張秀珍 杭州富爾頓熱能設備有限公司

沈國彬 寧波市特種設備檢驗研究院

黃偉建 常州鍋爐有限公司

真空熱水鍋爐換熱管的傳熱分析與設計計算

張秀珍 杭州富爾頓熱能設備有限公司

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對于真空熱水鍋爐的換熱管內水而言，需經歷三個階段來獲得熱量：1）管外側水蒸汽與換熱管外壁的凝結換熱；2）換熱管外壁與內壁導熱；3）換熱管內壁管內水的對流換熱。在真空熱水鍋爐的設計中，第一階段和第三階段的傳熱系數(shù)計算經常憑經驗進行估算，難以較好地控制材料用量與成本。本文主要研究了真空熱水鍋爐的換熱管內水與管外側水蒸汽換熱過程進行分析計算，并計算分析了管徑和管內水流速度對紫銅管和SUS304鋼管總換熱效果影響，可較好地指導真空熱水鍋爐的換熱管設計。

1 換熱管傳熱分析與計算

真空熱水鍋爐的換熱過程主要由燃料燃燒－中間介質（水）沸騰汽化－中間介質（水）冷凝－換熱管內水加熱四個環(huán)節(jié)。

換熱管外水蒸汽與管內的水通過凝結換熱、導熱和對流換熱完成管內水的加熱。真空熱水鍋爐在穩(wěn)定工況時，此傳熱過程中，可假定以下條件成立：

1）熱媒水汽化成水蒸汽脫離液面時，水蒸汽的溫度恒定；

2）換熱管管外水蒸汽冷凝形成液膜，液膜與換熱管外壁溫度恒定。

進行設計計算時，換熱管選材確定后，其導熱系數(shù)通過設計手冊即可查得。關鍵是凝結換熱和對流換熱過程的傳熱系數(shù)的計算。下面對換熱管凝結換熱和對流換熱過程進行分析與計算。

1.1 換熱管外壁與水蒸汽的凝結換熱

在換熱管外側，ts℃的水蒸汽在換熱管的外壁形成液膜，進行凝結換熱，液膜與換熱管外壁邊界溫度為 tw℃，通過式（1）先求得液膜平均溫度為tpn℃。

根據(jù)液膜平均溫度tpn，查詢飽和水的熱物理性質表，得到液膜平均溫度下的飽和水的密度ρf、水蒸汽的汽化潛熱r、動力粘度ηf、導熱系數(shù)等參數(shù)。如果液膜中水為層流，將努塞爾理論分析推廣到水平圓管表面上的層流膜狀凝結，得出圓管水平放置時的冷凝給熱速率。其計算公式：

如果是湍流，則可運用冷凝準數(shù)方程變形后，即可求解冷凝給熱速率，計算式為：

液膜中水的層、紊流判據(jù)為雷諾數(shù)Ren，采用下式計算：

對于式（4），由于液膜中水的流型判斷中，首先需要計算冷凝給熱速率hn，液膜中水在層流和湍流下，hn計算式不同。因此，計算思路為：先假設液膜中水的流型，選定對應流態(tài)下的冷凝給熱速率計算公式，通過此冷凝給熱速率，再來驗證前面的假設是否正確，如果驗證的水流態(tài)跟假設相符，則計算結束；否則，需重新假設水的流態(tài)，重新選擇正確公式計算hn，最后再驗證正確水的流態(tài)跟假設相符，直到驗證與假設相符。

1.2 換熱管內壁與水的對流換熱

對于換熱管內水而言，外部有熱水循環(huán)泵，是一個強制循環(huán)系統(tǒng)。對于強制循環(huán)，管內可能是層流也可能是湍流，這個要經過計算才能確定。

在換熱管內壁與水的對流換熱，首先要計算管內水的平均溫度tpf：

根據(jù)溫度tpf，查詢飽和水的熱物理性質表，得到換熱管內平均溫度下的飽和水的密度、動力粘度f、導熱系數(shù)、定壓比熱容、運動粘度、普朗特準數(shù)Prf等參數(shù)。

對圓管內水流的流型采用下式計算雷諾數(shù)：

如果Ref＞10000，則換熱管中水為湍流，如果2300＜Ref＜10000管內水流為過度流，Ref＜2300，為層流。

1）層流時換熱管中對流給熱系數(shù)計算

對于管內層流下強制對流給熱，采用式（7）求解對流給熱系數(shù)。式中，管長l與當量直徑d當之比取值不同時，長度修正系數(shù)k＇取值見表1。

表1 長度修正系數(shù)k＇取值范圍

2）過度流時換熱管中對流傳熱系數(shù)計算

過渡流很不穩(wěn)定，同一雷諾數(shù)下可以因外界擾動條件不同而流態(tài)各異，因而難以準確計算，推薦使用實驗式（8）進行計算。

3）湍流時換熱管中對流傳熱系數(shù)計算[3]

管內湍流強制對流換熱，目前可以采用以下四類實驗關聯(lián)式進行求解。工程設計上，一般取四種計算中對流給熱系數(shù)小的值，作為設計參考值。

（1）迪圖斯-貝爾特公式

當換熱管內壁校核溫度與管內水平均溫差少于20℃，上式適用。校核時采用牛頓冷卻公式，校核對數(shù)平均溫差，如式(10)所示（下述關聯(lián)式校核相同)。

式中，Q為換熱管中水每秒吸收的熱量，采用式（11）計算。

（2）齊德-泰特公式

（3）米海耶夫公式

（4）格林斯基公式

1.3 換熱管總換熱面積

換熱管內水與管外蒸汽進行換熱時，真空熱水鍋爐運行一定時間后，內壁可能會結垢，因此，在設計時，還需考慮內壁結垢問題。結垢后，總的換熱系數(shù)按下式計算：

根據(jù)總的換熱系數(shù)K，計算出整個換熱管換熱面積F：

2 計算實例與結果分析

以設計2.8MW真空熱水鍋爐為例進行換熱管傳熱計算與設計，已知的設計參數(shù)見表2，換熱管分別選用紫銅管（導熱系數(shù)取398W/m·K）和SUS304鋼管（導熱系數(shù)取16W/m·K)。在不考慮換熱管內結水垢的前提下，來研究分析換熱管不同管徑、管內不同水流速度對管外蒸汽與管內水的傳熱系數(shù)影響。

表2 真空熱水鍋爐設計參數(shù)

在此設計參數(shù)條件下，通過查詢飽和水的熱物理性質表，分別得到換熱管水側、蒸汽側飽和水的相關熱物性參數(shù)見表3。其中，管內飽和水的平均溫度為55℃，此溫度下和內壁溫度60℃下的普朗特數(shù)分別為3.26和2.98。飽和水在90℃的汽化潛熱為2282700J/ kg。

表3 飽和水的相關計算用熱物性參數(shù)

2.1 換熱管管徑變化對傳熱系數(shù)的影響

換熱管內水流速度為1.6m/s，取5組不同管徑（14/16/18/20/22 mm)，采用第1節(jié)的方法，計算真空熱水鍋爐換熱管的蒸汽與管內水的總傳熱系數(shù)，

換熱面積以及換熱管數(shù)量見表4。水側和蒸汽側的傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)隨管徑的變化如圖1所示。

表4 換熱管內徑變化對傳熱系數(shù)影響

圖1 傳熱系數(shù)隨紫銅管管徑改變的變化趨勢

分析表4中數(shù)據(jù)以及圖1，可知：1）相同條件下，SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)約為紫銅管的75%左右；2）隨著換熱管管徑的增加，紫銅管和SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)、水側傳熱系數(shù)以及蒸汽側傳熱系數(shù)都減??；達到相同的換熱效果，換熱管的總換熱面積增加，換熱器中所需布置的換熱管數(shù)量有所減少；3）當管徑由14mm增加到22mm時，紫銅管的總換熱系數(shù)下降了516W/m2·K，換熱性能下降約9.21%，而SUS304鋼管的總換熱系數(shù)下降了296 W/m2·K，性能下降約7.06%，管徑增加對紫銅管換熱效果的下降更明顯。

2.2 換熱管水流速度變化對傳熱系數(shù)的影響

換熱管管徑為1 6 m m，取5組不同流速（1.3/1.6/1.9/2.2/2.5m/s)，采用第1節(jié)的方法，計算真空熱水鍋爐換熱管的蒸汽與管中水的總傳熱系數(shù)，其中，蒸汽側的傳熱系數(shù)保持恒定不變（16490 W/m2·K），換熱面積以及換熱管布置數(shù)量如表5所示。水側和總傳熱系數(shù)隨管徑的變化如圖2所示。

表5 換熱管內水流速變化對傳熱系數(shù)影響

圖2 傳熱系數(shù)隨紫銅管中水流速改變的變化趨勢

分析表5中數(shù)據(jù)以及圖2，可知：1）相同條件下，SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)約為紫銅管的71%－79%；2）隨著管內水的流速增加，紫銅管和SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)以及水側傳熱系數(shù)都增加；達到相同的換熱效果，換熱管的總換熱面積以及換熱器中所需布置的換熱管數(shù)量都減少；3）當流速由1.3m/s增加到2.5m/s時，紫銅管的總換熱系數(shù)增加了1913W/ m2·K，換熱性能提升約39.28%，而SUS304鋼管的總換熱系數(shù)只增加了952W/m2·K，性能提升了約24.61%，流速增加對紫銅管換熱效果的提升更明顯。

3 結論

1）分析了真空熱水鍋爐換熱管的管外蒸汽與管內水的冷凝換熱、傳導傳熱和對流傳熱，介紹了在不同流動形態(tài)下，冷凝換熱和管內對流換熱過程的傳熱系數(shù)計算方法和相關關聯(lián)式；

2）研究分析了管徑對SUS304鋼管和紫銅管傳熱效果的影響，得知：SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)約為紫銅管的75%左右；總傳熱系數(shù)隨著管徑增加而減少，且管徑增加對紫銅管換熱效果的下降更明顯；

3）研究分析了流速對SUS304鋼管和紫銅管傳熱效果的影響，得知：SUS304鋼管的總傳熱系數(shù)約為紫銅管的71%－79%；總傳熱系數(shù)隨著流速增加而增加，且流速增加對紫銅管換熱效果的提升更為明顯。

1 張雪巖,祁紅衛(wèi),李月梅等. 14MW冷凝式真空鍋爐的研制開發(fā).工業(yè)鍋爐, 2013,137(1):17～21

2 趙明海,張斌,陳濤.液管式燃氣真空鍋爐的主要特點和應用.工業(yè)鍋爐, 2013,138(2):46～48

3 沈巧珍,杜建明.冶金傳輸原理.北京:冶金工業(yè)出版社,2006

2013－12－18）