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三流体分离型热管换热器性能分析及应用点击：1842 日期：[ 2014-04-26 21:53:55 ] |
| 三流体分离型热管换热器性能分析及应用 石程名1,王洋1,徐灿君2,崔文智1 (1.重庆大学动力工程学院,重庆400044;2.中国轻工业长沙设计院,长沙410000) 摘 要：建立了三流体分离型热管的传热分析模型,得到了各排热管具有相同换热面积和不同换热面积顺流和逆流换热器的温度传递矩阵方程。利用具有相同换热面积换热器的温度传递矩阵方程,导出了顺流和逆流换热器的2个传热有效度θ1、θ2与M1、M2、NTU1、NTU2、、U及Δti的关系式。应用所得的结果,对大型高炉热风炉的烟气余热回收装置进行了设计和变工况校核计算,实践证明结果正确。 关键词：热管;换热器;三流体;传热有效度;温度传递矩阵方程 中图分类号：TK172.4文献标志码:A 文章编号：1000-582X(2010)08-130-06 在九十年代初期,宝钢4 036 m3高炉的热风炉是当时我国最大的热风炉,产生的烟气余热要同时用来预热空气和煤气。当时已有的其它三流体换热器都不能适应其要求。分离型热管换热器有如下特点[1-2]: 1)可方便地实现换热流体顺、逆流混合布置。2)能适应换热器装置大型化。3)可靠地将热、冷流体完全隔离。4)组成换热器各排热管的传热面积可以不同。5)能方便实现多种流体远距离换热。 这些特点正好能满足钢厂大型热风炉余热回收的要求。因此,出现了一种新型换热器———三流体分离型热管换热器。这种换热器可在空气或煤气不能流经换热器时保障热管工作温度或压力不会升得太高。在过去几十年间,对各种换热器的性能有大量的研究[3-8]。不同换热器有不同的传热性能和传热有效度的表达形式。文献[9]对2种流体换热的热管换热器的传热性能进行了研究。文献[10-12]得到了三流体板翅式和管壳式换热器的传热分析结果。这类换热器与三流体分离型热管换热器在构造和换热原理上都不同。前者分析模型和研究结果不适合文中的研究对象。文献[13]得到了三流体分离型热管换热器各排热管换热面积相同,一种热流体、2种冷流体分别在顺流和逆流时的温度传递矩阵方程。但它是在假设组成换热器的每个热管排的几何参数相同的条件下完成的。实际工程中,为了调节热管的工作温度和压力,比如为了防止露点腐蚀、积灰等问题,组成换热器的每个热管排的几何参数(如肋间距)可能是不相同的,也就是说换热器各排间的换热面积是不同的。这样可以调节壁面温度,避免水或酸结露,减少换热器表面的积灰和腐蚀。因此,需要研究各排间换热面积不同的换热器的传热性能和设计方法。另外,到目前为止,这种新出现的三流体分离型热管换热器的传热有效度也还未见报道。 在实际运行中,流体的进口温度和流量等工况也随时发生变化。所以需要详细了解这类换热器在变工况时的传热性能。笔者以顺流和逆流布置的三流体分离型热管换热器为研究对象,分别建立传热分析模型,考虑2种换热器中各排热管换热面积会存在相同和不同的状况,分别得到相应的温度传递矩阵,进而利用温度传递矩阵得出传热有效度和不同工况参数的关系式,最后结合实例进行验证。 1·传热性能分析 1.1 各排热管间面积相等和不相等的温度传递矩阵方程 图1为三流体分离型热管换热器逆流时的原理简图,其中流体3是加热流体,流体1及流体2是冷流体。由图可知,由若干排三流体分离型热管组组成三流体分离型热管换热器,并且每排热管的换热面积可通过肋间距相同或不同而变化。 由图1可知,该换热器是由一个个离散的热管排(单元)叠加而成。对其进行传热分析时,忽略散热损失,前后排热管肋片刚好相互接触,可认为温度沿流动方向的变化是连续的。把离散的各个热管排看成一个整体,如图2所示。流体沿换热器的流程是从0到1之间变化。其中x是换热器全流程的相对位置。 该矩阵方程系数矩阵元素中的传热面积是整个换热器的相应面积。 换热器可由多个热管排组成,如果各排之间的传热面积不同,可把前面的传热分析方法用于每一个热管排,就会得到一个热管排的温度传递矩阵方程,由于前排热管出口温度是后一管排的进口温度,各排热管的温度传递矩阵方程可表示如下: T1=A1Ti,T2=A2T1,T3=A3T2,……,Te=AtTt-1 式中:A为顺流温度传递矩阵。 各排换热面积相同时,取平均温度计算的各排的温度传递矩阵是相等的,因此可得: Te=AtTi, (3) 这里矩阵A中各元素的传热面积为一排的面积。如果各排换热面积不同时,各排的温度传递矩阵不相等,因此得到: Te=At…Ai…A2A1Ti, (4) 其中Ai(i=1,2,…,t)即第i排热管的温度传递矩阵。3种流体的热容量取相同正值时为顺流。逆流时的温度传递矩阵也可以通过传热方程和能量平衡方程及适当的边界条件(x=0时,T1=T1i、T2=T2i、T3=T3e;X=1时,T1=T1e、T2=T2e、T3=T3i)得到,如图3所示。由于在上面的推导过程中,并未限制是1种冷流体或者是1种热流体,因此,式(2)既适用于1种热流体与2种冷流体也适用于2种热流体与1种冷流体之间换热的情况。对于如图3所示的流体3与流体1和流体2进行逆流换热的情况,只要将式(2)中的进出口温度进行适当的变换,并将反x增加方向流动的流体的热容量取为负值即可得到逆流的温度传递矩阵方程。 任意一排热管的温度传递矩阵方程为 Te=BTi, (5) 则逆流时矩阵B的元素的计算式如下: b11=a11-a13a31/a33, b12=a12-a13a32/a33, b13=a13/a33, b21=a21-a23a31/a33, b22=a22-a23a32/a33, b23=a23/a33, b31=-a31/a33, b32=-a32/a33, b33=1/a33。 这时矩阵元素中面积为一排热管相应的面积。由t个相同换热面积的热管排组成的换热器的温度传递矩阵方程为 Te=BtTi。(6) 同理,由t个不相同换热面积的热管排组成的换热器的温度传递矩阵方程为 Te=Bt…Bi…B2B1Ti, (7) 其中,Bi(i=1,2,…,t)为第i排热管的温度传递矩阵。 当热管每排换热面积不同时,方程(4)和(7)可为热力计算提供一条捷径,因为此时无需计算每排的流体出口温度。而矩阵Ai或Bi都可直接通过不同肋片结构或传热面积获得,从而可直接完成各热管换热器的热力计算。 1.2 传热有效度 如图2所示的三流体换热器中,假设流体3为冷流体,1、2为热流体,流体1和3之间、2和3之间的传热单元数分别NTU1、NTU2表示。另外假定流体不混合且m1c1、m2c2都小于m3c3。其中:m为质量流量,kg/s;C为比热容,J/(kg·℃)。定义如下的无因次数(其中NTU1/ NTU2为传热单元数比;U为2个传热支路的传热单元数比;Δti为入口温差比,θ1、θ2为换热器传热有效度): 由此,得到了顺流各排几何参数相同的换热器的传热有效度θ与传热单元数NTU、热容比M、传热单元数比U和入口温差比Δti的函数关系。对于逆流,同理,矩阵B各元素有如下关系式: b11+b12+b13=1, b21+b22+b23=1。 简化得到流体逆流时的换热器传热有效度为 如果把b11,b12,b21和b22表达式代入以上2式,得到的是2个较复杂的θ1和θ2的表达式,此处不赘述。在实际应用中,对于每1台换热器可通过计算机编程计算出换热器传热有效度与传热单元数的特性曲线,供换热器的使用者随时快捷的了解变工况特性。 图4和图5分别给出了顺流和逆流时换热器传热有效度与传热单元数、传热单元数比与入口温差比的关系曲线图。由图可见,增加NTU值到一定程度后,换热器的传热有效度提高不大。也就是说换热器面积增加到一定程度后,再增加换热面积,换热器的换热能力增加也很有限。在三流体热管换热器校核设计和变工况校核时,可通过查取换热器传热有效度曲线图或者用传热有效度方程编制计算机程序进行计算。 2·应用实例 实例是一个炼铁厂热风炉余热回收装置的设计及校核计算,该换热器已经安全稳定运行了近20年。空气为流体1、煤气为流体2、烟气为流体3,其他相关参数如表1所示,流体的流动方式为逆流。 设计或校核计算时,首先需要假设2种流体的出口温度(如流体2和流体3),通过热平衡方程求出流体1的出口温度。根据平均温度的物性、热管结构参数和流体流速可计算出传热系数和传热面积。接着可计算出NTU、U、M1、M2和Δti。然后计算得到传热有效度。最后通过传热有效度的关系式计算出流体1、2的出口温度,流体3的出口温度T3e可通过热平衡计算得出。如果是设计计算,计算出的各流体出口温度与前面假定的出口温度不满足要求时,那么热管的肋片结构或管排数就需要调整,并重新计算。如果是校核计算,换热器的面积是已知的,只需对假设的出口温度进行迭代修正。表2列出的是最终的设计计算结果。 图6是该分离型三流体热管换热器的传热有效度θ与传热单元数NTU的关系。在实际运行中,由于有4座热风炉交替循环工作,烟气的入口温度和流量都在周期性的发生变化。在烟气最高温度时,热管内的工作温度和压力也很高,为了换热器的安全,需要计算变工况时热管的工作压力与温度,作为管组强度计算的依据。其中1种变工况的3种流体入口温度分别变为T1i=30℃,T2i=50℃,和T3i=350℃。由于烟气流量是煤气燃烧的产物,3种流体的流量比M1、M2和传热单元数NTU1,传热单元数比U保持设计值不变。这时,Δti=0.937 5。由图6查得传热有效度θ1=0.569 8,θ2=0.517 3,计算得到T1e=212.33℃、T2e=214.18℃。根据能量平衡方程算出传热量Q=26 911 kW,T3e=177.5℃。由传热方程计算的传热量Q=27 410 kW。从2个角度计算的传热量只相差0.18%。变工况校核计算证明理论结果正确。 3·结 论 根据一个三流体分离型热管换热组件的传热分析模型,得到这种换热器在流体顺流、逆流时的温度传递矩阵方程(2)~(7)。利用温度传递矩阵方程,导出了传热有效度θ1、θ2与热容比M、传热单元数NTU、总传热系数比U、入口温差比Δti等的关系式(10)~(13)。并绘出了换热器的传热有效度曲线图,这些方程可为工程设计提供理论计算的依据。传热有效度曲线图能简捷的计算换热器变工况的出口温度。 参考文献:略 |
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