（工程热物理专业论文）直燃溴化锂机组火管式高压发生器传热模型与应用研究.pdf

中南大学硕十学付论文 摘要 摘要 火管式高压发生器由于其结构简单、检修方便等特点在中小型溴 化锂机组中应用非常广泛。目前国内外对高压发生器炉膛和对流段传 热尚未展开充分的研究。本文对火管式高压发生器传热进行了系统地 研究，建立了火管式高压发生器的传热计算模型，通过实验验证了传 热计算模型的正确性，并应用模型对某溴化锂机组火管式高压发生器 传热进行了分析。 基于高压发生器传热计算的需要，建立了烟气物性参数的计算模 型、烟气流量的计算模型、溴化锂水溶液及过热蒸汽的计算模型。论 文建立了实验数据处理模型和高压发生器传热计算模型并编制计算 程序。 构建了实验对已建立的模型进行验证。实验结果表明：额定耗油 量时，炉膛出口温度实验数据处理模型计算值和实测值相对误差不超 过4 2 ；高压发生器换热量实验数据处理模型计算值和热水吸热量 相对误差不超过7 0 ；波纹管对应强化传热修正系数c j 的值为1 8 5 ， 对流段烟气中间温度、出口温度传热计算模型值和实测值的相对误差 均不超过6 1 ；实验数据处理模型和高压发生器传热模型具有较高 的准确性。 应用模型对某溴化锂机组火管式高压发生器对流段管束分别采 用内插扭曲片波纹管、光滑管和内插扭曲片光滑管时的火管式高压发 生器的传热状况进行分析比较，结果表明本文提出的模型能有效对溴 化锂机组火管式高压发生器传热进行计算。 本文建立的高压发生器传热模型可对火管式高压发生器的传热 效果进行分析，可以为溴化锂机组火管式高压发生器的设计提供重要 的参考，可以为火管式高压发生器的实验研究提供理论依据。本文的 研究可以为直燃溴化锂机组在线控制提供理论支持。 关键词：溴化锂机组，火管式高压发生器，传热模型，强化传热，波 纹管 中南大学硕士学伊论文 a b s t r a c t a b s 仃a c t 、 晰mi t sa d v 批g e so fs i m p l es t m c t i l r ea i l dc o n v e n i e mm a i n t e n a l l c e ， t l l ef i r et u b eg e n e r a t o ri sw i d e l yu s e di i ll i b 棚2 0a b s o r p t i o ns y s t e m h o w e v e r ，w h e ni t c o m e st 0c o m b u s t i o nc h a m b e rr a d i a t i o na n dg a s c o n v e c t i o 玛t i l er e s e a r c ho nt h 锄i sm s u 瓶c i e n t i nt i l i sp a p e r ，t i l eh e a t 仃a n s f e ro fm ef i r et i l b eh i g hp r e s s u r eg e n e r a t o ri ss y s t e m a t i c a l l ys m d i e d 锄d 1 ec o m p u t a t i o n a lm o d e lo fh e a t 仃锄s f e ri se s t a b l i s h e d t t l e c o m p u t a t i o n a lm o d e l sh a v eb e e i lv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a ld a 协彻da r e u s e dt oa n a l y z et l l eh i 班p r e s s u r eg e n e r a t o r sh e a t 咖l s f e ri i ld i r e c t - f i r e d l i b r h 2 0a b s o r p t i o nc h i l l e r h e a t i no r d e rt oc a l c u la _ t em eh e a t 咖s f e ri i lh i 曲p r e s s u r eg e i l e m t o r ， c 锄p u t a t i o n a lm o d e l so fe ) ( 1 l a u s tg a s ，l m 以1 2 0s o l u t o na n ds t e 锄g a s a r eb u i l t i nt l l i sp 印e r ，t l ec o m p m 缸i o n a lm o d e lo fh e a t 胁1 s f e ri s d e v e l o p e da n d t l l ep r o g r 锄i sa l s og i v e n e x p e r i m e m sa r ec a r r i e do u ta n dt h er e s u h ss h o wt l l a t ：m er e l a t i v e e r r o ro fc x i tg a st e m p e r a 伽r e0 nh e a n hb e t 、v e e nc a l c u l a t i o nd a t ao n e x p e r i m e m a ld a t ap m c e s s i l l gm o d e la n dt e s t i n gv a l u ed o e sn o te x c e e d 4 2 ，w l l i l er a t i n gc o n s u m i n go i l ；m er e l a t i v ee r r o rb e t 、) l ，e e nc a l c u l a t i o n 胁o ne x p e r i m e n t a ld a t ap r o c e s s i n gm o d e lo fh i 曲p r e s s u r eg e n e r a c o r h e a t 仃a n s f e ra n da b s o r b e dh e a t mh o tw a t e rd o e sn o te x c e e d7 o ：t h e c o m p e n s a t i o nf a c t o r o fc o r n l g a t e dt u b e sc o r r e s p o n d i n gi 1 1 t e n s i f i c a t i o n h e a tt r a _ l l s f e ri s1 8 5 ；t l er e l a t i v ee “o ro fm eg a st e m p m 鹏i i lt h e m i d d l e 锄de x i to fc o n v e c t i o ns e g m e n tb e t 、) l ，e e l lc a l c u l a t i o nd a t ao nh e a t 仃a n s 诧rm o d e la n dt e s t i n gv a l u ed o e sn o te x c e e d6 1 ；t i l ev e m c i 够o f m e p r o c e s s i n gm o d e l a l l dt h ec o m p m a t i o n a lm o d e li sa d e q u a t e t l em o d e l sa r eu s e dt 0a r i a l y z et h eh e a tt r a i l s f 打o fh i 曲p r e s s u r e g e i l e m t o ro f ad i r e m f i r e dl i b 坍 2 0a b s o r p t i o nc h i l l e rh e a t e rr e s p e c t i v e l y w i t hc o m j 髫l t e dt u b e sw i t l l 铆i s t e d 一帅ei n s e r t s ，p l a i nt u b e s ，p l a i nt u b e s w i t l lt w i s t e d - f i r e d m s e r t s nc o m e so u tt i l 砒m em o d e l sc a na n a l y z et l l e h e a t 仃a n s f e re 虢c t i v e l y 1 1 1 eh e a t 仃a i l s f e rm o d e lo fah i 曲p r e s s u r eg e n e r a t o rw nf i r en j b e s d e v e l o p e d i l lt l l i s p 叩e r c a l lf o r e c a s tt l l eg t a t eo fh e a t e x c h a i l g e q u a l l t i t a t i v e l y ，o 虢r em e o 叮g i s tf o re x p e r i m e n tr e s e a r c ho ff i r e t u b e 中南大学硕+ 学何论文 a b s t r a c t g e n e m t o r ，a 1 1 dc a | 1p m v i d ei i i l p o n a 咀tr e f e r e n c ef o rm ed e s i 弘o f f i r en l b e g e n e m t o r t h er e s e a r c ho fm i sp 印e rc a i l o 船ft e c h n i c a ls u p p o r cf o r o n 1 i n ec o n _ d lo fd i r e c t - f i r e dl i b r h 2 0a b s o r p t i o nh e a t e rc h i l l e r k e y w o r d s ： l m 棚2 0a b s o r p t i o nc h i l l e r h e a t e r f i r et u b eg e n e r a t o r ，h e a t t r a i l s f 打m o d e l ，h e a t 订a n s f e ri m e n s i f i c a t i o n ，c o r r u g a t e dt u b e l 中南大学硕士学何论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 溴化锂机组的研究现状 溴化锂吸收式制冷机是一种以热能为动力，以水为制冷剂，溴化锂水溶液为 吸收剂，利用水在真空中沸点低而容易蒸发，蒸发时需从周围环境中吸收热量， 从而降低周围环境介质温度的制冷设备【啦l 。溴化锂制冷机可用来制取高于o 的 冷量【3 1 。 近年来，国外溴化锂制冷技术的研究十分广泛，国内直燃型机组的研究主要 是对国外研究的补充和完善。对于溴化锂机组的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 工质对的研究1 4 i 传统的n h 3 + h 2 0 工质对在欧美地区使用广泛，其优点是制冷工质易于获得， 可制取o 以下的冷源，缺点是热效率低，需精馏设备，且有毒性和爆炸危险。 l i b 什h 2 0 工质对虽然使用最为广泛，但缺点是以水为制冷剂，不能制取o 以 下的冷源，工质对在氧气的环境中对金属材料的腐蚀性强，机组真空度要求高。 m cn e e l y 【5 1 分析了常用范围内热物性参数的试验数据，这些物性数据作为经典的 研究成果被选入a s h r a e 地卅d b 0 0 k 【6 l 而广泛采用。复旦大学在六十年代进行 了溴化锂水溶液的热物性测试，根据这些测试结果绘制的溴化锂水溶液焓一浓度 图是国内吸收式制冷界应用的主要依据。 为提高溴化锂吸收式机组的热效率，许多学者对h 2 0 + l i b 什z n c l 2 、h 2 0 + “b r _ k 2 h 6 0 2 、h 2 d 卜l i b r 州a s c n 三工质对，以及h 2 0 卜c a c l 2 + l i c l + z i l c l 2 四工 质对进行了大量的研究。资料表明1 7 i ，双效吸收式冷热水机组在蒸发温度为8 、 冷凝温度为3 0 、高压发生器温度为1 3 0 、低压发生器温度为8 0 时，采用 h 2 0 + l i b 什z n c l 2 、h 2 讲- l i b 什c 2 h 6 0 2 、h 2 0 + l i b 州a s c n 、h 2 0 吒a c l 2 + l i c l + z n c l 2 工质对其对应机组的c o p 值分别为1 0 7 5 、o 9 5 0 、1 3 3 5 、1 1 7 0 。尽管上述新工 质对在某些方面较l i b 什h 2 0 有所改善，但都还存在一些应用方面的问题，近期 内尚不能在实际机组中推广。 ( 2 ) 热力循环的研究 单效溴化锂机组的c o p 值约为o 7 ，仅适用于以废热或太阳能为热源，而不 适合采用高温热源。双效机的效率有较大幅度的提高，但其c o p 值也只有1 2 。 s a 口h o 删m 锄a 【8 】对单效吸收式制冷循环进行了婀分析，指出通过提高发生器效率 能降低热源和溶液的温差，从而可以减少勰损失。b a g 鹤w a r d o n o l 9 j 给出了太阳能 双效溴化锂机组的热力计算数学模型，分析了不同纬度对机组性能的影响。 中南大学硕十学付论文第一章绪论 h i c h u a 【1 0 l 建立了制冷循环内部熵值计算模型，并以此模型对单效和双效溴化锂机 组的换热量进行了计算。 为了有效地使用高品位热源，人们在双效循环的基础上，又提出了三效循环。 8 0 年代初，日、美等国科学家提出了三效、多效吸收式机组的设想，并利用计 算机对系统进行热力仿真，从理论上寻求换热面积与c o p 值之比为最佳值的热 力循环 i 卜”】。天津商学院申江等组合出了6 9 种三效循环，并对它们进行了比较 分析【1 6 ，岍。据文献【1 8 】介绍，三效机的c o p 值为1 6 7 1 7 2 ，浓溶液的最高温度 为2 0 0 2 3 0 ：四效机的c o p 值为1 9 3 2 o o ，浓溶液的最高温度为2 5 0 2 8 0 。 三效机的能耗指标已经可与当今先进的电压缩式制冷机组相媲荚，但多效机 的研制开发需要解决诸如新工质对、溴化锂水溶液高温物性、高温下溴化锂水溶 液的缓蚀剂、表面活化剂、防结晶剂、材料、元器件、机组成本和轻量化等一系 列问题【i 。 ( 3 ) 高效传热、传质及吸收机理研究 溴化锂吸收式机组是若干换热器的组合，通过传热、传质过程，实现各自功 能，完成热力循环。其传热、传质及吸收机理研究主要表现在以下三个方面 2 0 。2 2 】： 高效传热管的研究与开发 吸收式制冷机为热交换器的集合体，其热效率的提高与价格的降低无不与传 热管的性能有关。采用高效传热管后，不仅使机组的重量与体积大幅度减小，而 且使机组溶液充注量降低，提高了机组的起动、运转性能。目前高效传热管的研 究主要是针对发生器、蒸发器、吸收器和溶液热交换器中使用的强化管，大多仍 处于实验研究阶段。 添加剂的研究 添加剂系表面活性剂，其作用是减少溶液在管子表面的张力，产生马拉各尼 效应，增强传热效果。辛醇是最主要的添加剂，然而辛醇与溴化锂水溶液的互溶 性较差，必须采取措施使两者充分混合，才能起到强化传热、传质的效果。 近年来，国内外学者对表面活化剂及传热、传质机理进行了研究，并建立了 一些数学模型l 。俄罗斯进行了氟化醇添加剂的试验研究。由于氟化醇与溴化锂 水溶液的互溶性较好，起到了较好的增强传热的效果。 吸收机理的研究 吸收器是溴化锂吸收式机组表面积最大的传热部件，国外十分重视对吸收机 理和新型吸收器设计方法的研究，并从传热、传质的角度探讨传热管数量和排列 方式的匹配i 眦j 。国内对其研究也很多，崔晓钰【2 7 i 建立了包含膜内垂直于膜方向 的横向对流的溴化锂降膜吸收过程的数学模型，并对其进行数值求解，通过对计 算结果的分析，说明膜内横向对流对吸收过程有一定的影响。近年来，冷却水自 2 中南大学硕十学位论文第一章绪论 下而上流动，溶液垂直降膜流动的研究成为学者们探讨的热剧嬲l 。实验袁明【1 9 l ， 在相同的工况下，溶液垂直降膜流动比卧式降膜流动的表面传热系数高3 0 3 0 0 。 ( 4 ) 控制方式的研究 以微电子为主的电测、调节和自动控制技术在溴化锂制冷机中的发展很快。 温度、压力、流量、液位的测量都采用电测技术，所得到的电信号被输入微处理 器，再由微处理器发出指令实现对系统的调节与控制。在流量调节方面还采用变 频调速技术调节溶液或冷却水、冷水的循环水流量i 蚓。但总体上来说，目前溴化 锂机组的自控水平不高，相应的基础研究较少。 1 2 火管式高压发生器及其研究现状 1 2 1 高压发生器概述 高压发生器是溴化锂机组的重要组成部分之一，其性能好坏直接影响到机组 的性能。从结构上讲，直燃型发生器实质上是一台溴化锂水溶液锅炉，主要由燃 烧设备和发生器本体组成。发生器本体除了具有与蒸发型发生器结构类似的简 体、传热管、挡液装置、液囊、浮动封头、端盖、管扳、折流板以外，还有适用 于锅炉燃烧系统的炉筒、对流换热器、余热回收装置、烟囱等。直燃燃烧器工作 时，燃油或燃气从燃烧器喷出，在炉筒中燃烧，形成高温烟气，烟气通过炉筒和 传热管加热溴化锂稀溶液，经余热回收装置从烟囱排出。高压发生器内的稀溶液 被加热浓缩成浓溶液，产生的冷剂蒸汽经挡液装置流向低压发生器【3 i j 。 直燃型溴化锂机组的高压发生器的对流段从结构上可分水管式和火管式两 种型式。火管式是高温烟气在传热管内流动，加热管外溴化锂水溶液。水管式是 指管内流动溴化锂水溶液，高温烟气在管外加热。两者在实用中各有利弊。水管 式高压发生器管外易于强化，单管传热效率较高，传热面积小，高压发生器体积 小，结构紧凑，溶液灌注量少；但是如果水管式高压发生器设计不当，单管传热 可能很不均匀，局部管壁温度较高，引起管壁腐蚀，管外翅片在5 0 0 以上容易 氧化，引起排烟温度上升，管壁上焊接加工量大，使用时管外不易清灰而影响传 热效果或导致管壁温度升耐”。 与水管式高压发生器相比，火管式高压发生器制作、检漏较为方便，为强化 传热效果，可以根据需要在管内加入扭曲片，扭曲片长期使用发生氧化后也便于 更换，从而始终维持排烟温度不变。此外，管内清灰方便，传热管的热功率均匀， 不会因局部过热而引起溶液对管壁的腐蚀。火管式高压发生器须解决小功率机组 管束段传热强化和大功率机组热应力的问题。 直燃式冷热水机组在国外开发比较早，各生产厂家作了很多的研究工作，特 中南大学硕+ 学付论丈第一章绪论 别是火管式发生器有许多种型式，而这些型式 主要由炉简与对流换热器管群的布置所决定。 通常分为以下几类【3 3 j 4 l ： ( 1 ) 炉筒与对流器管群平行布置 炉筒与对流器管群平行布置的高压发生器 如图l l 所示，炉简和对流换热器中的传热 管被固定在封头上。烟气在炉筒中产生，经烟 室折返至对流换热器管群，再由烟囱排出机 图1 1 炉筒与对流器管群 平行布置的高压发生器 外。由于炉筒内燃烧温度为1 7 0 0 左右，而火管中最高温度也近1 0 0 0 ，火管与 炉筒承受着较大的热应力，因此这种结构对设计有着很高的要求。根据其布置型式 又可分为单筒型和双筒型。单简型就足炉筒与对流段换热器管群置于单个简体内， 共用一副管扳。结构简单，制作方便，但外形尺寸较大。双筒型则是把炉筒与对流 换热器管群分别设于两个简体中，双筒璎高度增加，但宽度明显减少。其最大的优 点是可以使炉简和传热管群都具有最佳设计，不受彼此长度限制，提高各自的传热 性能。如图l 一2 所示。 气 l l 一烟管；2 、4 、l o - 溶液通道；3 烟气通道：5 、 1 1 一简体；6 - 炉简；7 燃烧器；8 叫因道：9 烟囱 图l 一2 具有两个平行筒体的高压发生器 卜火管：2 一炉筒；3 - 燃烧器 图l 一3 炉筒与对流换热器管 群同轴布置的高压发生器 ( 2 ) 炉筒与对流换热器管群垂直布置 炉筒与对流换热器管群垂直布置的高压发生器如图l 一3 所示，炉筒与对流 换热器管群分别坐在两个简体内，对流换热器管群垂直布置于炉筒后部。烟气在 炉筒内燃烧后折入对流段加热稀溶液。竖直烟管布置有利于冷剂蒸汽逸出，避免 局部过热。 ( 3 ) 炉简与对流换热器管群圆环形布置 炉筒与对流换热器管群圆环形布置的高压发生器如图l 一4 所示，在中心设 4 中南大学硕士学付论文第一章绪论 有炉筒，炉简周围均布着对流换热器管，上部设有 汽液分离筒，并装有挡液板。 ( 4 ) 炉筒与对流换热器管群扁圆形布置 在该发生器中，燃烧烟气向下流动，外侧用圆管 卷成扁圆圈，并逐渐由光管、低肋管过渡为高肋管。 这种发生器具有以下特点：当截面积相同时，扁 圆的周长大于圆的周长，因此在烟气流速相同的条 件下可以提高传热效果；当采用圆形螺旋管时， 管内溶液受离心力的作用，液膜集中于圆外圈，而 烟气则加热其内周，这样不仅会恶化传热，而且会 造成局部过热，扁圆形发生器则无此诟病。 1 2 2 火管式高压发生器的研究现状 t ，3 j 、 j ：。3 孥 、姿岁 1 - 挡液板；2 一气液分离筒； 3 一烟管：4 一炉筒 图l 一4 炉筒与对流换热嚣管 群圃环状布置的高压发生器 国内外专门针对双效直燃型溴化锂机组火管式高压发生器进行的研究主要 集中在以下几个方面： ( 1 ) 沉浸式发生器溴化锂水溶液池沸腾的实验研究。余国和i 弘l 研究了溴化锂 水溶液在真空条件下的池沸腾换热性能，实验研究的结果表明：压力对池沸腾有 一定的影响，且随溶液浓度的不同而有所不同：浓度对池沸腾换热有明显的影响， 且压力越高，影响增大；管束对池沸腾换热有增强效应，水平管束的沸腾换热系 数明显高于单管的沸腾换热系数。文献【3 7 】依据前人进行管内流动沸腾强化传热 实验得到的部分数据，对强化机理、效果和方法进行了研究，结果表明某一换热 强化方法的有效性与换热方式有关，即与换热方式是对流机制还是核沸腾机制占 主导地位有关，并初步给出了两种机制分类的可能性判据。对管内压力、管束排 布对溴化锂水溶液的沸腾换热的影响，n a k a i i n a 【3 8 l 从理论上分析了管束沸腾换热 增强的原因。 ( 2 ) 高压发生器炉筒和对流段管束的传热研究。文献【3 9 】建立了溴化锂吸收式 制冷机发生器换热系数的数学模型，定量的揭示了水在溴化锂水溶液中的溴化锂 含量对放热系数的影响。戴永庆给出了直燃发生器的设计计算公式【l 】。这些公式 只能对溴化锂高压发生器进行粗略的计算，且只适合于手工计算。 ( 3 ) 高效强化传热管的实验研究。发生器管讨论较多的是低翅外螺纹管和表面 微孔管。实验表明瞰l ，两者都适合于沉浸式发生器，其管外换热系数比光滑管提 高一倍以上。微孔管和外螺纹管相比又具有机械强度好、材料消耗少的优点，但 加工相对复杂。 ( 4 ) 对流换热的无源强化的研究。高压发生器的传热强化对于溴化锂机组的热 效率和虫 i 效率的提高都有重要意义。在高压发生器中，如果传热得到加强，即高 5 中南大学硕十学付论文第一章绪论 温热交换器中传热热阻减少的话，则热源与高压发生器溶液的温差将减小，高压 发生器溶液温度将提高，从而使热力系数提高。对于固定的机组在额定的燃料消 耗星时，如果瘩i 压发生器换热得到强化以后，制冷时冷量朗的大小会增加，供热 时可供利用的热量勰也会增加。对流换热的无源强化的研究主要在以下方面： 对流强化传热管道的研究 对于强化传热管道的研究，国内研究比较多的足螺纹管、波纹管【伽j 。在国外， 对波纹形通道管的研究较多，研究结果指出波纹形通道的换热能力比平直通道管 强【4 3 4 5 1 。 曾敏【舶l 通过实验证明，在相同的质量流量下，波纹管的换热能力比光滑管要 高出许多。文献【4 7 】在相同的质量流量下对波纹管、螺纹管、光滑管进行了实验 比较分析并指出波纹管的总传热系数最大，其次是螺纹管，最小是光滑管；螺纹 管的管内( 热侧) 压降最大，其次是波纹管，最小是光滑管；管外( 冷侧) 压降 三种管型相差不大。 利用插入物进行管内强化传热的研究 国内外不少研究单位和企业，从实际应用出发研制出了各式各样的混合元 件。例如，沿管子长度装满丝网多孔体或金属螺旋刷【4 8 】、s u l z e r 静止混合器、扭 曲叶片、k e i l i c s 混合器、扭曲带1 4 9 l 等，都能有效提高管内层流换热强度。在管 内插入物中，扭曲片结构比较简单，当传热介质流过扭曲带与管壁之间的扭曲通 道时，流体产生螺旋式的前进运动，它所引起的流体经向混合大大地加强了层流 换热过程。如果传热流体在管内是湍流运动，由于流体主流部分的混合本来就比 较强烈，因此设置扭曲片对管内湍流换热的增强比层流状态下要低得多。如图l 一5 所示的扭曲片，是用宽度和管子内径相等的钢带或不锈钢带沿轴向扭曲而成。 通常把扭转1 8 0 度的轴向长度s 称为扭曲带的节距，并把s 与管径之比y = s d 称为扭曲比，它是扭曲片最重要的几何参数，扭曲比愈小，表示扭曲程度愈高， 流体在管内的压力损失和换热系数也愈大。 图1 5 扭曲片的几何形状图 6 一 、酋 中南大学硕七学付论文第一章绪论 文献 5 0 1 给出了以水和乙二醇乙烯为传热介质的含扭曲带管内层流换热在 y = 2 4 5 和y = 5 0 8 ( ) ，为扭曲率) 时的经验公式为： 肌：o 3 3 8 伍y 】o “n ”5 ( 1 一1 ) 扭曲片置于强化管中的复合强化传热的研究 文献【5 1 】介绍了马达油在含扭曲片的内翅铝管中的换热和阻力试验的实验， 实验表明，内翅管中加扭曲片后可以获得比空心内翅管高得多的换热系数。文献 【5 0 】介绍了扭曲片置于粗糙管内的传热特性，并通过实验说明了含扭曲片的粗糙 管流动雷诺数较高时有较好的传热性能。 1 2 3 高压发生器传热的数值计算研究 随着计算机软、硬件技术的不断提高和数值算法的日趋成熟，出现了不少可 用来求解传热问题的商业软件如c f x 、f l u e n t 、a n s y s 等等。通常工程中的 传热问题较为复杂，受影响的因素很多，从而对问题建立的数学模型求分析解很 困难。而当定解条件满足时，利用商业软件进行数值求解能比较容易地得到合理 的结果，正是基于这一点商业软件才能比别的手段更容易描述问题的现象和本 质。商业软件的出现使科技人员能投入更多的精力研究问题的本质，边界条件和 计算结果的合理性等重要方面，从而有利于快速、深入地解决实际工程问题1 5 “。 但是，商业软件进行传热计算通用性不强，对于火管式高压发生器的传热计 算而言：l 、对于不同结构的火管式高压发生器，商业软件都要重新划分网格， 确定边界条件；2 、商用软件由于其针对性不强，所以计算时会多出很多冗余繁 琐的计算，随着网格数的增加，相应的计算量会变得大；3 、无论对于对流段管 束的管外沸腾还是管内烟气湍流的研究都很不充分。 与商业软件相比，手编程序的针对性较强且代码简单，往往可以通过经验公 式得出较为准确的结果，可为各种火管式高压发生器的传热计算提供通用性的参 考，计算时自j 短，程序中变量容易确定。 1 3 研究目的和研究内容 由溴化锂机组及火管式高压发生器的研究现状可以看出，高压发生器炉膛和 对流段换热的好坏直接影响高压发生器的换热效率。目前还缺乏针对溴化锂机组 高压发生器炉膛和对流段的换热计算模型，不能对溴化锂机组的高压发生器换热 量进行预测和计算。对于溴化锂机组高压发生器的研究还缺乏必要的手段。因此， 建立火管式高压发生器的传热模型编写模型计算程序对火管式高压发生器传热进 行分析具有重要意义。 本文目的是试图研究火管式高压发生器的传热机理，找出火管式高压发生器 7 中南大学硕十学侍论文第一章绪论 传热的内在规律，建立火管式高压发生器的传热计算模型，为机组热效率的提高 及机组的自动控制提供参考。 本文所做的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了溴化锂机组、火管式高压发生器及无源对流强化传热的研究现状，指 出了火管式高压发生器传热研究中存在的不足和建立火管式高压发生器传热模型 的意义。 ( 2 ) 建立了烟气物性的计算模型。基于对流段传热计算的需要，建立了烟气热 物性参数如定压平均比热、密度、运动粘度、普朗特数、导热系数等的计算模型。 ( 3 ) 建立了燃料不完全燃烧时烟气质量流量的计算模型。该模型在已知干烟气 成份体积百分含量时可以对烟气质量流量进行计算。 ( 4 ) 对溴化锂水溶液、过热蒸汽进行物性分析。根据国内外有关溴化锂水溶液 的热物性数据的曲线图，回归出溴化钾水溶液的焓一浓度方程；提出过热蒸汽的 比焓计算方程，验证了它的正确性；建立了溴化锂水溶液的压力一温度平衡方程。 ( 5 ) 建立火管式高压发生器的炉膛辐射换热量和对流段换热量的计算模型。对 火管式高压发生器炉膛内燃烧进行分析，给出了高压发生器换热量的计算方法， 并编制了相应的计算程序。 ( 6 ) 在直燃溴化锂冷热水机组上进行了实验研究。准确地测量了溴化锂水溶液 温度、不同风门歼度时的干烟气成份体积百分含量、对流段进口温度、中间温度、 出口温度等；通过实验证明了实验数据处理模型及燃料不完全燃烧时高压发生器 传热计算模型的准确性；间接证明了烟气计算模型、溴化锂水溶液计算模型、过 热蒸汽计算模型、炉膛辐射及对流段管束传热计算模型的准确性。 应用实验数据处理模型和高压发生器传热计算模型对某溴化锂机组火管 式高压发生器传热进行分析，对对流段采用不同强化传热方式所产生的传热效果 进行了比较分析。 8 中南大学硕+ 学位论文第二章烟气、溴化钾水溶液及过热蒸汽的计算模犁 第二章烟气、溴化锂水溶液及过热蒸汽的计算模型 溴化锂机组高压发生器的传热研究过程中，涉及到对烟气、溴化锂水溶液及 过热蒸汽的计算。手工查表计算既繁琐费时，且误差较大。本章建立了烟气物性 参数的计算模型，建立了烟气流量的计算模型，根据实验测得的干烟气含量成份 对入炉空气量、烟气流量、湿烟气成份含量等进行计算，在国产溴化锂水溶液物 性图表集基础上回归出溴化锂水溶液的焓一浓度方程，给出了溴化锂水溶液 的压力一温度平衡方程，提出过热蒸汽的比焓计算方程。 2 1 高压发生器烟气的计算模型 2 1 1 烟气物性的计算模型 在直燃溴化锂高压发生器的传热计算中，烟气的物性参数是必须的。一般情 况下，可将烟气看成是理想气体的混合物，其主要成份是氮气、二氧化碳、氧 气、水蒸汽。在已知烟气成份体积百分含量和温度时，可以对定压平均比热、密 度、运动粘度、普朗特数、导热系数等进行计算。 ( 1 ) 定压平均比热c 的计算 对于烟气定压平均比热，可按如下的经验公式计算： 1 f = ( c d 2 + 日2 d c h 2 d + 2 c 2 + d 2 c 0 2 ) + 盍 2 一1 ) 式中，c d ，、也d 、，、q 分别为烟气中二氧化碳、水蒸汽、氮气和氧气的 体积百分含量，； c 烟气在f 时的定压平均比热，l 洲( m 3 ) ； 赐、。2 d 、。虬、姻气中二氧化碳、水蒸汽、氮气和氧气在f 时的定 压平均比热，k j ( 矗) ；可按式( 2 2 ) 计算旧。 表2 1 爿l 彳2 ，一3 的值 ! ：墨堡苎壁生生：! ! ：生：! 1 1c 0 21 6 5 8 4 7 7 0 4 l2 1 2 1 5 2 3 4 h z o n 2 0 1 1 4 7 2 5 1 2 6 5 7 1 3 3 2 7 2 9 8 9 9 1 5 0 7 3 1 3 1 5 l 3 0 l o 2 1 3 5 1 1 1 4 9 中南大学硕十学付论文 第二章烟气、溴化锂水溶液及过热蒸汽的计算模犁 c i = 爿l + 彳2 r + 一，2 ( 2 2 ) 式中各气体的4 、爿：、以取值如表2 一l 。 文献 5 6 提供了计算烟气定压平均比热c 的计算程序，经验算程序计算的结 果与式( 2 一1 ) 计算结果基本一致。 ( 2 ) 密度p 的计算 烟气的密度p 可按理想气体状态方程式计算： p ：尝 ( 2 3 ) 胪扫 心_ 3 式中，p 一烟气密度，k g ，m 3 ； p 一烟气压力，p a ； r 一烟气温度，k ； 一通用气体常数，= 8 3 1 4 j ( m o 卜k ) 。 m 一烟气的平均分子量，k 曲n o l ；m 的值可按下式计算： f 2 2 8 0 6 2 ，2 + 4 4 0 l d 2 + 3 2 么+ 1 8 0 1 6 勺2 d ( 2 4 ) 式中，：、7 如、，d 2 、嘞2 0 姻气中氮气、二氧化碳、氧气、水蒸汽的体积成份。 ( 3 ) 运动粘度y 的计算 各组分的质量成份晶可由体积成份计算旧1 ： i ii r l 告 肘 ( 2 5 ) 瓦，m - 为备殂分明分亍量，k g k m o l 在o l 0 0 0 范围内，各组分的动力粘度有如下的回归公式： 心= 箐( 务” ( 2 - 6 ) = 等( 南” ( 2 _ 7 ) 托= 等c 南” c 2 删 帅= 等( 务” ( z - 9 ) 式中，、段b 、，h 、。分别为烟气中氮气、二氧化碳、氧气、水蒸汽 1 0 中南大学硕士学伊论文第二章烟气、溴化锂水溶液及过热蒸汽的计算模犁 的动力粘度，k g ( m s ) ；r 姻气温度，k 。 烟气的动力粘度可由各组分的质量成份和动力粘度得到： = g 。鸬 ( 2 1 0 ) 将式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 、式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 代入式( 2 一1 0 ) 有： “3 8 8 ( ! ：婴墨兰+ ! ：! 竺塾+ ! ：! ! 丝塾+ 兰坚堡磐) l o 。r ，( 2 - 1 1 ) 。 、r + 1 1 8r + 2 5 2r + 1 3 8r + 1 1 9 l 烟气的运动粘度，可由动力粘度导出： y = p m 2 ，s( 2 一1 2 ) 式中，、p 分别可由式( 2 1 1 ) 、式( 2 3 ) 计算得出。 文献 5 6 也提供了一个计算烟气运动粘度p 的计算程序，经验算式( 2 一1 2 ) 的计算结果与程序计算的结果基本一致。 ( 4 ) 普朗特数p ，的计算 在大气压( p = 1 0 1 3 2 5 1 0 5 p a ) 下，烟气的普朗特数p ，随成份的变化很 小，可按表2 2 所示采用分段线性插值法选取。 表2 2 一个大气压下普朗特数p ，的值 ( 5 ) 导热系数旯的计算 烟气的导热系数a 可按下式计算： a = 芒生1 0 0 0 k w ( m ) ( 2 一1 3 ) p r p j 式中，、c 、p 、n 可分别由式( 2 一1 1 ) 、式( 2 一1 ) 、式( 2 3 ) 和表2 2 计算。 2 1 2 完全燃烧时烟气的计算模型 燃料在高压发生器中燃烧需要充足的空气以完成氧化反应。燃烧反应是一种 物理化学反应，故完全燃烧时的空气量、烟气流量、烟气成份可根据燃烧化学反 应式得出。 ( 1 ) 理论空气需要量厶 按化学反应完全燃烧方程式，理论空气需要量厶的计算公式如下嘲： 厶= o 0 8 8 9 c + 0 2 6 6 7 日+ o 0 3 3 3 s 一0 0 3 3 3 0n m 3 k g ( 2 一1 4 ) 式中，c 、何、s 、d 一分别为燃料中c 、h 、s ，o 的质量百分数。 i i 中南大学硕十学何论文 第一二章烟气、溴化锂水溶液及过执蕉汽的计算栌型 ( 2 ) 实际空气量工。 l = 晓0 + n o o l 2 4 9 式中，g l m 3 干空气中的水份含量，g 。 ( 3 ) 烟气中各燃烧产物的体积计算5 即 ，c2 2 4 9 c 以2 西而 2 瓦而 = ( 等+ 警等+ o 删z 4 她 = 芸等+ 孟厶 2 盖( 匕一岛) n m 5 ，l 【g ( 2 一1 5 ) n m k g n m k g n m 瓜g n m 瓜g n m j ，i 唱 ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 式中， 矗、p 赢、妒、一分别为燃烧产物中c 魄、s 如、心o 、n 2 、0 2 的 体积。 烟气体积： 圪= k 协+ p 黾+ ：d + k v 2 + 把式( 2 1 6 ) 式( 2 2 0 ) 代入式( 2 2 1 ) 有： 圪= c 吾+ 妻+ 鲁+ 熹+ 等等 m 一静厶+ o o o l 2 4 厶 n m 3 k g ( 2 2 1 ) n m 3 k g ( 2 2 2 ) 式中，c 、s 、日、矿、 r 一分别为燃料中c 、h 、s 、0 、n 的质量酉分数。 ( 4 ) 理论产物成份体积 吃= 簧需+ 0 7 9 25 西1 石孑+ ”7 y l o = ( 鲁+ 警告+ o 帆z 4 如 ( 5 ) 完全燃烧产物成份的体积百分含量 c d l ：坠1 0 0 鼢：鳖1 0 0 h 皿p ：孥1 0 02 圪 n m 3 瓜g n m ) l 嘻 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 中南大学硕十学静论文第二章烟气、溴化锂水溶液及过敏蒸汽的计算模犁 2 = 等加。 q 1 s ， 儿 q = 争l o o ( 2 2 9 ) ，“ 2 1 ，3 不完全燃烧时烟气的计算模型 实际进入高压发生器的空气量是多方面的，包括进入炉膛的一次风以及漏入 炉膛的漏风，直接测定进入高压发生器的实际空气量不容易测准。本节建立了过 量空气系数和烟气中各成份含量的关系式，然后将烟气分析得出的各成份含量值 代入关系式以求出过量空气系数嵋朝。 在实际工况下，高压发生器内空气和燃料的混合并不十分理想，一些可燃质 分子未遇到氧气发生燃烧反应。为了保证燃烧良好，实际送入炉膛的空气量总比 理论的空气量多一些。炉膛内燃料的燃烧过程在炉膛出口处已基本结束，般选 择的过量空气系数作为判断过量空气量的指标。 ( 1 ) 不完全燃烧干燃烧产物生成量盱的计算 实际不完全燃烧于燃烧产物生成量矿与理论完全干燃烧产物的生成量曙 的关系如下式所示m 1 ： 哆= i 。_ _ - 粤。1 0 0n i n 3 i ( g ( 2 3 0 )” l o o 一4 7 6 0 ；+ o 8 8 月；+ 1 8 8 c d l + 7 5 2 c 日：。喝 。7 式中，o i 、日：、c d 、c 分别为于燃烧产物中0 2 、h 2 、c o 、c f i 的体积百分 含量： 哆按下式计算捌： 哼= c 吾+ 蚤等+ 焉厶 n m 3 他c 2 吲) 式中，厶一每l k g 燃料完全燃烧时需要的空气量，按式( 2 1 4 ) 进行计算； c 、日、s 、o 分别表示液体燃料中c 、h 、s 、0 的质量百分数。 ( 2 ) 不完全燃烧产物生成量圪的计算 为使燃烧尽量完全，实际供给空气量应大于理论空气量，即燃烧在过量的空 气条件( 研 1 ) 下进行。所以，不完全燃烧产物生成量是理论烟气量匕与过 量空气量( 西一1 ) 厶及随同过量空气带入的水蒸汽量( 2 d 一嵋2 d ) 的总和： 圪= 吒+ ( 研一1 ) 厶+ ( 妒一巧易) n m 3 k ( 2 3 2 ) 式中，过量空气带入的水蒸汽量为： p p = o 0 1 6 1 ( 斫一1 ) 厶n m 3 翘 ( 2 3 3 ) 中南大学硕士学付论文第二章烟气、溴化锂水溶液及过热蒸汽的计算模趔 即： 2 d = o 0 1 6 l ( 瑾；一1 ) 厶+ 曜2 d n m 3 k g ( 2 3 4 ) 式中，力一烟气中的水蒸汽量： 呀刀一理论水蒸汽容积，按式( 2 2 4 ) 进行计算。 式( 2 3 2 ) 中理论烟气量圪的计算式为： v o = t 暑+ 量+ 等+ 告+ 等等+ c 孟+ o o o z 4 9 ，厶n m 3 馏c z s s ， 式中，、一液体燃料中h 2 0 、n 的质量百分含量。 ( 3 ) 空气过量系数口? 的计算 不完全燃烧的空气过量系数由下式计算懈1 ： 口? ：垒二塑：! 翌! ：! 堡型曼生! 丝! 墨垒塑蔓! ( 2 3 6 ) k ( r ( ) 2 + c d + c 日4 ) 式中，置值的计算如下： k = 学 c z 嘲， 式( 2 3 7 ) 中，h ，d 为实际燃烧产物中h ：0 的体积百分含量，可按式( 2 2 7 ) 进行计岸。r d 为烟气中二氧化碳和二氧化硫体积体积百分含量之和，计算公式 为： 吟华 ( 2 3 8 ) 式( 2 3 8 ) 中尺反为干烟气中二氧化碳和二氧化硫体积百分含量之和。 计算空气过量系数的算法如下： 假定研的初始值( 如彳= 1 o ) ； 根据已知谚、日：、c d 。、c 矾、c 、s 、d 、日、彤、及研的值 分别由式( 2 1 4 ) 、式( 2 3 1 ) 、式( 2 3 0 ) 计算k 、盯、盱； 由式( 2 3 5 ) 、式( 2 2 4 ) 、式( 2 3 4 ) 、式( 2 3 2 ) 计算、嵋，o 、 ，。、圪，把西的值放入变量x 中； 根据已知谚、哦、c d 、删、r 谚、，。、匕、哆的值，分别由 式( 2 2 7 ) 、式( 2 3 8