氣固傳熱是指氣固兩相流中氣體與顆粒間在碰撞過程中發生的傳熱。化工過程經常涉及熱量傳遞，如化學反應通常要在一定溫度下進行，為了達到反應溫度，必須對反應器加熱或冷卻；在蒸發、精餾、乾燥等單元操作中，也需要輸入或輸出熱量。溫度和熱量是影響工藝進行的重要因素，而強化傳熱的目的是為了提高熱量傳遞速率，以保證產品質量、提高生產效率，其重要性不言而喻。由於氣體自身熱導率低、熱容小，只靠單相氣體與傳熱面進行熱交換，其傳熱係數不高，通常在 10～100 W·m 2 ·K −1 範圍內。向氣流中加入固體顆粒，形成氣固兩相流，其換熱能力能得到本質的提升，氣固兩相流傳熱係數相對於單相氣體可增加數倍至數十倍。氣固流態化技術以其良好的氣固接觸、均勻的溫度分布、極大的傳熱面積等優點受到廣泛重視，並套用於能源、化工、冶金等領域。
基本介紹
- 中文名：氣固傳熱
- 外文名：gas-particle heat transfer；Gas solid heat transfer
- 分類：物理化學
- 領域：能源利用
- 基本釋義：氣體與顆粒在碰撞中發生的傳熱
- 學科：物理
氣固兩相流,稀薄氣體傳熱,稠密氣體傳熱,相關實驗裝置,
氣固兩相流
在氣流中加入顆粒，形成氣固兩相流。根據氣流速度的不同，氣固兩相流分為鼓泡流態化、快速流態化、氣力輸送等形式。不同的流動形態，兩相流內顆粒濃度及顆粒的運動規律不同，其傳熱特點也存在差異。文獻通過回顧幾種多相流流態的傳熱特點，總結了多相流與傳熱面換熱的影響因素、氣固兩相流的傳熱機理與模型。氣固兩相流中顆粒濃度、顆粒運動對其傳熱起決定性作用，而操作參數（氣流速度、床層壓力、床層溫度等）則主要通過改變顆粒濃度和顆粒運動影響傳熱。此外，通過氣固兩相流強化傳熱的套用實例--氣固兩相流與填充床的熱交換，分析了顆粒在對流換熱中所起的作用，並進一步提出了今後研究方向和難點所在。
對於氣固兩相流尤其是密相氣固兩相流，國內外學者已進行了系統的實驗研究，這些實驗包含了各個因素對換熱的影響規律，較為完整地呈現了氣固兩相流換熱的綜合效果。顆粒與傳熱壁面換熱優劣的關鍵由傳熱面邊界層顆粒的濃度和運動決定。對邊界層內顆粒的運動規律（包括碰撞、移動和轉動）以及這一區域顆粒運動對換熱的影響，相關的研究和報導還比較少。隨著先進可視化測試技術（如核磁共振和正負電子成像技術等）的發展，對流動邊界層、傳熱邊界層內顆粒運動的觀測變得可能，邊界層內顆粒運動規律研究有助於進一步認識氣固兩相流的換熱強化機理。
無論增加氣流流速，還是增加換熱面積，傳熱的強化均是以犧牲流動動能為代價的。兩相流傳熱強化也不例外，向氣流中添加顆粒形成氣固兩相流後，流動壓頭會增加。氣固兩相流的傳熱研究有必要和氣流、顆粒動力學關聯，並基於新的理論（如場協同理論等）研究傳熱強化與壓損增加的內在關係。
氣固兩相流強化傳熱在傳統的石油化工、流化床鍋爐等設備已經取得廣泛的套用，同時在餘熱回收、新能源等領域也體現出優越性。相比於單相流體，氣固兩相流具有高傳熱、傳質效率等優點，同時由於顆粒的存在，流動對管道和設備的磨損也增加，實際套用時需揚長避短，綜合考慮。
文獻在對流化床氣固傳熱合理簡化的基礎上,依據穩態工況活動段區溫度分布求取有效氣固傳熱係數。實驗結果和前人經驗式預測值吻合,從而論證計算有效傳熱係數的可行性。
稀薄氣體傳熱
對於真空下的傳熱，稀薄氣體起著非常重要的作用。文獻給出了稀薄氣體在不同克努曾數區域下的氣一固界面間的傳熱表達式，這些表達式中包含了氣體反射係數和熱適應係數，給出了不同傳熱區域熱流依照克努曾數倒數關係變化的數值計算結果。
稠密氣體傳熱
稠密氣固兩相流中，顆粒間的碰撞成為流動、傳熱過程的重要作用機理，碰撞傳熱對熱交換過程有重要的貢獻。文獻概述了氣固兩相流中，顆粒間碰撞傳熱機理的研究現狀，評述了歐拉-拉格朗日和歐拉-歐拉模型框架下，顆粒間碰撞傳熱研究的進展，基於顆粒動力學理論和隨機碰撞頻率的概念，建立了適用於歐拉-歐拉方法的顆粒間碰撞傳熱的數學模型。
相關實驗裝置
實用新型專利提供了一種多態氣固相傳熱遠程實驗裝置，包括管路；沿管路依次連線的風機、流量感測器和沙粒床反應器；設定於管路上的至少一個電磁閥；被測鋼球；加熱爐；機械手臂，在加熱爐和沙粒床反應器之間轉移被測鋼球。被測鋼球內設定一熱電偶。沙粒床反應器和加熱爐內可分別設定一熱電偶溫度感測器。該多態氣固相傳熱遠程實驗裝置還可以設定與熱電偶溫度感測器、流量感測器、機械手臂、至少一個電磁閥信號連線的一遠程控制器。該實驗裝置能共享優質教育資源和實現異地實驗教學。
