管径对错列管束换热器对流冷凝换热特性影响研究.pdf

学免兔 www, xuerui.,com
第47卷第1期
锅炉技术
Vol 47, No. 1
2016年1月
BOILER TECHNOLOGY
Jan,,2016
【设计科研·试验】
管径对错列管束换热器对流冷凝换热特性影晌研究
徐煦,王恩禄,万丛,李凯,茅锦达,孙蔚婷
上海交通大学热能工程研究所,上海200240)
摘要:针对烟气横向冲刷错列管東换热方式进行了管径大小对于其纯对流换热以及对流冷凝换热影响规
律研究。结果表明:当只有纯对流发生时,在保持换热面积以及入口工况不变情况下,随着管径的减小,出口
烟温降低,传热量増加,换热得到明显增强,其强化传热的主要原因是管径减小强化了对流换热系数;当存在
冷凝时,管径对总换热系数以及冷凝换热系数同样存在强化作用。
关键词:管径;换热器;冷凝换热;对流换热;传热系数
中图分类号:TK223.1-1
文献标识码:A文章编号:1672-4763(2016)01-0001-04
0前言
方向横掠管東外侧,与管内水呈逆流布置。换热
器具体参数如表1所示。
换热器作为冷热流体热量交换的设备,已广
泛运用于人们的生产活动中,只要存在热量交换
表1换热器的详细几何参数
几何参数
数值
的地方就有换热器。在锅炉设备中,换热器的应
用也大量存在。比如高低温过热器和再热器、
长宽
省煤器等。在提倡节约能源资源的时代,提升换
高/m
热器的传热效果就尤其重要。
管外径d/mm
个高效的换热器不但可以帮助传递更多
管壁厚度/mm
的热量,而且可以节约材料用量,因此对于换热
换热器体积/m3
0,5
器设计参数的设定尤其重要。管径作为传热过
横向节距S/mm
50
程的特征长度,对于换热特性的影响很明显。
纵向节距S2/mm
沿烟气方向管排数
40
对于锅炉低温段的余热回收,由于烟气中含
每排管子数
有大量的水蒸气,例如天燃气锅炉烟气含水量高
受热面积/m2
25.12
达15%21,因此换热过程存在着冷凝情况的发
烟气流通截面积/m2
生。其传热过程属于含大量不凝性气体的对流
烟气流速/(ms)
3.88
冷凝换热,传热过程比单相对流换热复杂很多。
因此本文针对常常用到的错列管束换热器,采用
当管径改变时,保持換热器长、宽、高和工况
理论计算的方法来研究管径对其对流冷凝换热参数不变,重新设计换热器参数。将换热器管径乘
特性的影响规律。
以倍率因子x,得到新的管径大小。横向节距S
以及纵向节距S2乘以√x,得到新的节距参数,但
换热器设计计算方法介绍
S/S2始终保持不变。因此管排数为换热器长度
1.1错列管東换热器几何参数
与新的纵向节距的比值,每排管子数为换热器宽度
错列管束换热器沿烟气流动方向长度为与新的横向节距的比值。这样做可以保证总换热
1m,宽为1m,高为0.5m,材料为不锈钢,管東面积保持不变,即换热器的材料用量保持不变。
布置方式为竖直错列蛇形管。烟气方向为水平
根据新的换热器參数对传热过程进行新的
收稿日期:2015-04-25
基金项目:国家能源应用技术研究及工程示范项目资助(NY20130301)
作者简介:徐煦(1992-),男,在读碩士研究生,主要从事燃料燃烧后烟气余热利用与水分回收过程中对流冷凝传热特性研究工作。
你兔ww. xie lul. I.con
锅炉技术
第47卷
校核计算。x取值范围为0.2,0.3,0.4……0.9,得出。
1递增,因此管径的变化为4mm至20mm。这
(6)已知kA和△m,按照传热方程式求出传
样就可在换热器面积和体积保持不变的情况下,热量,记为Q1。因为流体出口温度是假设性的
研究管径大小对于换热过程的影响
因此,求出的Q1值未必是真实的数据。根据
由于锅炉尾部烟气的冷凝过程包含了对流换个进出口温度,用热平衡式求得传热量Q2,同理
热的过程。为了深人探究管径对于传热的影响规这个值也是假设的。比较两者的值,一般来说,
律,首先研究纯对流换热规律影响,随后再研究冷两者综述不同的。这说明计算方法(1)中假设的
凝发生时换热规律变化,并将两者进行对比分析。温度不符合实际。再重新假设一个流体的出口
1.2纯对流换热的计算方法
温度,重复以上计算方法,直到求得的Q1与Q2
(1)在已知烟气初温和初始焓,换热器结构,值彼此接近时为止
换热面积A以及冷却介质初温及初始焓的情况1.3对流冷凝换热的校核方法
下,先假设烟气侧的出口温度,按照热平衡方程
在纯对流换热校核方法的基础上,结合湿空
式求出另一个流体的出口温度]。
气理论进行冷凝换热器的校核计算。常压下饱
(2)根据4个进出口温度求得平均温差△t
和湿空气在一定温度下具有固定的水蒸气分压
(3)根据换热器的结构,算出相应工作条件力,即具有相同的水蒸气体积分数以及含湿量
下传热系数k的值。对于烟气横掠错列管束的露点温度可由式(3)得出「?:
Nz数可由茹卡乌斯卡斯( Zhukauskas)关联式得
ta=42.4332p88-100.35
(3)
到,其中和d分别为烟气流速和管径:
式中:ta一烟气的露点温度,℃
Nx=0.35
0.6
pn2o水蒸气分压力,Pa
当水蒸气分压力かt.o越高时,烟气的露点温
式中:Na一烟气的努塞尔数;
度ta越高。而露点温度下的饱和蒸汽分压力p
S、S2-一分别为错列管東的横向和纵向节可由式(4)得到:
距
x一最小流通截面处的烟气流速,m/s;=15exp18.5916399,11
ta+233.84
换热管的外径,m;
式中:か。一一水蒸气的饱和分压力,kPa
ロ一一烟气运动粘度系数,m2/s;
烟气的露点温度,℃。
rーー烟气在换热壁面温度下的普朗
冷凝过程中始终沿着饱和湿空气线移动,除
特数;
了水蒸气外的其他组分含量并没有发生变化。
一烟气的动力粘度,Pas;
因此在假设出口温度的时候,由于此时烟气为饱
烟气在换热壁面温度下的动力粘和状态,故可以求得此时烟气含水量,其与初始
度,Pas。
含水量的差值即为冷凝水量。再通过汽化潜热
(4)管内冷却流体的N数可由齐德-泰特可求得冷凝释放的潜热,这部分热量要带入热平
( Sieder-tate)公式来计算
衡方程中。即管外侧的传热量等于烟气的对流
Nx=1,86
Re:Prr、3c?y.14
d
(2)换热量与冷凝换热量的和。冷凝换热系数可由
冷凝换热量除以烟气均温和外壁面温度之差以
式中:Ref一管内冷却流体的雷诺数;
及换热面积得到。烟气侧换热系数为对流换热
Pr管内冷却流体平均温度下的普朗系数与冷凝换热系数之和。
特数
2管径对纯对流换热特性的影响
换热管的流通长度,m
d一一换热管的外径,m;
采用纯对流换热器计算方法得到考察出口烟
?管内冷却流体的动力粘度,