真空熱水鍋爐換熱管的傳熱分析與設(shè)計(jì)計(jì)算

張秀珍 杭州富爾頓熱能設(shè)備有限公司

沈國(guó)彬 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院

黃偉建 常州鍋爐有限公司

真空熱水鍋爐換熱管的傳熱分析與設(shè)計(jì)計(jì)算

張秀珍 杭州富爾頓熱能設(shè)備有限公司

沈國(guó)彬 寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院

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對(duì)于真空熱水鍋爐的換熱管內(nèi)水而言，需經(jīng)歷三個(gè)階段來(lái)獲得熱量：1）管外側(cè)水蒸汽與換熱管外壁的凝結(jié)換熱；2）換熱管外壁與內(nèi)壁導(dǎo)熱；3）換熱管內(nèi)壁管內(nèi)水的對(duì)流換熱。在真空熱水鍋爐的設(shè)計(jì)中，第一階段和第三階段的傳熱系數(shù)計(jì)算經(jīng)常憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，難以較好地控制材料用量與成本。本文主要研究了真空熱水鍋爐的換熱管內(nèi)水與管外側(cè)水蒸汽換熱過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算，并計(jì)算分析了管徑和管內(nèi)水流速度對(duì)紫銅管和SUS304鋼管總換熱效果影響，可較好地指導(dǎo)真空熱水鍋爐的換熱管設(shè)計(jì)。

1 換熱管傳熱分析與計(jì)算

真空熱水鍋爐的換熱過(guò)程主要由燃料燃燒－中間介質(zhì)（水）沸騰汽化－中間介質(zhì)（水）冷凝－換熱管內(nèi)水加熱四個(gè)環(huán)節(jié)。

換熱管外水蒸汽與管內(nèi)的水通過(guò)凝結(jié)換熱、導(dǎo)熱和對(duì)流換熱完成管內(nèi)水的加熱。真空熱水鍋爐在穩(wěn)定工況時(shí)，此傳熱過(guò)程中，可假定以下條件成立：

1）熱媒水汽化成水蒸汽脫離液面時(shí)，水蒸汽的溫度恒定；

2）換熱管管外水蒸汽冷凝形成液膜，液膜與換熱管外壁溫度恒定。

進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，換熱管選材確定后，其導(dǎo)熱系數(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)手冊(cè)即可查得。關(guān)鍵是凝結(jié)換熱和對(duì)流換熱過(guò)程的傳熱系數(shù)的計(jì)算。下面對(duì)換熱管凝結(jié)換熱和對(duì)流換熱過(guò)程進(jìn)行分析與計(jì)算。

1.1 換熱管外壁與水蒸汽的凝結(jié)換熱

在換熱管外側(cè)，ts℃的水蒸汽在換熱管的外壁形成液膜，進(jìn)行凝結(jié)換熱，液膜與換熱管外壁邊界溫度為 tw℃，通過(guò)式（1）先求得液膜平均溫度為tpn℃。

根據(jù)液膜平均溫度tpn，查詢飽和水的熱物理性質(zhì)表，得到液膜平均溫度下的飽和水的密度ρf、水蒸汽的汽化潛熱r、動(dòng)力粘度ηf、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。如果液膜中水為層流，將努塞爾理論分析推廣到水平圓管表面上的層流膜狀凝結(jié)，得出圓管水平放置時(shí)的冷凝給熱速率。其計(jì)算公式：

如果是湍流，則可運(yùn)用冷凝準(zhǔn)數(shù)方程變形后，即可求解冷凝給熱速率，計(jì)算式為：

液膜中水的層、紊流判據(jù)為雷諾數(shù)Ren，采用下式計(jì)算：

對(duì)于式（4），由于液膜中水的流型判斷中，首先需要計(jì)算冷凝給熱速率hn，液膜中水在層流和湍流下，hn計(jì)算式不同。因此，計(jì)算思路為：先假設(shè)液膜中水的流型，選定對(duì)應(yīng)流態(tài)下的冷凝給熱速率計(jì)算公式，通過(guò)此冷凝給熱速率，再來(lái)驗(yàn)證前面的假設(shè)是否正確，如果驗(yàn)證的水流態(tài)跟假設(shè)相符，則計(jì)算結(jié)束；否則，需重新假設(shè)水的流態(tài)，重新選擇正確公式計(jì)算hn，最后再驗(yàn)證正確水的流態(tài)跟假設(shè)相符，直到驗(yàn)證與假設(shè)相符。

1.2 換熱管內(nèi)壁與水的對(duì)流換熱

對(duì)于換熱管內(nèi)水而言，外部有熱水循環(huán)泵，是一個(gè)強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于強(qiáng)制循環(huán)，管內(nèi)可能是層流也可能是湍流，這個(gè)要經(jīng)過(guò)計(jì)算才能確定。

在換熱管內(nèi)壁與水的對(duì)流換熱，首先要計(jì)算管內(nèi)水的平均溫度tpf：

根據(jù)溫度tpf，查詢飽和水的熱物理性質(zhì)表，得到換熱管內(nèi)平均溫度下的飽和水的密度、動(dòng)力粘度f(wàn)、導(dǎo)熱系數(shù)、定壓比熱容、運(yùn)動(dòng)粘度、普朗特準(zhǔn)數(shù)Prf等參數(shù)。

對(duì)圓管內(nèi)水流的流型采用下式計(jì)算雷諾數(shù)：

如果Ref＞10000，則換熱管中水為湍流，如果2300＜Ref＜10000管內(nèi)水流為過(guò)度流，Ref＜2300，為層流。

1）層流時(shí)換熱管中對(duì)流給熱系數(shù)計(jì)算

對(duì)于管內(nèi)層流下強(qiáng)制對(duì)流給熱，采用式（7）求解對(duì)流給熱系數(shù)。式中，管長(zhǎng)l與當(dāng)量直徑d當(dāng)之比取值不同時(shí)，長(zhǎng)度修正系數(shù)k＇取值見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)度修正系數(shù)k＇取值范圍

2）過(guò)度流時(shí)換熱管中對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算

過(guò)渡流很不穩(wěn)定，同一雷諾數(shù)下可以因外界擾動(dòng)條件不同而流態(tài)各異，因而難以準(zhǔn)確計(jì)算，推薦使用實(shí)驗(yàn)式（8）進(jìn)行計(jì)算。

3）湍流時(shí)換熱管中對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算[3]

管內(nèi)湍流強(qiáng)制對(duì)流換熱，目前可以采用以下四類實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行求解。工程設(shè)計(jì)上，一般取四種計(jì)算中對(duì)流給熱系數(shù)小的值，作為設(shè)計(jì)參考值。

（1）迪圖斯-貝爾特公式

當(dāng)換熱管內(nèi)壁校核溫度與管內(nèi)水平均溫差少于20℃，上式適用。校核時(shí)采用牛頓冷卻公式，校核對(duì)數(shù)平均溫差，如式(10)所示（下述關(guān)聯(lián)式校核相同)。

式中，Q為換熱管中水每秒吸收的熱量，采用式（11）計(jì)算。

（2）齊德-泰特公式

（3）米海耶夫公式

（4）格林斯基公式

1.3 換熱管總換熱面積

換熱管內(nèi)水與管外蒸汽進(jìn)行換熱時(shí)，真空熱水鍋爐運(yùn)行一定時(shí)間后，內(nèi)壁可能會(huì)結(jié)垢，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，還需考慮內(nèi)壁結(jié)垢問(wèn)題。結(jié)垢后，總的換熱系數(shù)按下式計(jì)算：

根據(jù)總的換熱系數(shù)K，計(jì)算出整個(gè)換熱管換熱面積F：

2 計(jì)算實(shí)例與結(jié)果分析

以設(shè)計(jì)2.8MW真空熱水鍋爐為例進(jìn)行換熱管傳熱計(jì)算與設(shè)計(jì)，已知的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，換熱管分別選用紫銅管（導(dǎo)熱系數(shù)取398W/m·K）和SUS304鋼管（導(dǎo)熱系數(shù)取16W/m·K)。在不考慮換熱管內(nèi)結(jié)水垢的前提下，來(lái)研究分析換熱管不同管徑、管內(nèi)不同水流速度對(duì)管外蒸汽與管內(nèi)水的傳熱系數(shù)影響。

表2 真空熱水鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

在此設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，通過(guò)查詢飽和水的熱物理性質(zhì)表，分別得到換熱管水側(cè)、蒸汽側(cè)飽和水的相關(guān)熱物性參數(shù)見(jiàn)表3。其中，管內(nèi)飽和水的平均溫度為55℃，此溫度下和內(nèi)壁溫度60℃下的普朗特?cái)?shù)分別為3.26和2.98。飽和水在90℃的汽化潛熱為2282700J/ kg。

表3 飽和水的相關(guān)計(jì)算用熱物性參數(shù)

2.1 換熱管管徑變化對(duì)傳熱系數(shù)的影響

換熱管內(nèi)水流速度為1.6m/s，取5組不同管徑（14/16/18/20/22 mm)，采用第1節(jié)的方法，計(jì)算真空熱水鍋爐換熱管的蒸汽與管內(nèi)水的總傳熱系數(shù)，

換熱面積以及換熱管數(shù)量見(jiàn)表4。水側(cè)和蒸汽側(cè)的傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)隨管徑的變化如圖1所示。

表4 換熱管內(nèi)徑變化對(duì)傳熱系數(shù)影響

圖1 傳熱系數(shù)隨紫銅管管徑改變的變化趨勢(shì)

分析表4中數(shù)據(jù)以及圖1，可知：1）相同條件下，SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)約為紫銅管的75%左右；2）隨著換熱管管徑的增加，紫銅管和SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)、水側(cè)傳熱系數(shù)以及蒸汽側(cè)傳熱系數(shù)都減??；達(dá)到相同的換熱效果，換熱管的總換熱面積增加，換熱器中所需布置的換熱管數(shù)量有所減少；3）當(dāng)管徑由14mm增加到22mm時(shí)，紫銅管的總換熱系數(shù)下降了516W/m2·K，換熱性能下降約9.21%，而SUS304鋼管的總換熱系數(shù)下降了296 W/m2·K，性能下降約7.06%，管徑增加對(duì)紫銅管換熱效果的下降更明顯。

2.2 換熱管水流速度變化對(duì)傳熱系數(shù)的影響

換熱管管徑為1 6 m m，取5組不同流速（1.3/1.6/1.9/2.2/2.5m/s)，采用第1節(jié)的方法，計(jì)算真空熱水鍋爐換熱管的蒸汽與管中水的總傳熱系數(shù)，其中，蒸汽側(cè)的傳熱系數(shù)保持恒定不變（16490 W/m2·K），換熱面積以及換熱管布置數(shù)量如表5所示。水側(cè)和總傳熱系數(shù)隨管徑的變化如圖2所示。

表5 換熱管內(nèi)水流速變化對(duì)傳熱系數(shù)影響

圖2 傳熱系數(shù)隨紫銅管中水流速改變的變化趨勢(shì)

分析表5中數(shù)據(jù)以及圖2，可知：1）相同條件下，SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)約為紫銅管的71%－79%；2）隨著管內(nèi)水的流速增加，紫銅管和SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)以及水側(cè)傳熱系數(shù)都增加；達(dá)到相同的換熱效果，換熱管的總換熱面積以及換熱器中所需布置的換熱管數(shù)量都減少；3）當(dāng)流速由1.3m/s增加到2.5m/s時(shí)，紫銅管的總換熱系數(shù)增加了1913W/ m2·K，換熱性能提升約39.28%，而SUS304鋼管的總換熱系數(shù)只增加了952W/m2·K，性能提升了約24.61%，流速增加對(duì)紫銅管換熱效果的提升更明顯。

3 結(jié)論

1）分析了真空熱水鍋爐換熱管的管外蒸汽與管內(nèi)水的冷凝換熱、傳導(dǎo)傳熱和對(duì)流傳熱，介紹了在不同流動(dòng)形態(tài)下，冷凝換熱和管內(nèi)對(duì)流換熱過(guò)程的傳熱系數(shù)計(jì)算方法和相關(guān)關(guān)聯(lián)式；

2）研究分析了管徑對(duì)SUS304鋼管和紫銅管傳熱效果的影響，得知：SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)約為紫銅管的75%左右；總傳熱系數(shù)隨著管徑增加而減少，且管徑增加對(duì)紫銅管換熱效果的下降更明顯；

3）研究分析了流速對(duì)SUS304鋼管和紫銅管傳熱效果的影響，得知：SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)約為紫銅管的71%－79%；總傳熱系數(shù)隨著流速增加而增加，且流速增加對(duì)紫銅管換熱效果的提升更為明顯。

1 張雪巖,祁紅衛(wèi),李月梅等. 14MW冷凝式真空鍋爐的研制開(kāi)發(fā).工業(yè)鍋爐, 2013,137(1):17～21

2 趙明海,張斌,陳濤.液管式燃?xì)庹婵斟仩t的主要特點(diǎn)和應(yīng)用.工業(yè)鍋爐, 2013,138(2):46～48

3 沈巧珍,杜建明.冶金傳輸原理.北京:冶金工業(yè)出版社,2006

2013－12－18）