对机械搅拌式换热器中颗粒流动状态及混合演变过程的探究

《Powder Technology》：Investigation on particle flow regimes and mixing evolution in a mechanically agitated heat exchanger

　　

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  提出了一种机械搅拌式换热器。
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  揭示了搅拌结构对颗粒流动机制的影响。
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  明确了各种参数对颗粒流动特性的影响。

引言

随着节能降耗需求的增加，工业废热回收已成为提升能源效率、减轻环境负担的重要途径[1]。在各类废热载体中，高温固体颗粒材料因含有大量显热，且可广泛应用于基于颗粒的废热回收与热储存系统而受到越来越多的关注[2]。这类颗粒材料的回收利用也与资源循环和废物管理密切相关[3]、[4]。若不能有效处理固体颗粒副产物及废热，不仅会造成资源浪费和环境污染，还会给水、土壤及生态系统带来更大压力[5]、[6]、[7]。提升固体颗粒材料的传热效率对于能源回收和环境保护都具有重要意义。颗粒的流动行为会显著影响基于颗粒的系统的传热性能[8]、[9]。在密实填充的颗粒床中，颗粒间接触和颗粒与壁面的接触等相互作用会直接影响颗粒床的流动状态。因此，研究换热器中的颗粒流动行为是理解和优化颗粒传热过程的重要基础。

目前关于颗粒换热器的研究主要聚焦于不同的床层结构及颗粒流动模式，主要包括填充床、流化床、旋转鼓以及移动床[10]、[11]、[12]、[13]。

在填充床换热器中，固体颗粒通常形成静态填充层，流体通过颗粒间的空隙完成传热过程[14]。因此，该方法更适用于透气性良好的大颗粒或粒径分布较窄的颗粒系统。由于床层本身缺乏扰动，难以实现有效的颗粒迁移或混合，颗粒侧的传热性能易受孔隙分布、壁面效应及局部热阻的限制[15]、[16]，因此填充床结构难以满足颗粒流动控制与混合强化的需求。相比之下，流化床可通过气固相互作用增强颗粒的悬浮与混合，因而通常具有较高的传热系数。近期开展的颗粒尺度CFD-DEM研究也为流化床中颗粒运动及界面相互作用机制提供了有益见解[11]。不过，流化床的应用受颗粒尺寸限制，对于直径大于1毫米的粗颗粒，气流往往难以实现稳定流化[17]，这可能导致压降增大、操作更加复杂，且运维成本更高。因此，有必要探索针对大颗粒的颗粒流动调控方法，以提升其传热性能。

旋转鼓传热是通过设备的整体运动来调控颗粒流动的另一种重要方式。鼓体的旋转会带动颗粒床滑动和滚动，这种运动能够更新靠近自由表面和壁面的颗粒，进而改善颗粒混合效果[18]。为进一步优化这一过程，许多研究着眼于改变旋转鼓的内部结构。高某等人[19]将传统旋转鼓冷却器与内置换热管的结构进行了对比，发现换热管改变了颗粒流动模式，降低了轴向速度，同时促进了颗粒的径向运动与混合。张某等人[20]研究了旋转鼓中的可移动挡板，发现合适的挡板长度和旋转速度能够增加颗粒速度波动，从而提升颗粒混合效果。刘某等人[21]探讨了内加热旋转鼓中的中央挡板与周边挡板，发现挡板的位置和长度会影响颗粒混合及传热性能。何某等人[22]研究了带有叶片的废热回收旋转鼓，发现颗粒的提升作用增强了气固接触，同时使颗粒在径向和轴向方向的运动更为复杂。然而，旋转鼓仍依赖于整个鼓体的旋转，对驱动装置和密封系统要求较高，且主要通过整个床层的运动来调控颗粒运动，难以独立控制局部扰动，因此需要通过局部主动机械搅拌来直接干扰颗粒床，进而改善颗粒流动状态与混合过程。

在移动床换热器中，颗粒通常在重力作用下向下流动，与管束或壁面间接进行热量交换。阿尔布雷希特等人[23]指出，靠近壁面的冷却颗粒无法得到充分更新，这说明颗粒从床层内部向壁面的横向迁移能力较弱。田某等人[24]发现，沿传热壁面会逐渐形成颗粒热边界层，这与靠近壁面的颗粒更新不足密切相关。肖某等人[25]进一步指出，靠近壁面的区域是热阻的主要来源之一。这些研究表明，移动床中的颗粒主要沿重力方向移动，而横向迁移和靠近壁面的更新作用相对较弱，导致部分颗粒长期停留在壁面附近，削弱了床层内部颗粒与壁面附近颗粒之间的热量交换。为增加传热面积，许多研究在设备中加入了管束，但这些管束也会改变颗粒的流动路径。巴尔奇等人[26]观察到了水平管上方?颗粒滞留区以及管下方的空腔区域。郭某等人[27]发现，局部颗粒滞留会削弱颗粒流动及管束周围的传热效果。田某等人[28]还观察到相邻管子之间会出现桥接和拱起现象，进而中断颗粒的连续向下流动。这些结果表明，滞留区、空腔区域以及桥接现象都会破坏颗粒的连续流动，限制颗粒迁移与局部更新，进而影响颗粒与传热表面的接触。

为解决上述问题，主动机械搅拌是一种可行的方法，因为它能够直接打破局部接触网络，促进颗粒迁移。本研究提出了一种机械搅拌式换热器，通过局部机械扰动来改善颗粒流动行为。不过目前仍存在一个关键的知识缺口，即复杂的颗粒流动行为以及调控搅拌过程的混合机制尚未被完全阐明。因此，本研究通过DEM模拟分析了机械搅拌式换热器中的颗粒流动行为，研究了转速和颗粒直径对颗粒运动的影响，旨在明确搅拌器作用下的颗粒流动机制，从而为复杂机械搅拌环境中的颗粒流动行为优化提供理论依据。

章节摘要

方法与模型建立

本研究采用DEM方法来分析带有机械搅拌装置的换热器内的复杂颗粒流动模式与混合动力学特性。为准确描述颗粒间的相互作用，选用赫兹-明德林（无滑移）模型作为核心物理框架。该模型基于赫兹接触理论与明德林摩擦公式，能够同时考虑弹性变形与切向摩擦的耦合效应，从而

流动行为分析

为准确描述搅拌器转速为9rpm、颗粒直径为10mm条件下的内部流动行为，选取高度为H=205mm的水平截面进行分析。该位置位于核心混合区，能够较好地反映颗粒床的动态变化情况。

图5展示了不同时间点颗粒混合过程的俯视图。在0秒时，红色颗粒与绿色颗粒并排排列

结论

本研究提出了一种机械搅拌式换热器，用于改善颗粒床中的颗粒流动与混合效果。通过DEM方法分析了颗粒的流动行为，并评估了搅拌器转速与颗粒直径的影响。主要研究结果与结论如下：

(1) 颗粒区域可清晰划分为活跃搅拌区与低流动性区，颗粒的颗粒温度呈现显著的径向

CRediT作者贡献说明

刘向刚：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写。张玉秀：写作——审阅与编辑，软件使用。王磊：验证，数据整理。宋炳政：验证，软件使用。高海波：可视化，资源获取，资金申请。刘永奇：方法设计，资金申请。张玉秋：项目管理。潘晓飞：形式分析。马俊成：监督，资源协调。王艳霞：监督。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国山东省自然科学基金（编号：ZR2022QE080、ZR2023ME228）以及山东省博士后创新项目（编号：SDCX-ZG-202202027）的支持。

Xiangang Liu|Yuxiu Zhang|Lei Wang|Bingzheng Song|Haibo Gao|Yongqi Liu|Yuqiu Zhang|Xiaofei Pan|Juncheng Ma|Yanxia Wang