增压富氧煤燃烧烟气凝结换热的计算

阎维平, 董静兰, 李皓宇, 马 凯

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院,电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,保定071003)

混合气体的凝结换热现象由于其复杂的机理和广泛的工程应用背景而得到学者们的重视.Carpenter和Colburn进行了开创性的工作,得到了蒸汽在管内对流凝结换热的解析解,并研究了蒸汽份额对凝结液膜流动的影响.

对纯蒸汽和含少量不凝结气体的混合气体在竖直管内的凝结换热问题,学者们已经进行了大量的实验和理论研究,并取得了一定的研究成果.Shekriladze和Mestvirishvili结合卡门关联式探讨了竖直管内运动的蒸汽在中等Pr和大Pr下的膜换热问题.Vierow、Siddique、Kuhn、Hassanein和Park对竖直管内含少量不凝结气体的混合气体的凝结换热进行了实验研究.

随着含有单种小份额水蒸气和其他不凝性气体的混合气体凝结换热在工程上越来越广泛的应用,此类混合气体的凝结换热得到越来越多的关注和研究,并提出了许多模型,包括在竖直和水平集合体内的层流和紊流膜凝结模型.JIA L等[1-2]对含湿混合气体在竖直管内的对流凝结换热进行了研究,并讨论了水蒸气份额对凝结换热的影响.Rao等[3]对竖直管内含高份额不凝结气体的混合气体的凝结换热进行了理论研究,得到了新的理论模型.Kim和No[4]对竖直管内高压纯蒸汽的紊流凝结换热进行了实验研究,总结出凝结管的凝结换热和蒸汽压降的关联式.李慧君等[5]利用多孔介质理论建模,对燃气锅炉的烟气凝结换热过程进行了数值计算,为设计高效换热器提供了参考.

增压富氧燃煤锅炉燃烧产生的烟气在6～8 MPa压力下的凝结换热不同于一般的单相对流换热,也不同于含有少量不凝结气体的蒸汽凝结换热,是含有少量可凝结气体的混合气体在高压下的凝结换热.本文针对增压富氧燃煤锅炉燃烧产物的热量回收问题,利用修正的膜模型和Nusselt凝结理论对这类凝结换热进行了研究、计算和分析.

1 数学和物理模型

增压富氧燃烧产物压力为6～8 MPa,其主要成分是CO2和水蒸气,但水蒸气的含量较少,其换热问题属于含少量可凝结气体的混合气体的凝结换热问题.

理论模型见图1,混合气体以速度Ue进入竖直圆管,被管外逆流流动的冷却水冷却.由于冷却水温度远低于管内混合气体的露点温度,致使混合气体中的水蒸气在管内壁上凝结成厚度为δ的凝结液薄膜.为简化模型,引入以下假设[6]:

(1)流型维持环状流,混合气体在管中心区域流动,液膜表面无波动;

(2)混合气体中不凝结气体占主导地位,凝结液量很小,形成的液膜很薄,蒸汽的凝结基本不影响主流的流动;

(3)凝结液在重力和气液界面处剪切力作用下向下流动,但壁面处速度为零;

(4)混合气体的单相换热不可忽略;

(5)壁面温度保持恒定.

图1 物理模型Fig.1 Physical model

1.1 凝结液膜的动量方程

根据Nusselt假设,凝结液膜的动量方程为[6]:

根据流体在壁面处无滑移的条件,并考虑汽、液界面处速度梯度的影响,得到如下边界条件:

式中:τi为相界面处的剪切力;ρv、ρl分别为混合气和凝结液的密度,kg/m3;μl为凝结液的动力黏度,Pa·s;δ为凝结液膜的厚度.

式中:Ue为混合气体的主流速度,m/s;f为截面摩擦因数,f=0.079Re-1/4.

由于蒸汽在混合气体中的体积分数较低,摩擦因数不受凝结过程的影响.

对式(1)积分,并代入其边界条件得:

环状流的凝结液流量Γ为:

1.2 凝结液膜的能量方程

边界条件:

式中:Ti为相界面处的温度,℃;Tw为壁面温度,℃.

Ti由文献[7]可知:

式中:Tsat为可凝结气体对应的饱和温度,℃.

对式(6)积分,并代入其边界条件得:

1.3 凝结液膜的质量和能量平衡方程

式中:m″为凝结速率,kg/(m2·s);kl为液膜的导热系数,W/(m·K);hv、hl分别为混合气体和凝结液在对应压力和温度下的焓值,J/kg;d为管子内径,m.

式(10)两边都除以Δx可得:

综合式(9)和式(11),整理得:

1.4 相界面处的能量方程

式中:q为换热流率,W/m2;hfg为水的汽化潜热,J/kg.

2 计算实例及分析

以增压富氧煤燃烧产生的烟气为例,系统压力维持在6 MPa,烟气中CO2和水蒸气的体积分数之和为97%左右,其余为N 2和O2等其他气体.

2.1 不同壁面温度下混合气体的凝结换热

当烟气中水蒸气的体积分数 φ(H2O)为16.73%时,混合气体的露点温度为180.5℃,混合气体的入口温度保持在222℃.保持混合气体的组分和系统压力不变,改变壁面温度,在Re=3 000时,计算不同壁面温度下烟气的凝结换热,计算结果见图2～图4.

由图2～图4可以看出,当壁面温度由28℃升高到38℃时,混合气体的凝结速率逐渐降低,各个截面的凝结速率约降低4%;凝结速率降低使得换热速率也下降约4%;液膜厚度也逐渐减小,各个截面的液膜厚度约减小2.5%.壁面温度的变化使得液膜温度和质量传递的驱动力改变,从而影响水蒸气的凝结和换热.

图2 Re=3 000时,不同壁温下的凝结速率Fig.2 Condensation rates at different wall temperatures when Re=3 000

图3 Re=3 000时,不同壁温下的换热流率Fig.3 Heat fluxs at different wall temperatures when Re=3 000

图4 Re=3 000时,不同壁温下的液膜厚度Fig.4 Film thicknesses at different wall temperatures when Re=3 000

2.2 不同Re下混合气体的凝结换热

保持混合气体中φ(H2O)和系统压力不变,壁面温度Tw=33℃时,计算不同Re下烟气的凝结换热,计算结果见图5～图7.

由图5和图6可以看出,当壁面温度维持在33℃不变时,随着Re的增大,混合气体的凝结速率和换热速率增大,当Re由3 000增大到5 000时,混合气体在各个截面的凝结速率增大10%～15%,换热速率也增大10%～15%.但是沿着流动方向凝结速率和换热速率增大的幅度逐渐变小,这是由于沿流动方向凝结液膜不断增厚,使得气液界面处混合气体中φ(H2O)有所上升,从而降低了质量传递驱动势,使凝结换热所占的比例下降.

图5 T w=33℃时,不同Re下的凝结速率Fig.5 Condensation rates at different Reynolds numbers when T w=33℃

图6 T w=33℃时,不同Re下的换热流率Fig.6 Heat fluxesat different Reynolds numbers when T w=33℃

由图7可以看出,随着Re的增大,凝结液膜的厚度逐渐减小,当Re由3 000增大到5 000时,凝结液膜的厚度减小8%～13%.这是由于随着Re的增大,混合气体的流速增大,相界面处的剪切力增大,削薄了液膜,使得凝结液膜的厚度减小.Re越大,流速越高,剪切力越强,液膜削薄的幅度越大.

图7 T w=33℃时,不同Re下的液膜厚度Fig.7 Film thickness at different Reynolds numbers when T w=33°C

2.3 不同φ(H 2O)下混合气体的凝结换热

维持系统压力不变,在Re=4 000和壁面温度Tw=33℃时,当混合气体中 φ(H2O)变化时,凝结速率、换热流率和液膜厚度的计算结果见图8～10.

图8 Re=4 000,T w=33℃时,不同φ(H2O)下的凝结速率Fig.8 Condensation rate at different water vapor concentrations when Re=4 000,T w=33℃

图9 Re=4 000,T w=33℃时,不同φ(H2O)下的换热流率Fig.9 Heat flux at different water vapor concentrationswhen Re=4 000,T w=33℃

图10 Re=4 000,T w=33℃时,不同φ(H 2O)下的液膜厚度Fig.10 Film thicknesses at different water vapor fractions when Re=4 000,T w=33℃

由图8和图9可以看出,在混合气体的Re和壁面温度维持不变时,随着混合气体中 φ(H2O)的降低,凝结速率和换热流率都减小,当混合气体中φ(H2O)由16.73%减小到13.26%时,各个截面的凝结速率降低约7%,使换热速率也下降约6.5%.混合气体中φ(H2O)是凝结过程的驱动力,φ(H2O)减小,凝结过程的驱动力就减小,从而使凝结速率和换热流率都减小.

由图10可以看出,随着混合气体中φ(H2O)的降低,凝结液膜的厚度变化不明显,当混合气体中φ(H2O)由16.73%减小到13.26%时,凝结液膜厚度约减小0.7%.

3 结 论

(1)当冷却水的壁面温度升高时,混合气体的凝结速率、换热流率和凝结液膜厚度都减小.

(2)当混合气体的Re增大时,混合气体的凝结速率、换热流率都增大,但由于相界面处的剪切力作用,凝结液膜厚度减小.

(3)当混合气体中水蒸气体积分数减小时,其凝结速率、换热流率都减小,但凝结液膜的厚度变化不明显.

[1] JIA Li,PENG Xiaofeng.Heat transfer in flue gas with vapor condensation[J].Tsinghua Science and Technology,2002,7(2):177-182.

[2] JIA L,PENG X F,YAN Y.Effects of water vapor condensation on the convention heat transfer of wet flue gas in a vertical tube[J].Int J Heat and Mass Transfer,2001,44(22):4275-4265.

[3] RAO V D,KRISHNA V M,SHARMA K V,et al.Convective condensation of vapor in the presence of non-condensable gas of high concentration in laminar flow in a vertical pipe[J].Int J Heat and Mass Transfer,2008,51(25/26):6090-6101.

[4] KIM S J,NO H C.Turbulent film condensation of high pressure steam in a vertical tube[J].Int J Heat transfer,2000,43(21):4031-4042.

[5] MILLS A F.Bsaic heat and mass transfer[M].2nd ed.Upper Saddler River:N.J.Prentice,1999.

[6] 李慧君,张明智,周兰欣.燃气锅炉的烟气凝结换热[J].动力工程,2007,27(5):697-701. LI Huijun,ZHANG Mingzhi, ZHOU Lanxin.Condensation heat transfer of flue gas in gas-fired boilers[J].Journal of Power Engineering,2007,27(5):697-701.

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