流体化和流体化床热传导.docx

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流体化和流体化床热传导

實驗四流體化和流體化床熱傳導

FluidizationandFluidizedBedHeatTransfer

一、實驗目的

1.探討粉粒體流體化時壓降與表面速度之關係。

2.瞭解粉粒體流體化之熱傳性質。

二、原理

工業中屢有流體通過多孔床（porousmedium）或粒子床（packedbed）之操作，藉流體與粉體間密切接觸完成反應，如：

催化反應器與氣體吸收塔，目的在增加反應面積或吸收面積。

而流體化床效率遠比多孔床大，惟流體化床造成的壓降，易使粒子破損，為其缺點。

固體流體化之另一用途為利用流體輸送粒子。

有別於固定床，流體化床乃利用流體的拖曳力，代替支撐粉體的鐵柵格板，當粉體配合流體浮動時，粒子間的接觸面積相對減少，增加了異種粒子的接觸而使混合更趨完美。

流體化過程會產生類似液體沸騰時之氣泡，氣泡上升至破裂，造成一股強力的擾動混合力，造成床面呈波紋狀。

一完全之流體化床，由於氣體與粉粒體間已完全混合且具有最大的接觸面積，故兩相間之溫度差異很小。

氣體離開時的溫度幾乎接近流體化床溫度。

將一不同於流體化床溫度的物體，浸入於床內後，和僅有物體、氣體時的熱傳速率相比較，浸入於床內者通常大於後二者。

此乃界面層妨礙熱傳，當界面層被連續的熱（或冷）粒子滲透時，粒子會與物體做物理接觸，提高熱傳。

流體流經一管柱狀粒子床時，即承受一拉力且發展為一壓降，此壓降隨表面速度（superficialvelocity）增加而增加。

表面速度乃流體流經空管之速度，慣用於流體床實驗；要使流體床不受約束，並使流體能由下往上通過床體，需增加流體速度。

最先，拉力造成流體床之膨脹，當流速繼續增至某定值，則上升力足夠支撐床內粒子重量，此時床體稱為流體化床。

流體化床中流體與粒子系統表現出似流體之特性。

當流速增至最大時，橫越流體床之壓降（∆P，N/m2），呈現一固定常數，相當於單位面積床體的重量。

（1）

（2）

其中Fb、Fg：

作用於固體粒子之浮力、重力（N）

M：

固體粒子的質量（kg）

ρ、ρp：

流體、固體粒子的密度（kg/m3）

Sb：

流體床的截面積（m2）

由於ρp>>ρ，忽略流體密度項ρ，式

（2）改寫為：

（3）

當氣體流速（u）增至超越流體化所須之條件時，亦即越過最小流體化速度（minimumfluidizationvelocity,Vmf），流體床開始產生氣泡，即為整體流體化（aggregativefluidization），其產生之空洞（cavities）有如沸騰中之氣泡。

速度大量增加，氣泡將增大或充滿整個管柱的截面積，而粒子群則有如栓塞騰湧於大空洞之上，此時稱之為騰湧流體床（sluggingbed）。

爾根（Ergun）導出，當一壓降經一填充床之空隙時，其對應於最小流體化空隙度（εmf）和式

（2）所得單位面積重量之爾根關係式如下：

（4）

（5）

其中hm：

流體床高度（m）

μ：

流體黏度（kg/m．s）

：

表面速度，用空圓管截面積做為基準的流體速度（m/s）

Dp：

粒子直徑（m）

εf：

空隙度

φ：

粒子形狀因子

將式（5）帶入式

（2）推出，於最小流體化時：

（6）

Vb：

流體床之體積（m3）

hmf：

最小流體化床之高度（m）

將式（6）代入（4）爾根方程式中，定義Ar為阿基米德數：

Ar=

（7）

則

（8）

：

最小流體化時之雷諾數

式（8）右邊第一項為層流（Rep＜20）時的能量損失，第二項為亂流發展完全（Rep＞1000）時之能量損失。

於轉移區下操作時，兩者皆須考慮。

當層流時，由式（8）可得

（9）

亂流時：

（10）

為實驗值，可查化工手冊或以下式估算之：

（11）

（12）

將（11）（12）式代入式（9）（10），則最小流體化速度（

）可表為：

（13）

（14）

流體床熱傳特性：

氣體流體化床由於氣泡不斷的產生，固體粒子持續循環，因此具有良好且均勻之混合性，所以在高溫放熱反應中，流體床均能有一致的溫度。

同時，由於粒子群之最大表面積皆曝露於流體化之氣體中，故氣體與粒子間皆具有相同的溫度。

氣體流體化床在熱特性質上之另一優點為可以獲得介於流體床與浸漬其中之熱傳表面間最高的熱傳速率。

除了細小且具黏性之材質外，當固體粒子床，其粒子直徑小於500μm，密度小於4000kg/m3時，可由流體床之整體與其直接貼近熱傳表面之範圍所造成的粒子循環而得熱傳固傳粒子對流機構，其具高熱容量，固體粒子有能傳送大量熱之能力。

在介於流體床之整體和傳送表面之間，於整個溫度差範圍內，當其最先抵達接近於熱傳表面時，將產生一大的局部溫度梯度，此時熱傳之瞬間速率提高。

但較大粒子愈接近於傳送表面，其溫度愈趨於表面溫度，猶如熱流過他們和表面之間，瞬間熱傳速率將降低。

因此，平均一週期的時間，在低於粒子殘留之最短時間下操作，使其接近熱傳表面，可預期獲得更高的熱傳速率。

因流體床行為之複雜性，粒子經一熱傳表面之循環與由床至表面的熱傳係數等之定理與經驗式發展極其有限。

式（15）乃由一個小的量熱球，投入一個熱的流體床之簡單實驗中所導出之一經驗式：

（15）

其中hpcmax：

最大粒子對流熱傳係數（Wm-2K-1）

k：

氣體熱傳係數，kair=0.027Wm-1K-1

此係數乃得自介於浸漬冷卻管和流體床之間，故可預期將較實際為小。

其在浸漬冷卻管上之最大值，由式（15）約僅預測出其70﹪。

此乃因粒子循環擾動及浸漬表面和其所承受的冷卻溫度之影響。

粒徑較大且密度較高之固體粒子所造成之流體床，氣體流動之型式應為亂流或至少在轉移區內。

在這種環境下，熱以對流的形態傳送至氣體成為一重要的模式；此即"界面氣體對流"，為熱傳之一構成要素。

熱傳係數因低密度氣體之流動與粒徑之大小成正比，故依平均粒徑之增加而增加，因此熱傳為界面氣體對流之形態。

於平均粒徑1mm，約在床至表面最大區間，砂粒與空氣構成的流體床其熱傳係數將趨於最小。

圖1壓降對表面速度關係圖

圖2孔隙度對雷諾數關係圖

圖3流體床高及壓降對表面速度關係圖（粒徑177μm，20℃空氣中）

圖4表面傳導係數與表面速度關係圖

圖5表面速度與流體床壓降關係圖

圖6最小流體化速度與平均粒徑之關係

（20℃，1atm下空氣造成之流體化床）

三、設備裝置

請在圖7畫出空氣流動方向。

圖7流體化床裝置圖

四、實驗步驟

（1）降壓之影響

1.微開空氣流量計，使用螺帽將加熱器固定於分佈室高度L=2cm處，T2熱電偶溫度探針已固定在加熱器上方0.5cm處無需調整。

2.開啟總電源與溫度顯示面板開關，加熱器表面溫度T1設定為80℃，調整可變電阻，控制電流與電壓轉盤，使達T1達到80℃。

3.流量計校正：

將空氣流量調至1.5L/s，紀錄小孔計差壓xcmH2O，因

空氣流量正比於

，得校正係數

，則校正空氣流率

。

4.輕拍流體化床體，使床體粉粒緊密，床面呈水平狀態，記錄初始床高H。

5.將空氣流量調至0.2L/s，當T1達80℃穩定，待30秒後，觀察流體床中粒子運動狀態，並記錄各項數值：

流體化床溫度T2，進入空氣溫度T3，流體床高度H，流體床壓降∆P，小孔計差壓x。

6.將空氣流量往上增加，增加間距約0.025~0.1L/s，重複步驟5，至空氣流量調至1.5L/s止。

7.空氣流量再由1.5L/s逐步降低，降低間距為0.1L/s，重覆步驟5，記錄數值，至空氣流量降至0.2L/s止。

（2）流體化床之熱傳

1.微開空氣流量計，使用螺帽將加熱器固定於分佈室高度L=2cm處，將加熱器插入底部，以螺帽將固定。

T2熱電偶溫度探針已固定在加熱器上方0.5cm處無需調整。

2.將空氣流量調到1.5L/s，流體化床呈完全混合狀態。

3.加熱器表面溫度T1設定為80℃，調整可變電阻，控制電流與電壓轉盤使達T1達到80℃。

4.當溫度達穩定，待30秒後，記錄數值：

流體化床的溫度T2，進入空氣溫度T3，小孔計差壓x，加熱器電壓E，加熱器電流量I。

5.空氣流量逐步降低0.2L/s，調整可變電阻，使T1為80℃穩定，記錄數據。

6.重覆步驟（5）至空氣流量0.3L/s止。

7.改變加熱器於分佈室上高度L為4cm、6cm，重覆步驟

（1）～（6）。

五、注意事項

1.流體化床室之壓力探針需插入床內，始可測得床壓。

2.流體床高度H為粒子靜止或跳起到達之最高點。

3.須確認T1達80℃穩定，並待30秒狀態穩定後，始可記錄數據。

六、實驗結果

（1）數據紀錄

材料名稱：

熔凝氧化鋁砂粒固體粒子質量（m）：

1.3kg

平均粒徑（Dp）：

177μm固體粒子密度（ρ）：

3770kg/m3

加熱器之表面積（A）：

1.6×10-3m2截面積（Sb）：

8.6×10-3m2

空氣密度（ρair）：

1.2kg/m3空氣黏度（μair）：

2.13×10-5kg/ms

壓降之影響

初始床高H：

cm

空氣流量：

增加→減少

空氣流量計讀數（L/s）

小孔計差壓x（cmH2O）

流體床溫度T2（℃）

入口空氣溫度T3（℃）

流體床高度H（cm）

流體床壓降∆P（cmH2O）

流體化床中

粒子運動狀態

（#表格請視需要複印#）

流體化床之熱傳

◎分佈室上加熱器高度L：

cm

空氣流量計讀數（L/s）

1.5

1.3

1.1

0.9

0.7

0.5

0.3

小孔計差壓x（cmH2O）

流體床溫度T2（℃）

入口空氣溫度T3（℃）

加熱器電壓E（volt）

加熱器電流I（amps）

（#表格請視需要複印#）

（2）結果整理

壓降之影響

1.計算各項數值，並整理成表格：

（溫度計算單位為K）

（a）校正空氣流率Vm（L/s）

（b）空氣流經床之流量

（L/s）

（c）表面速度Vs=10-3（Vb/Sb）（m/s）

（d）孔隙度ε（式5）

（e）雷諾數Re

（f）最小流體化速度Vmf（m/s）（實驗值，理論值）

（g）最小流體化時雷諾數Remf（實驗值，理論值）

2.參考圖1，作出空氣流速上升時，流體床壓降對表面速度之對數關係圖，說明其與理論圖形之異同處，並討論其原因。

3.參考圖2，作出流體床孔隙度ε對雷諾數Re之對數關係圖，說明其與理論圖形之異同處，並討論其原因。

4.參考圖3，作出空氣流速下降時，流體床壓降對表面速度關係圖，說明討論，並在圖上標繪出最小流體化速度Vmf。

5.參考圖3，以流體化床高度對表面速度作圖，並說明討論。

流體化床之熱傳

1.計算各項數值，並整理成表格：

（a）校正空氣流率Vm（L/s）

（b）空氣流經床之流量Vb（L/s）

（c）表面速度Vs=10-3（Vb/Sb）（m/s）

（d）熱功率Q=ExI（W）

（e）表面熱傳係數h=Q/[A（T1-T2）]（W/m2K）

（f）最大粒子對流傳導係數hpcmax（W/m2K）

2.參考圖4，不同加熱器高度L下，表面熱傳係數對表面速度之關係圖，說明其與理論圖形之異同處，並討論其原因。

（3）誤差分析

七、討論

1.說明圖1所代表的涵意。

2.說明圖2所代表的涵意。

3.說明圖3所代表的涵意，分別以床高與壓降說明。

4.說明圖4所代表的涵意。

5.說明圖5所代表的涵意。

6.說明圖6所代表的涵意，其最小流體化速度與平均粒徑有何關係?

7.討論流體床內，粒子之運動情形與表面速度之變化。

8.說明流體化床技術上之應用。