同濟(jì)大學(xué) 黃思怡 馮 良 伊帥帥

沉浸式蛇管煙氣-水換熱器設(shè)計(jì)方法研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

同濟(jì)大學(xué) 黃思怡 馮 良 伊帥帥

傳統(tǒng)蛇管式煙氣—水換熱器管的設(shè)計(jì)方法較粗糙，設(shè)計(jì)結(jié)果常無(wú)法滿足工藝要求。文章分析煙氣流動(dòng)與換熱特性，建立了設(shè)計(jì)計(jì)算模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該計(jì)算方法能夠滿足工業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算的要求。

沉浸式蛇管換熱器 煙氣-水換熱 設(shè)計(jì)計(jì)算

沉浸式蛇管煙氣—水換熱器(煙氣在管內(nèi)流動(dòng)，管外為被加熱水)，廣泛運(yùn)用于石油化工、供熱等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，但由于煙氣溫度及物性參數(shù)在換熱過(guò)程中變化較大，換熱過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)手冊(cè)中無(wú)準(zhǔn)確經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可查，需要通過(guò)換熱經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，一般作為直管近似處理。而實(shí)際應(yīng)用中存在不同管徑管段組合的情況，彎頭部分流體流動(dòng)與傳熱具有復(fù)雜性和不確定性。因此，傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)結(jié)果常無(wú)法滿足工藝要求，導(dǎo)致了資源能源的浪費(fèi)。本文對(duì)換熱過(guò)程進(jìn)行深入研究，在已有設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,提出了一種滿足工業(yè)計(jì)算精度要求的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 基本傳熱公式

(1)傳熱基本方程式：

式中：K——總換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A——總換熱面積，m2；

Δtm——平均換熱溫差，℃。

(2)平均溫差計(jì)算：管外水側(cè)傳熱系數(shù)相對(duì)于管內(nèi)煙氣側(cè)傳熱系數(shù)和管壁導(dǎo)熱系數(shù)大很多，管外側(cè)壁溫接近于水側(cè)溫度，采用常壁溫時(shí)的換熱溫差計(jì)算公式：

式中：t1——煙氣入口溫度，℃；

t2——煙氣出口溫度，℃；

tw——換熱管壁溫度，℃。

(3)換熱量計(jì)算：

式中：m——煙氣的質(zhì)量流量，kg/s；

Cp——煙氣比熱容，kJ/(kg·℃)。

(4)總傳熱系數(shù)計(jì)算：

式中：K——總換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

d——換熱管直徑，下標(biāo)i代表內(nèi)徑，o代表外徑，m；

h——對(duì)流換熱系數(shù)，下標(biāo)i代表管內(nèi)側(cè)，o代表管外側(cè)，W/(m2·℃)；

λw——管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

氣—水換熱時(shí)，管外水側(cè)ho遠(yuǎn)大于管壁導(dǎo)熱系數(shù)和管內(nèi)氣體側(cè)hi，即K=ho。

(5)管內(nèi)煙氣換熱系數(shù)計(jì)算：

式中：Nuf——努塞爾數(shù)；

Ref——雷諾數(shù)，uf·d/νf；

d——換熱管直徑，m；

uf——煙氣流速，m/s；

νf——煙氣運(yùn)動(dòng)粘度，m/s2；

Prf——普朗特?cái)?shù)，Cp·μf/λf；

Cp——煙氣比熱容，kJ/(kg·℃)；

μf——煙氣動(dòng)力粘度，Pa·s；

λf——煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

流體在彎管內(nèi)流動(dòng)，由于受到離心力的作用，產(chǎn)生了二次環(huán)流，強(qiáng)化換熱。工程上一般算出平均Nu后再乘以一個(gè)修正系數(shù)Cr：

式中：d——彎管直徑，m；

R——彎管曲率半徑，m。

1.2 物性計(jì)算

換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算離不開(kāi)物性參數(shù)，物性參數(shù)值與煙氣成分及溫度密切相關(guān)。對(duì)于溫度變化的流體，工程上取其平均溫度tf作為定性溫度進(jìn)行計(jì)算：

(1)比熱容：

各組分的質(zhì)量成分可由摩爾成分計(jì)算而得：

式中：ri——各組分的摩爾分?jǐn)?shù)，kmol/kmol；

Mi——各組分的分子量，kg/kmol；

M——煙氣的平均分子量，kg/kmol。

(2)煙氣密度：

式中：ρ——煙氣密度，kg/m3；

P——煙氣壓力，Pa；

T——煙氣溫度，K；

RM——通用氣體常數(shù)。

RM=8.314 J/(mol·K)。

(3)粘度：

(4)導(dǎo)熱系數(shù)：

式中：λf——實(shí)際煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

Mλ——修正系數(shù)；

λi——標(biāo)準(zhǔn)煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

標(biāo)準(zhǔn)煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 大氣壓(p=1.01325×105 Pa)下標(biāo)準(zhǔn)煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)(煙氣成分：rco2=0.13；rH2O=0.11；rN2=0.76)

實(shí)際煙氣導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于水蒸氣含量，天然氣燃燒煙氣中，水蒸氣含量一般范圍為17%～19%，修正系數(shù) Mλ可通過(guò)公式，利用線性內(nèi)插法計(jì)算：

1.3 煙氣量計(jì)算

(1)理論煙氣量：過(guò)剩空氣系數(shù)α=1時(shí)，煙氣各組分理論體積為：

CmHn， N2，CO2，O2，H2O ——燃?xì)庵懈魍闊N和空氣中 N2、CO2、O2和水蒸氣理論體積，m3/(100 m3燃?xì)?；

d——?dú)怏w含濕量,下標(biāo) g代表燃?xì)猓琣代表空氣，kg/kg。

(2)實(shí)際煙氣量：

式中：Vf——實(shí)際煙氣體積，m3/(m3燃?xì)?；

V0——理論空氣體積，m3/(m3燃?xì)?；

α——過(guò)?？諝庀禂?shù)。

過(guò)?？諝庀禂?shù)α通過(guò)分析實(shí)際煙氣組分計(jì)算：

式中：O2，、CO2，——實(shí)際煙氣中O2、CO2體積，m3/(100 m3煙氣)。

2 算法設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)步驟

(1)輸入原始數(shù)據(jù)(煙氣組分、t1、t2、已知管段的di、Li和Ai、彎頭曲率和個(gè)數(shù))；

(2)計(jì)算煙氣物性參數(shù)、換熱量Q、平均換熱溫差△tm；

(3)計(jì)算已知管段換熱系數(shù)Ki，設(shè)為總換熱系數(shù)初值Ks，計(jì)算總傳熱面積初值A(chǔ)s；

(4)根據(jù)各管段 Ki和所占面積比例，計(jì)算總換熱系數(shù)K，再重新計(jì)算總傳熱面積A；

(5)比較前后計(jì)算的總換熱面積，若不相等，則將總傳熱面積A的值賦給初始值A(chǔ)s，返回第(4)步，迭代計(jì)算，直至相等；

(6)計(jì)算待求主體管段面積 An，管徑 dn通過(guò)推薦管內(nèi)流速u(一般為10～30 m/s)計(jì)算而得,進(jìn)而計(jì)算長(zhǎng)度Ln。

2.2 程序框圖

設(shè)計(jì)計(jì)算方法程序框圖見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)計(jì)計(jì)算方法程序

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 煙氣換熱實(shí)驗(yàn)

加熱浸管包括燃燒室、煙管和尾箱等部分(見(jiàn)圖2)。

圖2 液槽加熱器結(jié)構(gòu)布置

由于燃燒室浸沒(méi)在液體中，所以也參與了熱量交換，屬于加熱浸管的一部分。煙管是整個(gè)液槽加熱系統(tǒng)中最主要的熱交換場(chǎng)所?？紤]到煙氣在煙管中受迫流動(dòng)，流速較快，容易產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，因此煙管后部增設(shè)一個(gè)尾箱。一方面起消聲減震作用，另一方面延長(zhǎng)煙氣的停留時(shí)間、增加傳熱面積、提高熱量利用率。液槽加熱器結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表2。

表2 液槽加熱器結(jié)構(gòu)尺寸

3.2 結(jié)果對(duì)比

改變?nèi)紵鞴β蚀笮?，探究不同出口流速與溫度下煙氣管與水的換熱情況，對(duì)比設(shè)計(jì)方法計(jì)算得到的長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 煙氣—水換熱器設(shè)計(jì)與實(shí)際結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

(1)文中介紹了沉浸式蛇管煙氣-水換熱器的熱力設(shè)計(jì)方法，該方法考慮了不同管徑的管段組合的情況，以及彎頭部分流體流動(dòng)與傳熱的特殊性，可用于沉浸式蛇管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算；

(2)對(duì)一臺(tái)實(shí)際應(yīng)用的沉浸式蛇管液槽加熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；

(3)針對(duì)文中所對(duì)比的換熱器，本文所介紹的熱力計(jì)算方法準(zhǔn)確度能夠滿足工業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算要求，目前可以作為工業(yè)設(shè)計(jì)的初步設(shè)計(jì)方法，計(jì)算結(jié)果可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的進(jìn)一步調(diào)整提供參考和依據(jù)。

Calculation Method for Immersed Flue Gas-to-Water Coil Heat Exchanger Design and Experimental Verification

Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering
Huang Siyi Feng Liang Yi Shuaishuai

The traditional design method of immersed flue gas-to-water coil heat exchanger is rough, which can’t meet the technical requirements. In this paper, the characteristics of flue gas flow and heat transfer are analyzed, a calculation model for exchanger design is established, and experimental verification is also carried out.Results show that this calculation method can meet the requirements of industrial design.

immersed coil heat exchanger, flue gas-to-water heat transfer, design calculation