沉浸式蛇管烟气-水换热器设计方法研究及实验验证

同济大学 黄思怡 冯 良 伊帅帅

沉浸式蛇管烟气-水换热器设计方法研究及实验验证

同济大学 黄思怡 冯 良 伊帅帅

传统蛇管式烟气—水换热器管的设计方法较粗糙，设计结果常无法满足工艺要求。文章分析烟气流动与换热特性，建立了设计计算模型，并进行实验验证，结果表明，该计算方法能够满足工业设计计算的要求。

沉浸式蛇管换热器 烟气-水换热 设计计算

沉浸式蛇管烟气—水换热器(烟气在管内流动，管外为被加热水)，广泛运用于石油化工、供热等工业生产领域，其结构简单，制造方便，但由于烟气温度及物性参数在换热过程中变化较大，换热过程相对复杂，设计手册中无准确经验数据可查，需要通过换热经验公式计算，一般作为直管近似处理。而实际应用中存在不同管径管段组合的情况，弯头部分流体流动与传热具有复杂性和不确定性。因此，传统方法设计结果常无法满足工艺要求，导致了资源能源的浪费。本文对换热过程进行深入研究，在已有设计方法的基础上,提出了一种满足工业计算精度要求的设计方法，并进行了实验验证。

1 数学模型

1.1 基本传热公式

(1)传热基本方程式：

式中：K——总换热系数，W/(m²·℃)；

A——总换热面积，m²；

Δtm——平均换热温差，℃。

(2)平均温差计算：管外水侧传热系数相对于管内烟气侧传热系数和管壁导热系数大很多，管外侧壁温接近于水侧温度，采用常壁温时的换热温差计算公式：

式中：t1——烟气入口温度，℃；

t2——烟气出口温度，℃；

tw——换热管壁温度，℃。

(3)换热量计算：

式中：m——烟气的质量流量，kg/s；

Cp——烟气比热容，kJ/(kg·℃)。

(4)总传热系数计算：

式中：K——总换热系数，W/(m²·℃)；

d——换热管直径，下标i代表内径，o代表外径，m；

h——对流换热系数，下标i代表管内侧，o代表管外侧，W/(m²·℃)；

λw——管壁导热系数，W/(m·℃)。

气—水换热时，管外水侧ho远大于管壁导热系数和管内气体侧hi，即K=ho。

(5)管内烟气换热系数计算：

式中：Nuf——努塞尔数；

Ref——雷诺数，uf·d/νf；

d——换热管直径，m；

uf——烟气流速，m/s；

νf——烟气运动粘度，m/s2；

Prf——普朗特数，Cp·μf/λf；

Cp——烟气比热容，kJ/(kg·℃)；

μf——烟气动力粘度，Pa·s；

λf——烟气导热系数，W/(m·℃)。

流体在弯管内流动，由于受到离心力的作用，产生了二次环流，强化换热。工程上一般算出平均Nu后再乘以一个修正系数Cr：

式中：d——弯管直径，m；

R——弯管曲率半径，m。

1.2 物性计算

换热器的设计计算离不开物性参数，物性参数值与烟气成分及温度密切相关。对于温度变化的流体，工程上取其平均温度tf作为定性温度进行计算：

(1)比热容：

各组分的质量成分可由摩尔成分计算而得：

式中：ri——各组分的摩尔分数，kmol/kmol；

Mi——各组分的分子量，kg/kmol；

M——烟气的平均分子量，kg/kmol。

(2)烟气密度：

式中：ρ——烟气密度，kg/m³；

P——烟气压力，Pa；

T——烟气温度，K；

RM——通用气体常数。

RM=8.314 J/(mol·K)。

(3)粘度：

(4)导热系数：

式中：λf——实际烟气导热系数，W/(m·℃)；

Mλ——修正系数；

λi——标准烟气的导热系数，W/(m·℃)。

标准烟气的导热系数见表1。

表1 大气压(p=1.01325×105 Pa)下标准烟气的导热系数(烟气成分：rco2=0.13；rH2O=0.11；rN2=0.76)

实际烟气导热系数主要取决于水蒸气含量，天然气燃烧烟气中，水蒸气含量一般范围为17%～19%，修正系数 Mλ可通过公式，利用线性内插法计算：

1.3 烟气量计算

(1)理论烟气量：过剩空气系数α=1时，烟气各组分理论体积为：

CmHn， N2，CO2，O2，H2O ——燃气中各烷烃和空气中 N2、CO2、O2和水蒸气理论体积，m³/(100 m³燃气)；

d——气体含湿量,下标 g代表燃气，a代表空气，kg/kg。

(2)实际烟气量：

式中：Vf——实际烟气体积，m³/(m³燃气)；

V0——理论空气体积，m³/(m³燃气)；

α——过剩空气系数。

过剩空气系数α通过分析实际烟气组分计算：

式中：O2，、CO2，——实际烟气中O2、CO2体积，m³/(100 m³烟气)。

2 算法设计

2.1 设计步骤

(1)输入原始数据(烟气组分、t1、t2、已知管段的di、Li和Ai、弯头曲率和个数)；

(2)计算烟气物性参数、换热量Q、平均换热温差△tm；

(3)计算已知管段换热系数Ki，设为总换热系数初值Ks，计算总传热面积初值As；

(4)根据各管段 Ki和所占面积比例，计算总换热系数K，再重新计算总传热面积A；

(5)比较前后计算的总换热面积，若不相等，则将总传热面积A的值赋给初始值As，返回第(4)步，迭代计算，直至相等；

(6)计算待求主体管段面积 An，管径 dn通过推荐管内流速u(一般为10～30 m/s)计算而得,进而计算长度Ln。

2.2 程序框图

设计计算方法程序框图见图1。

图1 设计计算方法程序

3 实验验证

3.1 烟气换热实验

加热浸管包括燃烧室、烟管和尾箱等部分(见图2)。

图2 液槽加热器结构布置

由于燃烧室浸没在液体中，所以也参与了热量交换，属于加热浸管的一部分。烟管是整个液槽加热系统中最主要的热交换场所。考虑到烟气在烟管中受迫流动，流速较快，容易产生噪声和振动，因此烟管后部增设一个尾箱。一方面起消声减震作用，另一方面延长烟气的停留时间、增加传热面积、提高热量利用率。液槽加热器结构尺寸见表2。

表2 液槽加热器结构尺寸

3.2 结果对比

改变燃烧器功率大小，探究不同出口流速与温度下烟气管与水的换热情况，对比设计方法计算得到的长度与实际长度，结果见表3。

表3 烟气—水换热器设计与实际结果对比

5 结语

(1)文中介绍了沉浸式蛇管烟气-水换热器的热力设计方法，该方法考虑了不同管径的管段组合的情况，以及弯头部分流体流动与传热的特殊性，可用于沉浸式蛇管换热器的设计计算；

(2)对一台实际应用的沉浸式蛇管液槽加热器进行了实验测试，将实验结果与计算结果进行了对比；

(3)针对文中所对比的换热器，本文所介绍的热力计算方法准确度能够满足工业设计计算要求，目前可以作为工业设计的初步设计方法，计算结果可为结构设计和工艺设计的进一步调整提供参考和依据。

Calculation Method for Immersed Flue Gas-to-Water Coil Heat Exchanger Design and Experimental Verification

Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering
Huang Siyi Feng Liang Yi Shuaishuai

The traditional design method of immersed flue gas-to-water coil heat exchanger is rough, which can’t meet the technical requirements. In this paper, the characteristics of flue gas flow and heat transfer are analyzed, a calculation model for exchanger design is established, and experimental verification is also carried out.Results show that this calculation method can meet the requirements of industrial design.

immersed coil heat exchanger, flue gas-to-water heat transfer, design calculation