沉浸式蛇管煙氣-水換熱器設(shè)計方法研究及實驗驗證

同濟大學(xué) 黃思怡 馮 良 伊帥帥

沉浸式蛇管煙氣-水換熱器設(shè)計方法研究及實驗驗證

同濟大學(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)計方法較粗糙，設(shè)計結(jié)果常無法滿足工藝要求。文章分析煙氣流動與換熱特性，建立了設(shè)計計算模型，并進行實驗驗證，結(jié)果表明，該計算方法能夠滿足工業(yè)設(shè)計計算的要求。

沉浸式蛇管換熱器 煙氣-水換熱 設(shè)計計算

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

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)平均溫差計算：管外水側(cè)傳熱系數(shù)相對于管內(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，采用常壁溫時的換熱溫差計算公式：

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，管外水側(cè)ho遠大于管壁導(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——煙氣運動粘度，m/s2；

Prf——普朗特數(shù)，Cp·μf/λf；

Cp——煙氣比熱容，kJ/(kg·℃)；

μf——煙氣動力粘度，Pa·s；

λf——煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

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

式中：d——彎管直徑，m；

R——彎管曲率半徑，m。

1.2 物性計算

換熱器的設(shè)計計算離不開物性參數(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作為定性溫度進行計算：

(1)比熱容：

各組分的質(zhì)量成分可由摩爾成分計算而得：

式中：ri——各組分的摩爾分數(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——實際煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

Mλ——修正系數(shù)；

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

標(biāo)準煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

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

實際煙氣導(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可通過公式，利用線性內(nèi)插法計算：

1.3 煙氣量計算

(1)理論煙氣量：過剩空氣系數(shù)α=1時，煙氣各組分理論體積為：

CmHn， N2，CO2，O2，H2O ——燃氣中各烷烴和空氣中 N2、CO2、O2和水蒸氣理論體積，m3/(100 m3燃氣)；

d——氣體含濕量,下標(biāo) g代表燃氣，a代表空氣，kg/kg。

(2)實際煙氣量：

式中：Vf——實際煙氣體積，m3/(m3燃氣)；

V0——理論空氣體積，m3/(m3燃氣)；

α——過?？諝庀禂?shù)。

過?？諝庀禂?shù)α通過分析實際煙氣組分計算：

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

2 算法設(shè)計

2.1 設(shè)計步驟

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

(2)計算煙氣物性參數(shù)、換熱量Q、平均換熱溫差△tm；

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

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

(5)比較前后計算的總換熱面積，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，迭代計算，直至相等；

(6)計算待求主體管段面積 An，管徑 dn通過推薦管內(nèi)流速u(一般為10～30 m/s)計算而得,進而計算長度Ln。

2.2 程序框圖

設(shè)計計算方法程序框圖見圖1。

圖1 設(shè)計計算方法程序

3 實驗驗證

3.1 煙氣換熱實驗

加熱浸管包括燃燒室、煙管和尾箱等部分(見圖2)。

圖2 液槽加熱器結(jié)構(gòu)布置

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

表2 液槽加熱器結(jié)構(gòu)尺寸

3.2 結(jié)果對比

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，對比設(shè)計方法計算得到的長度與實際長度，結(jié)果見表3。

表3 煙氣—水換熱器設(shè)計與實際結(jié)果對比

5 結(jié)語

(1)文中介紹了沉浸式蛇管煙氣-水換熱器的熱力設(shè)計方法，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與傳熱的特殊性，可用于沉浸式蛇管換熱器的設(shè)計計算；

(2)對一臺實際應(yīng)用的沉浸式蛇管液槽加熱器進行了實驗測試，將實驗結(jié)果與計算結(jié)果進行了對比；

(3)針對文中所對比的換熱器，本文所介紹的熱力計算方法準確度能夠滿足工業(yè)設(shè)計計算要求，目前可以作為工業(yè)設(shè)計的初步設(shè)計方法，計算結(jié)果可為結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計的進一步調(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