真空热水锅炉换热管的传热分析与设计计算

张秀珍 杭州富尔顿热能设备有限公司

沈国彬 宁波市特种设备检验研究院

黄伟建 常州锅炉有限公司

真空热水锅炉换热管的传热分析与设计计算

张秀珍 杭州富尔顿热能设备有限公司

沈国彬 宁波市特种设备检验研究院

黄伟建 常州锅炉有限公司

对于真空热水锅炉的换热管内水而言，需经历三个阶段来获得热量：1）管外侧水蒸汽与换热管外壁的凝结换热；2）换热管外壁与内壁导热；3）换热管内壁管内水的对流换热。在真空热水锅炉的设计中，第一阶段和第三阶段的传热系数计算经常凭经验进行估算，难以较好地控制材料用量与成本。本文主要研究了真空热水锅炉的换热管内水与管外侧水蒸汽换热过程进行分析计算，并计算分析了管径和管内水流速度对紫铜管和SUS304钢管总换热效果影响，可较好地指导真空热水锅炉的换热管设计。

1 换热管传热分析与计算

真空热水锅炉的换热过程主要由燃料燃烧－中间介质（水）沸腾汽化－中间介质（水）冷凝－换热管内水加热四个环节。

换热管外水蒸汽与管内的水通过凝结换热、导热和对流换热完成管内水的加热。真空热水锅炉在稳定工况时，此传热过程中，可假定以下条件成立：

1）热媒水汽化成水蒸汽脱离液面时，水蒸汽的温度恒定；

2）换热管管外水蒸汽冷凝形成液膜，液膜与换热管外壁温度恒定。

进行设计计算时，换热管选材确定后，其导热系数通过设计手册即可查得。关键是凝结换热和对流换热过程的传热系数的计算。下面对换热管凝结换热和对流换热过程进行分析与计算。

1.1 换热管外壁与水蒸汽的凝结换热

在换热管外侧，ts℃的水蒸汽在换热管的外壁形成液膜，进行凝结换热，液膜与换热管外壁边界温度为 tw℃，通过式（1）先求得液膜平均温度为tpn℃。

根据液膜平均温度tpn，查询饱和水的热物理性质表，得到液膜平均温度下的饱和水的密度ρf、水蒸汽的汽化潜热r、动力粘度ηf、导热系数等参数。如果液膜中水为层流，将努塞尔理论分析推广到水平圆管表面上的层流膜状凝结，得出圆管水平放置时的冷凝给热速率。其计算公式：

如果是湍流，则可运用冷凝准数方程变形后，即可求解冷凝给热速率，计算式为：

液膜中水的层、紊流判据为雷诺数Ren，采用下式计算：

对于式（4），由于液膜中水的流型判断中，首先需要计算冷凝给热速率hn，液膜中水在层流和湍流下，hn计算式不同。因此，计算思路为：先假设液膜中水的流型，选定对应流态下的冷凝给热速率计算公式，通过此冷凝给热速率，再来验证前面的假设是否正确，如果验证的水流态跟假设相符，则计算结束；否则，需重新假设水的流态，重新选择正确公式计算hn，最后再验证正确水的流态跟假设相符，直到验证与假设相符。

1.2 换热管内壁与水的对流换热

对于换热管内水而言，外部有热水循环泵，是一个强制循环系统。对于强制循环，管内可能是层流也可能是湍流，这个要经过计算才能确定。

在换热管内壁与水的对流换热，首先要计算管内水的平均温度tpf：

根据温度tpf，查询饱和水的热物理性质表，得到换热管内平均温度下的饱和水的密度、动力粘度f、导热系数、定压比热容、运动粘度、普朗特准数Prf等参数。

对圆管内水流的流型采用下式计算雷诺数：

如果Ref＞10000，则换热管中水为湍流，如果2300＜Ref＜10000管内水流为过度流，Ref＜2300，为层流。

1）层流时换热管中对流给热系数计算

对于管内层流下强制对流给热，采用式（7）求解对流给热系数。式中，管长l与当量直径d当之比取值不同时，长度修正系数k＇取值见表1。

表1 长度修正系数k＇取值范围

2）过度流时换热管中对流传热系数计算

过渡流很不稳定，同一雷诺数下可以因外界扰动条件不同而流态各异，因而难以准确计算，推荐使用实验式（8）进行计算。

3）湍流时换热管中对流传热系数计算[3]

管内湍流强制对流换热，目前可以采用以下四类实验关联式进行求解。工程设计上，一般取四种计算中对流给热系数小的值，作为设计参考值。

（1）迪图斯-贝尔特公式

当换热管内壁校核温度与管内水平均温差少于20℃，上式适用。校核时采用牛顿冷却公式，校核对数平均温差，如式(10)所示（下述关联式校核相同)。

式中，Q为换热管中水每秒吸收的热量，采用式（11）计算。

（2）齐德-泰特公式

（3）米海耶夫公式

（4）格林斯基公式

1.3 换热管总换热面积

换热管内水与管外蒸汽进行换热时，真空热水锅炉运行一定时间后，内壁可能会结垢，因此，在设计时，还需考虑内壁结垢问题。结垢后，总的换热系数按下式计算：

根据总的换热系数K，计算出整个换热管换热面积F：

2 计算实例与结果分析

以设计2.8MW真空热水锅炉为例进行换热管传热计算与设计，已知的设计参数见表2，换热管分别选用紫铜管（导热系数取398W/m·K）和SUS304钢管（导热系数取16W/m·K)。在不考虑换热管内结水垢的前提下，来研究分析换热管不同管径、管内不同水流速度对管外蒸汽与管内水的传热系数影响。

表2 真空热水锅炉设计参数

在此设计参数条件下，通过查询饱和水的热物理性质表，分别得到换热管水侧、蒸汽侧饱和水的相关热物性参数见表3。其中，管内饱和水的平均温度为55℃，此温度下和内壁温度60℃下的普朗特数分别为3.26和2.98。饱和水在90℃的汽化潜热为2282700J/ kg。

表3 饱和水的相关计算用热物性参数

2.1 换热管管径变化对传热系数的影响

换热管内水流速度为1.6m/s，取5组不同管径（14/16/18/20/22 mm)，采用第1节的方法，计算真空热水锅炉换热管的蒸汽与管内水的总传热系数，

换热面积以及换热管数量见表4。水侧和蒸汽侧的传热系数、总传热系数随管径的变化如图1所示。

表4 换热管内径变化对传热系数影响

图1 传热系数随紫铜管管径改变的变化趋势

分析表4中数据以及图1，可知：1）相同条件下，SUS304钢管的总传热系数约为紫铜管的75%左右；2）随着换热管管径的增加，紫铜管和SUS304钢管的总传热系数、水侧传热系数以及蒸汽侧传热系数都减小；达到相同的换热效果，换热管的总换热面积增加，换热器中所需布置的换热管数量有所减少；3）当管径由14mm增加到22mm时，紫铜管的总换热系数下降了516W/m2·K，换热性能下降约9.21%，而SUS304钢管的总换热系数下降了296 W/m2·K，性能下降约7.06%，管径增加对紫铜管换热效果的下降更明显。

2.2 换热管水流速度变化对传热系数的影响

换热管管径为1 6 m m，取5组不同流速（1.3/1.6/1.9/2.2/2.5m/s)，采用第1节的方法，计算真空热水锅炉换热管的蒸汽与管中水的总传热系数，其中，蒸汽侧的传热系数保持恒定不变（16490 W/m2·K），换热面积以及换热管布置数量如表5所示。水侧和总传热系数随管径的变化如图2所示。

表5 换热管内水流速变化对传热系数影响

图2 传热系数随紫铜管中水流速改变的变化趋势

分析表5中数据以及图2，可知：1）相同条件下，SUS304钢管的总传热系数约为紫铜管的71%－79%；2）随着管内水的流速增加，紫铜管和SUS304钢管的总传热系数以及水侧传热系数都增加；达到相同的换热效果，换热管的总换热面积以及换热器中所需布置的换热管数量都减少；3）当流速由1.3m/s增加到2.5m/s时，紫铜管的总换热系数增加了1913W/ m2·K，换热性能提升约39.28%，而SUS304钢管的总换热系数只增加了952W/m2·K，性能提升了约24.61%，流速增加对紫铜管换热效果的提升更明显。

3 结论

1）分析了真空热水锅炉换热管的管外蒸汽与管内水的冷凝换热、传导传热和对流传热，介绍了在不同流动形态下，冷凝换热和管内对流换热过程的传热系数计算方法和相关关联式；

2）研究分析了管径对SUS304钢管和紫铜管传热效果的影响，得知：SUS304钢管的总传热系数约为紫铜管的75%左右；总传热系数随着管径增加而减少，且管径增加对紫铜管换热效果的下降更明显；

3）研究分析了流速对SUS304钢管和紫铜管传热效果的影响，得知：SUS304钢管的总传热系数约为紫铜管的71%－79%；总传热系数随着流速增加而增加，且流速增加对紫铜管换热效果的提升更为明显。

1 张雪岩,祁红卫,李月梅等. 14MW冷凝式真空锅炉的研制开发.工业锅炉, 2013,137(1):17～21

2 赵明海,张斌,陈涛.液管式燃气真空锅炉的主要特点和应用.工业锅炉, 2013,138(2):46～48

3 沈巧珍,杜建明.冶金传输原理.北京:冶金工业出版社,2006

2013－12－18）