管中过饱和分布均匀的前提下,降低进气温度能提高整体过饱和水平;生长管总长度L和温差ΔT越大,要保证整体过饱和水平的均匀性就需要提高生长管的分段数n．

2) 在多段式生长管中,采用方式2,较多的分段数n虽然能保证过饱和水平均匀化,但n增大,整体过饱和水平显著下降;n=3时,若采取合适的生长管总长度L、进气温度与管壁水温度，也能获得较均匀和过饱和水平高的过饱和环境;L越大,要保证整体过饱和水平的均匀性需要提高生长管的分段数n,相反地,ΔT越大要保证整体过饱和水平的均匀性则需要减小分段数n．

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