同濟大學(xué) 馮 良 黃思怡 伊帥帥

0 前言

燃?xì)饨軗Q熱器以直管或彎管組成換熱面，管內(nèi)煙氣通過換熱面與管外水箱中的水換熱，其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，廣泛運用于石油化工、供熱等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

浸管換熱器換熱設(shè)計需要確認(rèn)浸管的結(jié)構(gòu)、直徑和長度，將其布置在一定容積的水箱中。按傳統(tǒng)經(jīng)驗方法估算所得的浸管往往過長或過短，浸管過短會導(dǎo)致排放煙氣溫度過高，換熱器效率低，過長則造成材料的浪費。而通過理論換熱公式計算則過程十分繁瑣，故需要提出一種新的經(jīng)驗設(shè)計方法。

本文利用傳熱學(xué)基本原理和公式，對煙氣—水換熱過程中，過剩空氣系數(shù)、不同進(jìn)口煙氣溫度、換熱管徑和燃燒功率條件下，單位長度換熱管內(nèi)煙氣的溫降情況進(jìn)行了研究，給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)表和計算公式，并進(jìn)行了實驗驗證。

1 浸管換熱器

本文所用的液槽加熱器屬于燃?xì)饨軗Q熱器的一種，一般由燃燒室和煙管組成，由于曾應(yīng)用于脈沖燃燒，容易產(chǎn)生噪聲和振動，故在煙管后部增設(shè)一個尾箱，起到消聲減震作用。

燃燒室、煙管和尾箱均浸沒在水箱中，燃?xì)夂涂諝庠谌紵抑腥紵?，產(chǎn)生的煙氣依次流經(jīng)燃燒室、煙管和尾箱，與外部水箱中的水換熱。

本文所用液槽加熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，各部分尺寸如表1所示。

圖1 液槽加熱器結(jié)構(gòu)

表1 液槽加熱器結(jié)構(gòu)尺寸

2 浸管換熱器設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)

本文提出的浸管換熱器經(jīng)驗設(shè)計方法，根據(jù)浸管進(jìn)、出口煙氣的溫差和煙氣在單位長度的浸管中的溫降，來計算所需浸管長度。其中，排煙溫度應(yīng)在煙氣露點以上，一般控制在150～200 ℃。而浸管進(jìn)口煙氣溫度和煙氣在單位長度的浸管中的溫降需要通過計算求得。

2.1 浸管進(jìn)口煙氣溫度

浸管進(jìn)口煙氣溫度為燃?xì)馊紵a(chǎn)生的煙氣的溫度，即燃?xì)鈱嶋H燃燒溫度，可由公式(1)計算：

式中：Q——燃燒功率，kW；

tact——實際燃燒溫度，℃；

μ——高溫系數(shù)；

V——體積流量，下標(biāo)r代表燃?xì)?，下?biāo)a代表空氣，下標(biāo)f代表煙氣，m3/s；

c——平均比熱容，下標(biāo)r代表燃?xì)?，下?biāo)a代表空氣，下標(biāo)f代表煙氣，kJ/(m3·℃)。

實際燃燒溫度與理論燃燒溫度之間關(guān)系，可用高溫系數(shù)μ來表示。人們總結(jié)多年實踐，對于有水冷壁鍋爐的爐膛，μ取值范圍為0.65～0.7，本文取0.65。

取三種典型天然氣計算其在不同過?？諝庀禂?shù)下的燃燒生成的煙氣溫度，結(jié)果如表2：

表2 典型天然氣在不同過剩空氣系數(shù)產(chǎn)生的煙氣溫度

由表2可知，當(dāng)過?？諝庀禂?shù)相同時，三種典型天然氣燃燒生成的煙氣溫度相近，在工程上，煙氣溫度可視作只與過?？諝庀禂?shù)相關(guān)。

2.2 換熱管單位長度溫降

2.2.1 計算方法

已知浸管長度l、管徑d和進(jìn)口煙氣溫度t1，通過試算法計算出口煙氣溫度t2，取浸管進(jìn)、出口煙氣平均溫度作為定性溫度來計算煙氣的各類物性參數(shù)：

試算步驟如下：

(1)假定出口溫度t2，一方面通過公式(2)由進(jìn)、出煙氣溫差和煙氣量m，來計算出煙氣熱能損失q1，另一方面通過換熱器總傳熱公式(3)計算煙氣向外散熱量q2：

式中：q1——煙氣熱能損失，kW；

m——煙氣的質(zhì)量流量，kg/s；

Cp——煙氣比熱容，kJ/(kg·℃)。

式中：q2——煙氣向外散熱量，kW；

K——總換熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；

A——總換熱面積，m2；

△tm——平均換熱溫差，℃。公式(3)中的煙氣量m由公式(4)和(5)計算，換熱面積A由公式(6)計算，換熱溫差△tm由公式(7)計算：

式中：Vf——實際煙氣體積，m3/m3燃?xì)猓?/p>

Vf0——理論空氣體積，m3/m3燃?xì)猓?/p>

α——過?？諝庀禂?shù)；

m——煙氣的質(zhì)量流量，kg/s；

ρ——煙氣密度，kg/m3；

d——換熱管直徑，m；

l——換熱管長度，m。

式中：t1——煙氣進(jìn)口溫度，℃；

t2——煙氣出口溫度，℃；tf——煙氣定性溫度，℃；

ts——液槽水溫，℃。(設(shè)定ts=25 ℃)

由于煙氣—水換熱過程的熱阻主要集中在煙氣側(cè)，水側(cè)換熱熱阻和管壁導(dǎo)熱熱阻相對煙氣側(cè)熱阻可忽略，故整體熱阻近似等于煙氣側(cè)的換熱熱阻，即整體換熱系數(shù)K近似等于管內(nèi)煙氣側(cè)的換熱系數(shù)hi，由公式(8)和(9)計算：

式中：Nuf——努塞爾數(shù)；

Ref——雷諾數(shù)，uf·d/νf；

uf——煙氣流速，m/s；

νf——煙氣運動粘度，m/s2；

Prf——普朗特數(shù)，Cp·μf/λf；

μf——煙氣動力粘度，Pa·s；

λf——煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

(2)比較煙氣熱能損失q1和散熱量q2的大小，不斷修正假定的出口溫度t2并再次計算，直至兩者大小相等，將此時的假定出口溫度作為理論計算求得的煙氣出口溫度，即可得煙氣在浸管中的溫降。

2.2.2 不同煙氣進(jìn)口溫度和過?？諝庀禂?shù)所對應(yīng)的1 m換熱管溫降

當(dāng)燃燒功率為60 kW，換熱管直徑為50 mm時，不同煙氣進(jìn)口溫度和過?？諝庀禂?shù)下，1 m換熱管的換熱溫降計算結(jié)果如表3所示：

表3 不同煙氣進(jìn)口溫度和過剩空氣系數(shù)下，1 m換熱管的換熱溫降

由表3分析可知，單位長度換熱管內(nèi)煙氣溫降與進(jìn)口煙氣溫度近似成一次函數(shù)關(guān)系，擬合數(shù)據(jù)得到計算公式(10)：

式中：Δt—煙氣在1 m換熱管的溫降，℃。

當(dāng)燃燒功率為60 kW，換熱管直徑為50 mm時，不同煙氣進(jìn)口溫度和過剩空氣系數(shù)下，1 m換熱管的換熱溫降，可通過查表3或由公式(10)計算得到。

2.2.3 不同燃燒功率與直徑對應(yīng)的1 m換熱管溫降

(1)在換熱管直徑為 50 mm，過?？諝庀禂?shù)為1.2條件下，不同燃燒功率和煙氣進(jìn)口溫度下，1 m換熱管的換熱溫降計算結(jié)果如圖2：

圖2 不同煙氣進(jìn)口溫度和燃燒功率，1 m換熱管換熱溫降

經(jīng)由圖2數(shù)據(jù)擬合，單位長度換熱管內(nèi)煙氣溫降與Q0.2成反比。

(2)在燃燒功率為60 kW，過?？諝庀禂?shù)為1.2條件下，不同換熱管直徑和煙氣進(jìn)口溫度下，1 m換熱管的換熱溫降計算結(jié)果如圖3：

圖3 不同煙氣進(jìn)口溫度和管徑，1 m換熱管的換熱溫降

經(jīng)由圖3數(shù)據(jù)擬合，單位長度換熱管內(nèi)煙氣溫降與d0.8成反比。

用燃燒功率為60 kW，換熱管直徑為50 mm工況下1 m換熱管的換熱溫降，乘以系數(shù)K1和K2來計算不同燃燒功率與直徑對應(yīng)的1 m換熱管溫降：

表4 常用煙氣管內(nèi)徑對應(yīng)K1取值

以上為換熱管為直管的情況，當(dāng)流體在彎管內(nèi)流動時，由于受到離心力的作用，產(chǎn)生了二次環(huán)流，強化換熱。工程上一般算出平均Nu后再乘以一個修正系數(shù)Cr：

式中：R——彎管曲率半徑，m。

綜上所述，可得到過不同進(jìn)口煙氣溫度、燃燒功率和管徑條件下1 m換熱管的溫降公式(14)：

3 實驗驗證

改變液槽加熱器燃燒器燃燒功率大小，測試不同過?？諝庀禂?shù)下煙氣管與水的換熱結(jié)果；同時，通過公式(14)分段計算煙氣溫降，累加得到煙氣管中煙氣整體溫降。

其中，t2為測得出口煙氣溫度：t2’為高溫系數(shù)取 0.65時，計算所得出口煙氣溫度；t2’為高溫系數(shù)取0.6時計算所得出口煙氣溫度，結(jié)果見表5所示：

表5 計算結(jié)果與實際結(jié)果對比

高溫系數(shù)參照水冷壁鍋爐取0.65時，計算出口煙氣溫度比測得結(jié)果更大，這是因為：在浸管換熱器中，燃燒室直徑小于鍋爐爐膛直徑，比表面積更大，向外散熱更多，實際燃燒溫度更低，生成的煙氣的溫度也更低。因此，計算燃燒室中燃燒實際溫度時，高溫系數(shù)的取值應(yīng)比0.65小。當(dāng)高溫系數(shù)取0.6時，計算結(jié)果與測得結(jié)果更接近，兩者偏差小于10%，滿足工程設(shè)計精度要求。

當(dāng)高溫系數(shù)取0.6時，隨著功率減小，計算煙氣出口溫度先小于測得煙氣出口溫度，后逐漸接近再超過測得煙氣出口溫度，這與以下因素有關(guān)：同一燃燒器，燃燒熱功率減小，燃?xì)饬髁亢退俣葴p小，燃燒速度減慢，容積熱強度(單位時間單位容積的燃料釋放的熱量)減小，而向外散熱條件變化不大，散熱量并未減少，實際燃燒溫度降低，產(chǎn)生的煙氣溫度降低，而本文不同燃燒功率下，取同一高溫系數(shù)，未考慮不同燃燒功率時散熱情況的變化。

4 結(jié)語

本文提出了一種燃?xì)饨軗Q熱器的簡便設(shè)計方法，并對換熱設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)工程上，天然氣燃燒生成的煙氣的溫度可視作只與過?？諝庀禂?shù)相關(guān)，其溫度隨過剩空氣系數(shù)增大而降低。

(2)單位管長內(nèi)煙氣的溫降與管徑、浸管形狀、進(jìn)口煙氣溫度和燃燒功率有關(guān)，本文給出了不同情況下單位管長內(nèi)煙氣溫降的計算公式及推薦取值。

(3)利用本文所給的設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)，計算所得出口的煙氣溫度，與實驗測得的出口的煙氣溫度之間的偏差小于10%，滿足工程精度要求。