换热器选型
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污垢对微管换热器用于发电系统的影响点击：1780 日期：[ 2014-04-26 21:54:00 ] |
| 污垢对微管换热器用于发电系统的影响 戴传山，王秋香，孙平乐 （天津大学机械工程学院，天津300072） 摘要：微管换热器与常规大管径换热管的换热器相比，有较大的面积体积比，且更加紧凑，使得其在低温或余热资源发电系统中有一定的优越性。但是，由于微管更容易发生阻塞以及由于污垢热阻的产生导致其换热性能的急剧下降，又阻碍着微管换热器的推广应用。本文提出了评价微管换热器用于发电系统的污垢危害的理论模型，对微管换热器随污垢热阻增加总传热系数的下降、所耗流动驱动功的增加进行了计算，对发电系统净发电能力进行了数值模拟。同时，还讨论了发电系统中微管换热器的尺度效应以及最优换热管径的选择等问题。 关键字：微管；换热器；污垢；发电站；优化设计 近年来，微型机械、微型电子元器件等微型化零件设备的开发与应用，使得人们对微型换热器的研究也越来越感兴趣[1－9]。有关论文回顾了微槽道、微表面近年来所取得的研究成果[2-5]。研究结果表明：微槽道内流体的流动形式和传热特征可能与常规管径换热管不同。但一些结论也表明，人们对微细管是否有较明显的强化传热效果还没有统一的看法。就目前有关微槽道或微尺度传热的研究论文看，研究微细管的论文也比研究微槽道的要少。这也许是因为对于微槽道而言，发热表面本身可以构成流动边界的一部分，比如电子芯片冷却。而绝大多数微管换热器主要用于冷热流体间热传递，在实现冷热流体之间传热的换热器设计中，微管换热器具有紧凑、高承压能力，比微槽道有一定的优越性。本文主要评价了微管换热器用于发电站的传热性能，特别是随污垢热阻的增长微管换热器的传热性能变化。用本文给定的污垢热阻随时间增长的模型计算流体流动所耗驱动功的增加，进而得出净发电功率。 1·污垢热阻和设计参数的确定 在微管换热器使用寿命内，换热表面上随时都有其它物质附着影响，如：悬浮颗粒的沉降、流体内某物质随温度升高溶解度的下降、金属腐蚀和发生化学反应的产物以及生物污垢等。污垢热阻带来的是双重损失。即总传热性能的下降和压力损失的增加[10]。本文将采用微管进行发电系统的蒸发器与冷凝器设计，并进行热力学分析，主要侧重研究污垢热阻对微管发电系统的传热及发电效率带来的影响。 本文设计了发电量为5 kW的发电机组，确定蒸发器的热源温度和冷凝器的冷源温度分别为90℃和20℃，且蒸发器、冷凝器均采用管壳式换热器。选用R600正丁烷作为循环工质，且在微管外流动，也就是正丁烷循环工质走壳程。冷、热水在微管管内流动。假设只有微管的内表面生成污垢，而且是均匀分布。这里特别要强调的是：换热表面的污垢是动态的、变化的。一般来讲，随着换热器时间运行的推移产生的污垢越来越严重[11]。 蒸发器、冷凝器的设计都是采用两种不同管径的304不锈钢微细管作为换热管进行的。其中一种管外径1.0 mm、壁厚0.125 mm，另一种管外径0.5mm、壁厚0.075 mm。换热管都按正方形排列。值得指出的是要研究污垢对微管换热器用于发电站的影响，首先须按给定的发电量要求设计一套匹配的蒸发器和冷凝器，然后计算在特定的运行环境下的实际发电功率。这通常被称作是换热器设计的正向设计与反向设计。在正向设计中，假定所用微管是清洁的、没有污垢的，主要目的是按给定的发电量要求确定蒸发器、冷凝器的总体大小和换热管的排列。但是在反向设计中，人们关心的是管内污垢热阻变化、循环工质质量流量发生变化的特定运行环境下的实际发电功率。 如图1所示，发电系统循环工质（正丁烷）的蒸发温度为T6-7=80℃，冷凝温度T3-4=35℃，蒸发器出口1点过热气体温度为85℃，冷凝器出口为无过冷。工质在汽轮机内等熵膨胀，等熵效率取0.85，工质在工质泵中等熵加压。蒸发器处热水进口温度为Thi=90℃，冷凝器处冷却水进口温度为Tci=25℃。 2·蒸发器和冷凝器的尺寸设计 假定热源（热水）进口温度为90℃，质量流量2.0 kg/s。冷源（冷却水）进口温度为20℃，质量流量1.2 kg/s。拟选用外径1.0 mm、内径0.75 mm的1#管和外径0.5 mm、内径0.35 mm的2#管，304不锈钢材质针管作为换热管，微管蒸发器、冷凝器均采用单管程管壳式。冷热源走管程，R600正丁烷走壳程，并且管、壳程流体采用逆流布置。 蒸发器设计步骤如下所述。 （1）蒸发器的设计计算分饱和汽到过热蒸汽(1阶段)、饱和液到饱和汽相变（2阶段）以及过冷液到饱和液（3阶段）三部分，由工质的吸热量与热源各阶段对应的放热量相等分别计算三部分的热源放热量qe1、qe2、qe3。 （2）由Q=CpGh(T1－T2)分别计算各部分进出口温度，结合工质侧温度计算对数平均温差ΔT。 （3）根据经验初选各部分传热系数K，并通过公式Q=KA?T估算所需传热面积A。 （4）由估算的传热面积初步确定换热器的基本参数，并计算所需管根数N。换热管按正方形顺序排列[12]，并计算管壳直径。（5）对每一部分计算管内表面换热系数hi[13]，管壁热阻rw，管外表面换热系数ho[14-15]，R600管外过冷液到饱和液以及饱和汽到过热蒸汽，求得总传热系数，利用工质侧阶段的换热量作为准确的换热量。 （6）由Anew=Q/(K?T)重新计算换热面积，如果Anew不等于初始假设面积A，令A=Anew返回第4步重新计算所需换热管根数N，直至Anew与A符合精度要求时蒸发器设计完成且设计结果见表1。冷凝器的设计与蒸发器类似，设计结果见表2。 因为蒸发器、冷凝器设计中所用的微管管径很小，外径只有1 mm或0.5 mm，所以微管换热管的总根数随换热器外壳直径的变化比常规尺度换热管要敏感得多。这里用迭代试算以期得到合适的管根数，但是管根数总是随迭代次数的变化波动，很难得到一个固定的值。所以取迭代次数从10～110的管根数的平均值作为实际的总管根数。 表1、表2中分别列出了蒸发器、冷凝器的换热管总管根数Nt，换热器外壳直径Ds。其中do为微管外径，do，为微管内径，s为管间距，L为单管长度。所有的长度单位在没有特别说明的情况下以毫米（mm）为准。 3·污垢的影响 3.1污垢厚度的影响 尽管污垢的厚度很薄，但对微管换热器而言仍然很容易被堵死。定义一个新的、量纲为1的相对污垢厚度δ/ri，即污垢厚度δ与管内半径ri的比值，来讨论污垢对换热器传热量的影响。当相对污垢厚度δ/ri为1时，微管全部被堵死，没有任何流体流过。 图2、图3分别画出了换热管外径为0.5 mm和1.0 mm时，蒸发器传热量Qe、冷凝器传热量Qc随相对污垢厚度δ/ri的变化。如图所示，在相同的相对污垢厚度下，冷凝器的换热量下降比蒸发器要快，这是因为在任何污垢热阻情况下冷凝器的总传热系数比蒸发器大，以至于污垢热阻发生变化时冷凝器的换热量衰减就相对剧烈一些。微管外径do=0.5 mm的冷凝器、蒸发器换热量所需的循环工质质量流量Gwc和Gwe随相对污垢厚度的变化如图4所示。 对于发电站实际的朗肯循环，换热管污垢热阻产生和变化会导致整个循环所有的状态都发生变化。当然不排除运行策略对状态参数的决定性作用。为了简化设计计算，假设当微管内污垢热阻形成和增长时，蒸发器、冷凝器内的温度、压力保持恒定值不变。因此，如图4所示，循环工质正丁烷的质量流量Gwe、Gwc应该与蒸发器换热量Qe、冷凝器换热量Qc成正比，且随相对污垢厚度的增加逐渐降低，当相对污垢厚度较大时，降低更为剧烈。这说明即使污垢厚度按相同的增长速度变化，在相对污垢厚度较大的时候，实际发电量衰减的更快。 3.2污垢热阻假设模型 换热器内的污垢热阻是一个动态变化过程，取决于流体物性，换热表面特性以及运行条件等诸多因素。目前还没有任何关于微管换热器污垢热阻的实验数据或与实验测试有关的数据，在此，用Li等[11]得到的关于常规管径换热器污垢热阻的实验数据来计算循环工质正丁烷发电循环的实际输出功率。 图5是内光滑表面传热管的污垢热阻随换热器运行时间的关系。强化传热管内表面是光管，外表面加有翅片。管外径0.621英寸（15.8mm），并且认为所有的污垢热阻都是由于管内流动的水产生的，而与管外流动的相对很洁净的制冷剂无关。根据圆柱坐标导热热阻关系式可得管内污垢热阻厚度的计算式（1）： 其中，λf是污垢导热系数，实际上污垢导热系数λf的取值范围为0.05～3 W/(m·K)，在这里取1.0W/(m·K)。因此根据式（1），可以导出图5中各数据对应的污垢厚度。 由图5可见只有在换热器运行时间超过1600 h污垢热阻才变得严重，相应地把运行时间分为两个阶段。在第一个阶段即开始运行的1600 h内，换热器换热管内表面没有污垢生成。第二阶段污垢厚度按图5中所示的公式增长，运行2500 h污垢厚度约0.032mm，占管外径do=0.5 mm的换热管内半径的18.3%，管外径do=1.0 mm的换热管内半径的8.5%。但是如果使用外径为do=0.2 mm的微细换热管（壁厚0.075mm），整个管内径就全部被堵塞了。 3.3发电系统各功率的计算 图6中的实线表示换热管外径do=0.5 mm时系统发电功率随相对污垢厚度的变化关系。虚线、点线分别表示蒸发器、冷凝器侧循环水泵耗功随相对污垢厚度的变化，两者耗功的和用点划线表示在图中。根据图5中得到的污垢厚度随运行时间的公式，结合图6中的数据何以计算出系统的净输出功率。图7说明运行1600 h以后，用do=0.5 mm换热器的发电站净输出功率比用do=1.0 mm的衰减要快许多。 4·结论 分析了采用微管换热器实现低温热源发电时的污垢影响，尽管微管易由于污垢堵塞，但微管换热器结构紧凑，体积小。结果表明，用外径do=1.0 mm的微管作换热管时，5 kW容量的发电机组所用的蒸发器、冷凝器总体体积长×宽不超过200 mm×200mm，用外径do=0.5 mm的微管蒸发器、冷凝器总体尺寸将更小。但微管换热器运行一段时间后微管内流动阻力损失急剧增加，净发电功率衰减很快。换句话说，在发电系统中用微管换热器存在一定的危险，但是具体如何还需要在未来的实验中去验证。 参考文献：略 |
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