（环境工程专业论文）低温烟气余热利用的换热除尘一体化技术研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着经济的飞速发展，能源需求量迅猛增长，能源供应不足已成为制约经济发展的一 大重要因素。工业生产中的热能约5 0 以低品位余热的形式直接排放，既浪费能源又污染 环境，如何解决好回收和利用这部分的低品位热能对节能减排具有重要的现实意义。 本文主要研究肋片管换热器回收中低温烟气余热，利用数值模拟的方法，对换热器的 传热性能和除尘性能进行了理论分析和研究。 本文的主要研究内容与结论如下： 1 对于等厚环肋而言，求解肋片上温度分布难以得到分析解，利用曲线拟合的方法求解 微分方程，将其解析解拟合成多项式，计算简便且误差很小。在肋片金属消耗量一定 的情况下，等厚环肋的最优结构为：肋片高度1 3 珑肌，肋片厚度o 7 4 垅肌，对应的换热量 9 4 职肋片效率8 3 ；在单个肋片换热量一定( 9 0 形) 时，最佳肋片结构为：肋片高度 1 2 5 聊m ，肋片厚度0 7 1 聊聊，对应肋片效率为8 4 。 2 建立肋片管换热器的数学模型，利用s u a lc + + 编程求解不同工况下，换热器的传热系 数、换热量以及热阻因子，用单因素分析和正交分析，分析了烟气流速、烟气温度、 水流速度和进口水温四个参数对换热性能的影响。其结果表明，烟气流速大、进口烟 气温度高、水流速度小以及进口水温低，换热量大；烟气流速大、进口烟气温度低、 水流速度大以及进口水温低，热阻因子小，换热性能较好；进口烟温对换热量的影响 最大，水流速度对换热量的影响最小；烟气流速对热阻因子的影响最大，进口水温对 热阻因子的影响最小。 3 分析了肋片管换热器在烟气处理中的除尘机理，主要有重力沉降、拦截效应、惯性碰 撞以及热泳沉降。建立模型并对其进行性能分析，其结果表明，压力损失与烟气流速 近似呈线性变化，流速越大，压力损失越大。 关键词：烟气余热肋片管换热器数值模拟热阻因子 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht 王l er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，t h ee n e r g yd e m a i l di si n c r e a s i n gs u 印r i s i n g l yi n c h i n a e n e r g y s h o r ts u p p l yh a sb e e no n eo f t h ep r i n c i p a le l e n l e n t sr e s t r i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m y a i l ds o c i e 够i ni n d u s t r i a lp r o c e s s e s ，a l m o s t5 0 o f m e 衄a 1e n e r g yt r a i l s f o n n sm o l o w - g 瑚【d e 、a s t eh e a td i s c h a r g e dd i r e c t l y ，w h i c hl e a d st 0e n e r g y 、椰t ea i l de n v 衲m e n t a l p o l l l j t i o n h o wt or e c o v e ra n du s eo ft ：t l i sp a r to ft h el o 、- g r a d et h e 肌a le n e r g yh a si m p o 吨m t p r a c t i c a ls i g i l i f i c a i l c e 、i t l le n e 增ys a v i n g t h em e s i sm a i nr e s e a r c hr e c o v e 巧a 1 1 du t i l i z a t i o no ff l u eg a sw a s t eh e a tb yf i n t i j b eh e a t e x c h a n g e r t h eh e a t 乜a n s f e rp e d o 肌a n c ea 1 1 dd u s tp r o p e r t i e so f l eh e a te x c h a l l g e rw e r e s n l d i e d b yu s i n gm en m e r i c a ls i m u l a t i o nm e m o d t h em a i nc o n t e n t sa r l dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 f o ru r l i f o ma i m u l a rf i n ，i tw a sd i 伍c u l tt oo b t a i l la n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no n 吐l ef i n ，u s i i l gc u r v ef i t t i i l gm e 廿1 0 dt 0s o l v ed i 航r e n t i a le q u a t i o n s ，t h ec a l c u l a t i o n w i l lb es i m p l ea n ds m a l le r r o r s b a s e do n l es 锄em e t a lc o n s u r n p t i o n ，t l l eo p t i m a ls 仉l c t u r eo f u 1 1 i f o ma i u l u l a rf m ：f mh e i g h t1 3 m 聊，f i nt l l i c l ( i l e s so 7 4 聊聊，t h eh e a t 仃a 1 1 s f e r9 4 彬f i n e m c i e n c y8 3 ；b a s e do nt h es a m eh e a t 仃a n s f e r ( 9 0 叻o f as i n g l ef i n ，m eo p t i m a ls t r u c t u r eo f 血f o ma i u l u l a rf i n ：f i nh e i g h t12 5 聊m ，f i nt h i c h e s s0 7l 聊聊，f me f ! e i c i e n c y8 4 2 e s 讪l i s l l i n gm 础e n l a t i c a lm o d e lf o rf m 一劬eh e a te x c h a n g e r ，a n du s i n gv i s u a lc + + t o s o l v eh e a t 仃a n s f e rc o e 珩c i e n t ，h e a t 仃a n s f e ra 1 1 dt h e n l l a lr e s i s t a l l c ef a c t o ro fh e a te x c h a l l g e ri nt h e d i f 诧r e n tc o n d i t i o n s t h ea i l a l y s i so fn u eg a st e m p e 阳t l l r e ，n o wr a t eo fn u eg a s ，w a t e r t e i l l p e r a t u r ea n dn o w r a t eo fw a t e ri m p a c to fh e a t 仃a n s f e rp e r f 0 m a n c eb ys i n g l ef 犯t o ra 1 1 a l y s i s a 1 1 do r l l l o g o n a le x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tl o w e rn u e g a st e i n p e r a t u r e ，f b t e rn o w r a t eo f n u eg a s ，l o w e rw a t e rt e m p e r a n l r ea n df 瓠t e rn o wr a t eo fw a t e r ，t l l el o s so fh e a t 订a n s f e r i r r e v e r s i b l ei ss m a l l e r t h em o r eh e a t 扛a i l s f e ri sw h 订eb j 曲e rn u eg a st e m p 咖，凰t e rn o w r a t eo fn u eg a s ，l o w e rw a t e r t e m p e r a t u r ea i l df - a s t e rn o w r a t eo fw a t e r t h ei m p a c to fh e a t t r a l l s f e r ，m a x i m u mi sf l u eg a st e m p e r a l = u r e ，m i i l i m u mi sn o wm t e o fw a t e r 皿ei m p a c to f t h e r n l a lr e s i s t a n c ef a c t o r ，m a x i m u mi sn o wr a t eo ff l u eg a s ，m i l l i m u r ni sw a t e r t e m p e r a ：t u r e 3 a n a l y s i so f d u s tr e m o v a lm e c h a i l i s mf o rf - m t u b eh e a te x c h a n g e ri nt h ef l u eg a u st r e a t r i l e n t ， i n c l u d i n g 鲫i t ys e t t i n g ，i n t e r c e p t i o ne f r e c t ，i n e n i a li m p a c t i o ne f ! e e c ta n dt h e n i l o p h o r e s i s d e p o s i t i o n f l u eg a sn o w r a t ei s1 i n e a rr e l a t i o n s h i p 、杭mp r e s s u r e1 0 s s ，a n dt h el l i 曲e rn o wr a t e ， t l l el o w e rp r e s s u r el o s s k q w o r d s ：n u eg a sw a s t eh e a t ；f i n t l l b eh e a te x c h a l l g e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t l l e n n a l r e s i s t a i l c ef a c t o r 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 引言 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。人类历史的发展变化都伴随着能源 的更替和改进。如今，我国经济呈快速增长趋势，建设和发展已取得了飞跃的成就，正因 如此，大量的资源和环境遭到破坏，经济的快速发展与资源环境的加剧之间的矛盾日益尖 锐。在对待环境污染的问题上，群众的反应也越来越强烈。温室气体引起的全球变暖，受 到全世界的广泛关注。因此应对气候问题，同样需要加强节能减排工作。中华人民共和 国节约能源法指出“节约资源是我国的基本国策。国家实施节约与开发并举、把节约放 在首位的能源发展战略。”【1 】。 为了确保我国经济平稳、协调和可持续发展，可再生资源和新能源，以及更加合理地 利用现有的资源将是能源短缺问题的关键所在。对于如何合理地利用现有的资源，在“十 一五”期间，各级政府和企业务必要把“节能减排”工作放在首要地位。目前，我国的能 源利用效率仅为3 6 左右，远远低于发达国家5 0 的能源利用率水平【2 】o 大量的工业余热 没有得到合理充分利用是能源利用效率低下的一个重要因素。有统计数据表明，我国钢铁、 石化、有色、轻纺、机械、建材、化工等几个能耗大户，余热利用效率仅为4 5 ，工 业炉窑热效率低于7 0 p j 。 我国的能源利用效率相比来说较低，节能的任务很艰巨，但同样潜力相当巨大。随着 化石燃料的日益枯竭和环境问题的日渐严峻，中低温余热的回收利用将成为节能领域研究 的重要课题。 1 2 烟气余热现状 目前，在“节能减排”的大背景下以及国家相关政策的鼓励下，许多企业已经开始回 收和利用生产过程中所产生的余热资源，这样不仅降低了生产成本，而且保护了环境，取 得了显著的经济效益和社会效益。 余热( 有时也称为排热、废热) 是指被考察体系( 某特定系统或设备) 排出的热载体 可释放的高于环境温度的热量和可燃性废物的低发热量。余热资源是指被考察体系排出的 热载体，经技术经济分析( 经济上合理，技术上可行) 后，能确定可利用的余热，其数量 称为余热资源量。中国的余热资源见表1 1 所示1 4 j 。 由表1 1 中可知，气体余热主要集中于8 0 1 5 0 0 缆间，一般来说，根据温度的高低， 可将烟气分为高温烟气( 6 0 0 口) 、中温烟气( 2 3 0 6 0 0 ) 和低温烟气( 2 3 0 口) 5 。 在余热资源的回收利用中，高温烟气的余热利用情况相对较好，而中低温烟气( 尤其是低 温烟气) 的余热回收利用率相对较低。各个企业一般只回收利用了烟气温度相对较高的那 一部分，对于高温烟气利用后排出的中温烟气，大部分企业没有加以合理的利用，至于温 度更低的低温烟气更是没有得到很好利用，由于利用率低，部分企业甚至直接排入大气， 不仅浪费资源，而且造成了污染。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 表1 1 中国的余热资源 余热温度 工业部门余热种类设备举例 ( ) 钢铁工业 焦炭显热 1 0 5 0炼焦炉 烧结矿显热 6 5 0 烧结炉 燃烧排气余热 2 5 0 3 0 0 热风炉 低温水5 0 刁o高炉冷却水 钢精炼厂气体余热 1 2 0 0 自熔炉 炉渣余热 1 2 0 0 自熔炉 化工工业气体余热 2 0 0 刀0 0 加热炉 固体余热 1 8 0 0 电石反应 ： 业锅炉气体余热 1 5 0 3 0 0 工业锅炉 工业窑炉气体余热 9 0 0 15 0 0 玻璃窑炉 6 0 0 7 0 0 水泥窑 4 0 0 6 0 0热处理炉 2 0 0 4 0 0干燥炉、烘干炉 电力工业低温水 3 0 5 0 冷凝器排水 气体余热3 0 0 5 0 0燃气轮机排气 轻工业( 食品工 气体余热 8 0 1 2 0 干燥机排气 业、纺织工业) 交通运输气体余热3 0 0 4 0 0蒸汽机车 内燃机车 以钢铁企业的余热回收为例，2 0 0 5 年，我国钢铁企业的余热资源回收率平均只有2 5 8 。 其中高温烟气的余热回收量居多，回收率为4 4 4 ；其次是中温烟气的余热回收量，只有 3 0 2 ，低温烟气的余热回收率还不足1 1 6 j 。其他相关企业的余热回收基本类似，其主要 原因是由于高温烟气的热能品位比较高，利用难度相对较小，因此这部分余热利用率较高， 而中低温烟气特别是低温烟气由于温度较低，能级较小，做功能力亦较小，根据能量匹配 以及能量梯级应用的原则，很难找到合适的热用户，而且利用这部分能量相对来说成本较 大，资金回收周期较长，制定方案时应综合考虑投资与回收之问的关系。 中温烟气所携带的热能作为一种余热资源在许多工厂中都大量存在着。它们的余热利 用方式大致有两种：一为热利用；二为动力利用。究竟哪种利用方式更好，一方面要看用 户的需要，另一方面要看余热资源的条件。直接利用其热能供生产或生活需要，最为简单、 经济。但是，由于受地区供需平衡等种种具体条件的限制，热能往往不能得到充分利用。 如果热能的品位较高，量也足够大，将它转换成使用方便、输送灵活的电能，则可以扩大 其利用的途径。烟气的温度越低，热能的品位越低，越难加以利用。工业生产过程中有很 多排烟，它们虽然温度比较低，但往往数量很大，若直接排入大气中，不仅浪费了资源， 而且容易造成热污染。由于烟气的温度比较低，如果不采取适当的措施，热能回收设备的 尺寸往往会较大，初投资的回收期较长。 中低温烟气余热资源数量非常巨大，而且分布范围极广，所以解决好上述问题，合理 回收中低温烟气余热，对于企业的节能降耗有很重要的意义。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 1 3 除尘换热一体化 许多工业炉窑在工业的生产过程中排放的烟气，一般是带有一定温度的含尘气体，若 将其直接排放到大气中，不仅会使环境遭到污染，也会损失大量可利用热能。在实际的应 用中，总会存在这样的问题，如果先让烟气进入除尘设备，再进入余热回收设备的话，仅 从换热的角度来看的话是合理可行的，但是，这样会使除尘设备的体积增大，烟气的处理 量变得很大，并且由于烟气温度比较高，选择合适的除尘设备将会更加困难，而且还会增 添一系列问题，如热交换器内堵塞、积灰、热效率降低、管壁磨损等。因此，如何合理分 配和选择除尘设备和换热设备，是烟气余热利用中必须考虑的问题。 基于如上的问题考虑，人们设想着如何将除尘设备和换热设备合为一体。对此，国内 外均有相关研究，也发明了一些新结构的除尘换热一体化设备。早在前苏联时期，就有了 电除尘的专利，主要是用来净化和回收高温工业烟气，其大致结构是在除尘设备的前面安 装一些管状的换热设备，这些管状设备一方面可以回收烟气的余热，另一方面还能使气流 分布均匀。9 0 年代在日本也有人提出将旋风除尘器和热交换器结合在一起的设备，其特点 是将旋风除尘器的芯管和外壳做成双层，在夹层中通入冷却水，使其与烟气进行换热来达 到回收烟气余热的目的。 对换热除尘一体化的设想，国内也有不少研究，图1 1 就是郝德麟 8 】对于旋风式换热除 尘器的一种设想，主要包括离心筒1 ，设于离心筒内壁的旋流板2 ，左侧设有切向进气口3 ， 底部设有排尘口4 ，在离心筒1 的中心设有排烟管5 ，排烟管下部设有折流板9 ，离心筒1 的顶部是水箱6 ，水箱上设有进水口和出水口，热管7 连通水箱和筒内烟气，并用压紧螺 母8 固定。该设备新颖的构想就是利用切向进气口和折流板来控制烟气的流向，在保护热 管不被粉尘附着的情况下回收烟气中的余热。 3 2 图1 - 1 锅炉烟道换热除尘器 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 张寅啸将静电除尘融入到管壳式换热器中【9 】，巧妙地利用过滤式除尘器和静电除尘器 来分别处理不同粒径的粉尘，并在前后除尘设备都设置换热器来提高烟气的余热利用。该 设备如图1 2 所示，由入风口1 、箱体2 、荷电负极3 、荷电正极4 、列管换热器5 、阳极 板6 、屏蔽极7 、出风口8 、高压电源9 和限流电阻1 0 组成。前端利用交错的矩形列管过 滤较大的粉尘并均匀分布气流，同时还可以与气流进行热交换，回收气流中部分余热。中 部利用电场将小颗粒粉尘荷上正电( 负电) ，后端便利用阳极板来捕捉带电粉尘，同时设 置换热器来回收烟气余热。 霪凄磊转 习 图1 2 静电式换热除尘器 端木琳，冯国会【1 0 】将带用肋片的热管置入静电除尘器中，构成静电热管式除尘器，并 进行了实验研究。该装置将静电除尘器和热管有机地结合了起来，除尘空间的电晕放电提 高了烟气的对流换热性能，实验结论发现，对单根热管而言，平均除尘效率为9 6 7 ，而 相同条件下旋风换热除尘器平均除尘效率为4 7 。 除尘式换热设备的设想很多，但归根结底是将除尘器和换热器有效地结合在一起，主 要利用的除尘器有旋风式除尘器和静电式除尘器两大类。大量换热器都有严重积灰的现象， 从这方面来看也说明了换热器本身也有除尘的作用，因此就出现了在换热器中增加清灰 装置的设计【1 1 j 。 p e 扛s t e h l 丑( 1 2 1 同样指出，对于烟气余热利用选择换热器时，需要根据实际问题来设计 和选择一个合适的换热器，并通过实际工业锅炉分析了烟气余热梯级利用的紧凑性和可靠 性，并考虑了换热器表面的会产生污垢的特定区域，提出了在设计换热器时对换热器的建 模和优化以及其细节的设计都会大大提高换热器的产品质量。 1 4 主要研究内容 如今，我国对于余热回收越来越重视，在节能中长期专项规划中，余热回收的工 引一引叫一引。咧引一引奢引。疆疆、矗疆麝蛰v奄蛰夺搿静臻| 爹黪毋镣鬻黪 l 一一 一 = 一 一一内u羔一警幽妇善磊一 2热望| 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 程被列为“十一五”十大重点节能工程之一，烟气的余热回收是其中较为重要的一个环节， 回收和利用烟气余热工作迫在眉睫。 为此本文针对中低温烟气的余热资源，利用肋片管换热器回收余热并对烟气中的粉尘 进行初处理，以实现了节能降耗，并有效除去部分烟气粉尘为目的，特此展开以下几项工 作： ( 1 ) 分析了肋片管换热器在换热过程中的基本理论，主要包括换热量的计算、传热系数 和肋片效率的分析，然后利用m a t l a b 曲线拟合的方法推导出等厚环肋的实际换热量 和肋片效率的计算式，并利用金属消耗一定和单个肋片散热量一定两种情况计算出 等厚环肋的最佳尺寸； ( 2 ) 在最优化肋片尺寸下建立肋片管换热器的传热计算模型。利用数值模拟的方法理论 分析冷、热流体的温度和流速四个参数对换热器的换热量和热阻因子的影响，最后 利用正交实验的思想分析四个参数对换热量和热阻因子的影响显著程度； ( 3 ) 分析肋片管换热器的除尘机理、应用场合以及除尘效率，并对其结构的优化提出合 理性的建议，在此基础上对多级除尘设备的设计提出了建设性的意见； ( 4 ) 最后对全文主要结论进行了总结，对肋片管换热器的结构优化提出了合理化建议， 并总结了论文中的一些不足之处。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章肋片管换热器的传热分析 当换热器内外两侧流体的换热系数相差较大时，在流体换热系数较小一侧添加合适的 肋片，可以促进该侧流体的扰动，增大换热器换热面积，减小换热器的传热热阻，从而增 大传热系数，增加换热量，肋片管换热器就是基于这种考虑而产生的。在人们不断地改进 管式换热器的过程中，肋片管换热器是最成功最有效的发现之一。直至目前，这种方法仍 然是各种管式换热器强化传热方法中应用的最广泛的一种，因此对于肋片管换热器的传热 性能研究也成为国内外众多学者所关注的热点。 2 1 肋片管换热器的基本类型与特点 肋片管的型式众多，使用的也相当普遍，根据不同的应用场合应当采用不同的肋片型 式。根据肋片安装位置的不同，一般可以将肋片管分为外肋管和内肋管两大类。按其在管 上的排列方式，又可将肋片管分为纵向肋片和横向( 径向) 肋片两大类，其它类型都可看作 是这大两类的延展。若按制造方法来分，肋片管还可分为整体型肋片、焊接型肋片和机械 连接型肋片三类。整体型肋片一般通过套胀工艺或采用锡、钎焊将肋片固定于管束上，肋 片与管子一体，无接触热阻，强度高；焊接型肋片采用高频、钎焊或氨弧焊等工艺制造； 机械连接型肋片管有绕片式、镶片式、套片式及双金属轧片式等。此外，根据肋片高度的 不同，也可将肋片管分为高肋管和低肋管两大类【1 3 】。其他的一些分类方法在此就不再一一 阐述。 图2 1 几种常见的肋片类型 工程中，加肋的目的是为了强化传热，计算表明，当壁两侧的表面传热系数相差3 5 倍时，如制冷系统中的冷凝器，可采用低肋化系数的螺纹管；当两侧表面传热系数相差1 0 倍以上时，如蒸汽一空气加热器，则可选用高肋化系数的肋片管；当换热两侧的表面传热 系数都很低的时候，如气体换热器，两侧均为气体，则可在两侧的表面均肋化。图2 1 列出 了几种常见的肋片管的肋片形式。 由于肋片管的独特结构，肋片管换热器具有区别于一般换热器的特点【1 4 j ： ( 1 ) 传热效率高。由于在换热管的表面加上肋片，传热面积能增大2 l o 倍，还能促进 肋片侧流体的紊流程度，相比于普通光管，传热系数可以提高1 2 倍，对于两侧换 热系数相差较大的情况收效更为显著。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 ( 2 ) 结构紧凑。相比于光管组成的换热器，其传热能力更强，单位体积的传热面积更大。 因此，对于同一负荷而言，所需要的管子数更少，壳体的直径或者高度也会相应减 小，使结构更加紧凑，并降低了金属消耗。 ( 3 ) 可使选材合理。因为肋片的材料可以与基管材料一样也可以不一样，因此在材料的 选择和利用方面就显得更为合理。 ( 4 ) 减轻结垢。在管壁加上肋片后，降低了壁面与介质之间的平均温差，相应能减轻壁 面结垢，由于肋片的热胀冷缩，肋片上已结的部分污垢也能适当脱落。 因此，肋片管换热器在工业生产中得到了广泛的应用。 2 2 传热计算 换热器的热力计算是其设计和计算的基础。主要包括设计性的计算和校核性的计算两 个大类。设计性计算是用于确定换热器的换热面积，由于大小相同的换热面积可以采用多 种不同的结构形式，而不同的结构形式也会影响着热力计算的过程。因此，设计性的计算 一般会与结构性的计算会有一个交替的过程。校核性的计算主要是针对结构形式确定的换 热器，其目的在于确定流体的基本参数和判断在非设计工况下该换热器是否能完成换热任 务【1 4 1 。 对于换热器的热力计算，最重要的便是要找到热负荷( 即传热量) 与换热器的换热系数， 换热面积，流体的进出口温度等参数之问的关系式。换热计算的基本关系式有两个：传热 方程式与热平衡方程式。 2 2 1 传热方程式 传热方程式的一般形式为： q = f 尼艘 ( 2 1 ) 式中：q 热负荷，职 k 在微元传热面处换热器的传热系数，脚乒动； d f _ 该微元的面积，朋2 ； t - 一该微元面两侧流体之间的温差，口。 公式( 2 1 ) 中的k 和t 都是f 的函数，而每种换热器的函数关系均不相同，这将使得换热 器的热力计算非常复杂，因此，在工程计算中常常对传热方程式作如下的简化： q = k f 乙 ( 2 2 ) 式中：k 平均传热系数，删砌2 动； f 传热面积，所2 ； t m - 一两侧流体的平均温差，。 根据公式( 2 2 ) 可知，换热量不仅与传热面积和平均温差成正比，还与传热系数k 有 关，其物理意义是指在稳定传热条件下，两侧流体温差为1 铘寸，在单位时问内通过单位 第8 页武汉科技大学 硕士学位论文 面积传递的热量。因此，可以通过增大流体间的平均温差t m 、增加换热面积f 以及提高传 热系数k 三种方法来提高换热器的换热量。 f 1 ) 增大流体间的平均温差。其方法主要有两种：一种是当两侧流体的进口参数一定时， 可改变换热器的形式来增大平均温差t m ，在相同的进、出口温度下，逆流布置的换热器， 其平均温差要比顺流的大，。因此，换热器的布置方式需尽量采用逆流或者近似逆流的形 式；另外一种是增大两侧流体之间的进口温差。 ( 2 ) 增加换热面积。主要是通过对换热面结构的改进来增大同样体积下的换热面积，使换 热器的结构更紧凑。这种方法不仅能增加换热面积，降低对流换热热阻，而且如果结构合 理的话，还能提高换热器的传热系数。换热面积增加的形式多种多样，可以在换热表面增 加肋片管、螺纹管和板翅式等；也可以将换热表面做成不同形状，如凹凸形、波纹形和扁 平形等，一方面可以较小的增加换热面面积，另一方面，主要是为了增大流体流动的扰动， 减小边界层厚度，从而增强换热器的换热性能；另一种方法是使用小管径的管子，一方面， 小管径可以在换热器体积一定的情况下布置更多的管段，使换热器的结构紧凑，另一方面， 管径的减小，使管内流体的紊流度加大，层流底层变薄，从而提高换热系数u 5 | 。 ( 3 ) 提高传热系数。在工程实际中，换热面积和平均传热温差受多方面条件的限制，一般 来说，当换热面积和平均传热温差一定时，强化传热唯一途径便是如何提高传热系数。因 此，如何提高换热器的传热系数已经成为现今研究的重点。主要有以下几个途径：一是传 热问壁选用导热性能良好的材料，并尽可能薄一点；二是避免或减小污垢热阻【l 6 1 。 2 2 2 热平衡方程式 假设不考虑换热器的热损失，那么，热流体所释放的热量应该等于冷流体所吸收的热 量。此时，热平衡方程可写为： q = m ( 魄。一吃。) = 幺( 忍：一：) ( 2 - 3 ) 式中：m l 、m 厂热、冷流体的质量流量，鼢； h i l 、1 1 0 l 热流体的进口和出口焓值，洲堙； h 孙h 0 2 冷流体的进口和出口焓值，硬。 公式( 2 3 ) 对于流体有无相变的情况均适用。若流体无相变， 表示： q = 一m j ! i 1c 1 幽= 坞2 c 2 必 式中：c l 、c 2 热、冷流体的定压比热，川豫印； 热平衡方程式可作如下 t i l 、t o l 热流体的进口和出口温度，e ； t 孙t 0 2 冷流体的进口和出口温度，。 由于比热c 的数值与温度有关，所以在利用公式( 2 4 ) 求解时比较复杂， 算中一般做简化处理，采用流体平均温度下的定压比热，即 q l = 一m q ( 乞，一。) = m c l ( 。一乞。) = mc 1 ( 2 4 ) 因此在工程计 ( 2 5 a ) 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 q 2 = 鸩巴( 乞：一：) = 鸩c 2 他 式中：c l 、c z 平均温度下热、冷流体的定压比热，川始功； t l 、t 2 热、冷流体进出口温差，口； 任何换热器都会向周围环境散发热量，这个热量称为换热器的热损失q l ， 的热平衡方程式应表示为： q = q 2 + 骁 ( 2 5 b ) 因此，准确 ( 2 6 a ) 或 q l 巩= q 2 ( 2 6 b ) 式中：”i _ 一热损失系数，通常取o 9 7 0 9 8 。 2 3 换热量的计算 对于肋片管换热器的换热量计算，可由下式求得： q = 磊蝇= k r t 乙 ( 2 7 ) 式中：f o 、f 广一分别为肋片管光管外表面积和肋片管外表面积，脚2 ； 硒、k 广分别为以肋片管光管外表面积和以肋片管外表面积为基准的传热系数， 聊伽2 劲； t ，。，一为平均温差， i 二。 2 4 传热系数的分析 对肋片管换热器传热系数的分析，通常可分为干工况和湿工况两种情况进行讨论。若 空气与肋片管问不仅存在着显热交换，同样还存在着水蒸气凝结所引起的潜热交换，这种 在空气被冷却过程伴有结露的情况被称为湿工况。与之相对应的是，当空气流过肋片管时， 不产生含湿量变化( 不结露) 的情况，称为干工况 1 7 】。 在本文研究的换热过程中，管外烟气掠过肋片管换热器时，管道内流体的温度较高， 烟气被冷却的过程不会结露或析出水分，故属于干工况。所以本文将重点讨论干工况时肋 片管换热器的传热系数。 在干工况下，根据传热学的基本原理，假定壁面温度及传热系数一致且不变，可导出 以下计算传热系数的公式【2 1 】： 以光管外表面积为基准时 上：三墨+ l 墨+ 宣扬生+ 堑墨+ 上墨 ( 2 8 ) k oh if i 5 f t2 九d qqf fh f f 以肋片管外表面( 此外表面包括肋片面积及无肋片部分的面积) 为基准时 去= 鲁w + 去唔+ 等+ 南 晓9 ， 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 式中：k o 、k 厂分别表示以光管外表面积和以肋片管外表面积为基准的传热系数， 助协2 劲； h i 、h 厂分别表示以光管内表面积及肋片管外表面积为基准时管内侧及管外侧换 热系数，助伽2 劲； f o 、f i 、f 厂一分别为光管外表面积、光管内表面积及肋片管外表面积，2 2 ； a 一换热管的导热系数，助伽仞； 卜肋化系数，p = f 柙i ； t 1 肋片表面总效率，7 ：毕； 量 ”厂肋片效率； f b 以肋片根部直径为基准的无肋片部分表面积，聊2 ； l 厂肋片管管长，m ； r s i ，r s 厂分别为以内表面积为基准的内侧污垢热阻和以肋片管外表面积为基准的 外侧污垢热阻，扣矿玉形阢 d o 、d i 光管外径与内径，聊。 在公式( 2 9 ) 中，主要是肋片管换热器的换热系数h i 和h f 两项难以确定。因此，传热系数 的计算，实质上归结于对换热器管内、外侧换热系数h i 和h f 的计算。换热系数的计算是一个 相对来说较为复杂的问题，一般不适合用理论去求解，只能借助一些经验公式。同时，各 种影响因素稍有改变，均会影响结果。 2 5 肋片效率的分析 肋片管换热器的主要特点在于光管表面设有肋片，于是在管内向管外传递热量的情况 下，热量不仅会由肋根部沿肋片高度向外传递，同时这部分热量还会不断地以对流换热的 方式向四周流体传热，其结果就使得肋片温度沿着肋片高度方向逐渐的下降，造成管外壁 面的表面温度沿肋片高度的方向连续变化，再加上肋片传热面上各个部分的换热系数各不 相同，使得传热计算非常困难。在一般工程应用中，通常假定流体沿各个传热面的换热系 数一定，并引入一个新的概念肋片效率，来综合考虑沿传热面温度的变化对换热特性 的影响，从而达到简化传热计算的目的口2 1 。 肋片效率1 1 f 定义为在肋片表面平均温度t m 下，肋片的实际换热量与假定整个肋片表面 温度均为肋基温度时的最大换热量o 的比值，它是衡量肋片换热有效程度的指标： 刀，：车：竺坠二生 ( 2 1 0 )，7 ，= 2 1 l z 1 u j u 唬解( 乇一f ，) 式中：h 肋片表面与流体间的对流换热系数，聊伽2 的； f 肋片的表面积，m 2 ； t f 、t 0 、t m 分别为肋片侧流体平均温度、肋基的过余温度、肋片表面平均温度，口。 t 1 f 的数值总是小于1 的。当t m = t o 时，t 1 f 1 ，这相当于肋片材料的导热系数为无穷大时 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 的理想情况。所以一切影响t m 数值的因素都会影响肋片效率1 1 f ，主要包括肋片表面与周围 流体间的传热系数、肋片的几何形状和尺寸、肋片材料的导热系数等。 2 6 等厚环肋肋片效率计算式的推导 常用的肋片结构主要有等横截面直肋如矩形直肋、圆形针肋及非等横截面肋片如环肋、 三角形肋片等，本文主要分析等厚环肋的传热特性。为了方便对等厚环肋作传热分析，有 如下假设口3 】： ( 1 ) 肋片材料的导热是均匀的，导热系数沿肋高方向为常数，肋片内温度沿厚度方向变 化很小，可近似认为是一维温度场； ( 2 ) 肋端处绝热； ( 3 ) 忽略肋片表面发出和接受的辐射传热。 ( 4 ) 肋片上无凝结水，即系统处于全干工况下。 禹 图2 2 环肋示意图 根据上述假设，建立如图2 2 所示的环肋模型，其中肋片高l ( m ) ，厚为6 ( m ) ，管子的半 径为r l ) 。在距管中心线r 处取一段长度为d r 的微元体，则该微元体的对流换热量为： 坦= 办( 卜0 ) 鼢 ( 2 1 1 ) 则其内热源强度应为： 一f ，) 沏 吼一萨 式中，i 卜_ 肋片的周边长度沏) ，u ：4 盯： a i _ 一肋片上垂直于导热方向的截面积( m 2 ) ，a l _ 2 冗r 6 ； 卜肋片的导热系数，彻矽； t 、t 厂微元段肋片的温度、肋片侧流体温度，口； b 肋片表面与周围流体之间的表面换热系数，助伽2 矽。 ( 2 1 2 ) 第1 2 页 一 壅圣翌垫查堂堡主堂垡笙奎 由上述假定可知，微元段肋片的热物性参数为常数且处于稳态温度场。因此，微元体的热 平衡式可以写为： ! 昙( 办兰) 圯：o ( 2 t 1 3 ) 将公式( 2 1 2 ) 代入公式( 2 1 3 ) ，化简后可得 碧十三罢一碧卜伊。 q 1 4 设过余温度何一t f ，并引入下列无因次量 因次温度e 气 o ； 无因次尺寸f r r l ，l = ( r 1 + 1 ) r l ； 其他项的无因次化垅= 碧，x 可n z 。 由此可将公式( 2 1 4 ) 简化为： 坐+ ! 塑一目：o ( 2 1 5 ) 根据假设条件写出边界条件：，抬n ( 2 1 6 ) l x = m l ，2 u l 出 其中公式( 2 1 5 ) 为0 阶虚宗量贝塞尔函数( b e s s e l f h n c t i o n ) ，有两个非线性相关的解 析解j i ( x ) 和k i ( x ) ，且j i ( x ) 和k i ( x ) 均是关于自变量x 的无穷多项式，再结合边界条件( 2 1 6 ) ， 可解出 2 4 】： 目=五! 型坠! 竺墨! 墨! 丝! 茎! ! 型 山( 聊) 墨( 俄三) + _ ( 础) k ( 朋) 肋片上的温度分布为： f f 玉( 型圣! 丝! 墨( ! 墨! 墨! ! 型 一o 山( m ) 墨( 砒) + ( 聊) ( m ) 通过肋片的传热量为 坤一糕端鬻 假定整个肋片表面均处于肋基温度，则此时理想最大传热量为： 唬= 2 万厅午( r 一1 ) 将公式( 2 1 9 ) 和公式( 2 2 0 ) 代入肋片效率计算式( 2 1 0 ) ， 片效率计算式： ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 即可求出等厚环肋的肋 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 7 7 ： 坐型塑丛生盟坐堕 ( 2 - 2 1 ) 历( 一1 ) 厶( m ) k ( 础) + ( 垅三) k ( 加) 上述各式中的j o 、j l 、k o 、k 1 均为其括号内虚变量的贝塞尔函数。以上计算结果是在 假设肋片外端部分绝热的前提下得到的，但当肋片端部表面积较大，则该端面上的对流换 热量不能忽略，这时可以通过假定调整肋片高度，用假象加长的高度来代替实际高度，使 原肋片端部的对流换热量由延长的侧面散去，从而仍可把肋片端部看成绝热条件来处理， 即在实际计算中，将上述l = ( r l + 1 ) r l 中外半径r 1 + l 用r l + l + 6 2 来代替，可以减少忽略肋片 端面换热所引起的误差。 2 7 优化环肋结构 在传热基础面上扩展出肋片，是强化传热的一种重要措施。肋片强化传热在化工、动 力、能源等行业广泛应用。肋片散热量的大小、肋片效率是肋片传热研究的主要内容，也 是肋片传热性能的重要指标。在肋片传热过程中，肋片的形状、高度、厚度等结构尺寸对 肋片的传热性能有较大影响，因此分析肋片的传热特性，优化肋片的结构，对肋片传热有 着重要的实际意义。 在2 6 节中，由于贝塞尔函数的解析解j i ( x ) 和k i ( x ) 均是无穷多项，故其求解不仅繁琐 而且精度无法保证。对于特定场合，我们可以利用m a t l a b 拟合曲线的方法将j i ( x ) 和k i ( x ) 拟合成有限项多项式，并求出上述各项的近似解口5 1 。 令公式( 2 1 7 ) 中o = f ( x ) ，则f 劢f ( m z ) ，可以求得： 肋片换热量 矽= r “万【( 厂+ 办) 2 一，_ 2 打= 4 万2 办r 矿( ，彪) 比 ( 2 2 2 ) 肋片的理想最大换热量 唬= 2 万【( ，i + z ) 2 一，i 2 】办气= 2 万2 办( r 1 ) ( 2 2 3 ) 肋片效率叩：丢= 三蒡竺芋竺 c 2 2 4 ， 在直径为2 0 聊聊的圆管外安装等厚环肋，其表面温度为2 0 ，肋片采用铝制，导热系 数为2 1 4 聊彻的，置于3 0 0 、对流换热系数为1 5 0 晰乒矽的烟气中，导热系数不随温 度变化而变化，试设计适宜的肋片高度和厚度。 假定肋片厚度为1 优聊时，设计肋片高度取1 0 聊聊，则l = 2 ，m = 0 3 7 4 。采用m a t l a b 二阶曲线拟合出j ( x ) 和k ( x ) ，进而求解o = 坟x ) ，具体程序设计如下。 x = ( o 3 7 4 4 ：0 0 5 ：o 7 4 8 8 ) ； y = b e s s e l i ( o ，x ) ； p 2 p o l y f i t ( x ，y ，2 ) ； y 1 = p ( 1 ) 木x 2 + p ( 2 ) 木x + p ( 3 ) ； 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 y 2 _ b e s s e l k ( o ，x ) ； a = p o l 妒t ( x ，y 2 ，2 ) ； y 3 2 a ( 1 ) 誊x 2 + a ( 2 ) 木x 十a ( 3 ) ； y 4 2 0 6 1 9 4 木y 1 + o 3 0 7 3 木y 3 ； p l o t ( x ，y 1 ，x ，y 3 ，x ，y 4 ) l e g e n d ( j ( x ) ，k ( x ) ，o ( x ) ) h o l d o n 计算结果如图2 3 所示，从图中可以看出，曲线和点的拟合度非常高，误差不到0 2 。 将j ( x ) 和k ( x ) 拟合后的结果代入式( 2 1 7 ) ，可求得肋片沿高度方向的无因次温度变化曲线 为e ( x ) = o 7 2 x 2 一1 0 8 x + 1 3 ，故肋片上温度分布函数为f 仍( o 1 0 1 2 2 0 4 0 5 z + 1 3 ) 。 将拟合的结果代入公式( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 中，分别可以求得肋片的实际换热 量为7 3 3 8 矾肋片的理想最大换热量为7 9 1 9 以及肋片效率为9 2 7 。 为了得到肋片的最优化结构( 主要是肋片的高度和厚度优化) ，首