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伴随有水蒸气凝结的烟气受迫对流换热过程研究点击：2737 日期：[ 2014-04-26 22:00:26 ] |
| 伴随有水蒸气凝结的烟气受迫对流换热过程研究 白凤臣 马文姝 黑龙江工商职业技术学院 摘要：对塔板式换热器和肋片式换热器的试验研究结果表明，有水蒸气凝结时的烟气对流换热系数远大于无凝结时换热系数；在冷凝式换热器中，塔板式换热器的换热系数大于肋片式换热器的换热系数。 关键词：对流显热换热；冷凝潜热换热；不凝气体 中图分类号：TK124 文献标识码：A 燃烧产物烟气在换热器中与壁面的换热过程是混合气体向壁面的传热过程，当换热器表面温度低于或等于烟气的露点温度时，会有部分水蒸气冷凝下来放出潜热。此过程由两个部分构成：一部分是冷凝气体的潜热传递，另一部分是不凝气体的显热传递。 烟气的冷却及其所含水蒸气冷凝过程与烟气温度、壁面温度、烟气的组分及过量空气系数大小等因素有关，这其中对冷凝换热系数影响最大的当属烟气中水蒸气的含量。本文将通过实验来研究影响冷凝换热系数的因素。 1 实验装置 实验采用的系统如图 1 所示。T 为热电偶。天然气经表9 计量后，与经过表 10 计量的空气在燃烧器 4 的混合室中充分混合，再流过燃烧器陶瓷板的小孔进行燃烧。烟气上升先经过一级换热器 1 与冷却水进行热交换，放出大部分热量，温度从 900～1 100 ℃降至 100 ℃左右。烟气接着流经二级换热器 2，在二级换热器中进行冷却、冷凝换热，凝结液落入下面的收集盘中，再经底部导管流入烧杯 12 以便测量。冷却水分别通过两个换热器与烟气换热，水流量由阀门7 控制，换热后的水流入水槽 8 中，最后用电子天平称重来测量流量。预热器 5 与双眼燃气灶 6 用于预热二级换热器的冷却水，以实现各种不同入口水温下的实验工况。 实验使用红外陶瓷板燃烧器，最大热负荷为 10 kW。在保证完全燃烧的前提下尽量降低燃烧过剩空气系数，以获得较高的水蒸气分压，增强烟气中水蒸气的凝结。 为了研究换热器的结构对传热过程的影响，分别采用两种类型的二级换热器（冷凝换热器）进行了冷凝换热测试研究：一类是塔板式换热器（简称 M 型换热器）；另一类是板式肋片换热器。共进行两种板式肋片换热器的测试：一种为 单排管（简称 YS 型换热器）；另一种是双排管（简称 HD型换热器）。实验用换热器的结构分别如图 2～图 4 所示。 水路系统的流量控制通过旋塞完成，并在水路中安装了浮子流量计用以直观地指示流量。二级换热器要进行变水温工况的实验研究，用水温度的调节靠水量调节阀前的预热装置实现，水温的高低由燃气灶的燃气阀来调节。燃烧器的热负荷调节由燃烧器供气系统中各自管路上的阀门来完成。 2 实验结果及分析 燃气锅炉的烟气中水蒸气的含量一般在 15%～20%之间，即不凝结性气体占绝大多数，此时烟气的换热规律与干烟气的对流换热、纯水蒸气以及含有少量不凝结性气体蒸汽的凝结换热都不大相同。烟气在换热器入口时处于过热状态，随着烟气温度的降低，当贴近壁面的局部烟气的温度低于烟气中水蒸气的饱和温度，即烟气的露点温度时，水蒸气由于过饱和而在壁面上发生凝结。冷凝下来的液滴不断聚集，最终在壁面上形成一层薄薄的液膜，烟气的传热与传质都将通过这层液膜传递到壁面上。随着水蒸气的不断凝结，贴近液膜处的这一薄层烟气中水蒸气的分压力下降，形成浓度梯度，主流烟气与液膜的显热交换也必须通过这一气体层来进行，因此，该薄层气体界膜成为烟气的对流传热与传质过程的主要阻力。随着烟气中水蒸气含量的不断降低，烟气的组成成分、烟气流速、密度等物性参数均发生变化。因此，高水分烟气对流冷凝换热是一个对流显热换热和冷凝潜热换热同时发生的过程。而综合换热系数 h 是由显热和潜热两部分换热量决定的，这两部分换热量分别占总换热量的比例影响着换热系数的大小。如果将烟气按常物理性处理，则影响烟气冷凝换热的主要因素为烟气流速ω、水蒸气含量、烟气与壁面温度 tf、tw和换热器形式有关的形状因素φ，即 为了研究换热系数h的变化规律，设计了3种变化工况： (1) 改变燃烧器热负荷以改变ω，tf； (2) 改变冷却水温度以改变 tw； (3) 改变换热器的形式以改变φ。 考虑到传热系数与两侧的对流换热系数有关，在测定烟气侧换热系数改变工况时，应尽量保持水侧的工况稳定。由烟气侧传热计算公式： Q =ηhAΔtfw得 测试和计算得η、Q、A、△tfw 后，即可计算出烟气侧换热系数 h，实测结果整理如图 5、图 6 所示。 图 5 为有水蒸气冷凝的烟气对流换热系数与纯水蒸气和含少量不凝性气体的凝结换热对比。当蒸汽中含有少量不凝性气体（如空气）时，在靠近液膜表面的蒸汽侧，随着蒸汽的凝结，蒸汽分压力减小而不凝性气体的分压力增大。蒸汽在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过积聚在界面附近的气体层，因此不凝性气体层的存在增加了传递过程的阻力。同时，蒸汽分压力的下降，使相应的饱和温度下降，减小了凝结的驱动势，削弱了凝结过程，极大地降低了表面传热系数。 由图可知，蒸汽中含少量不凝性气体时，换热系数 h 对不凝性气体的含量非常敏感，h 值的大小主要与不凝性气体的含量有关，换热机理与纯蒸汽凝结换热相近。当混合气体中不凝性气体达到 80%以上时（烟气属于这种情况），换热系数就已经降得很低，凝结的潜热换热量与对流的显热换热量已在同一数量级上。 图 6 为有水蒸气凝结时烟气换热与单相对流换热的比较。冷凝的发生使得显热的换热强度有微小程度的提高，分析认为这是由于冷凝的发生影响了空气和水蒸气混合气体的速度分布，冷凝液膜的波动或者液滴滴落在翅片上都会使边界层发生扰动，加剧边界层发生掺混和紊乱，从而使得显热换热强度得到提高。由图可见，烟气冷凝换热时的换热系数是其纯对流换热系数的 2～3 倍，高者可达4倍以上，由此说明，水蒸气凝结换热可明显地增强烟气的换热强度。 3 结 论 (1) 当烟气中水蒸气含量不足 20%时，伴随凝结的对流换热系数比纯蒸汽凝结换热系数低数十倍，而与无凝结时气体对流换热系数处于同一数量级。 (2) 伴随凝结的对流换热系数与烟气中的水蒸气分压力有关，分压力越大，换热系数越大。 (3) 伴随凝结的烟气对流换热系数为相同工况下无凝结时烟气对流换热系数的 2～3 倍，有时达 4 倍。 (4) 冷凝换热以潜热换热为主，提高烟气流动雷诺数有利于冷凝换热，而增大翅片间距不利于冷凝换热。因此应采用紧凑换热器。 (5) 塔板式换热器的换热系数大于肋片式换热器的换热系数。 (6) 当水蒸气的含量较高时，烟气的流速是影响换热的主要因素；而当水蒸气的含量不大，而不凝气体的含量较高时，则水蒸气含量是影响换热的主要因素。 参考文献 [1] 车得福. 冷凝式锅炉及其系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002. [2] 车得福. 烟气热能梯级利用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006. [3] 过增元. 场协同原理与强化传热新技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004. [4] 史美中. 热交换器原理与设计[M]. 南京: 东南大学出版社, 2003. 编辑：闻 彰 |
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