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青岛科技大学研究生学位论义 轮胎氦气硫化尾气在垂直列管内 对流换热机理与实验研究 摘要 本文对轮胎氮气硫化尾气( 水蒸汽质量百分含量：i 0 3 0 ) 在垂直列管内对流 冷凝换热的机理进行了理论分析与实验研究。利用实验得到的关联准则式，建立了 氮气回收冷却冷凝器的数学描述，编写了氮气回收冷却冷凝器的设计计算软件，并 提出了一种氮气回收冷却冷凝器设计的新思路。 首先，本文分析了含不凝性气体的混合气体在垂直管内对流冷凝换热的特点， 对混合气体的对流传热与传质进行了理论分析。运用修正的膜模型理论和n u s s e l t 凝结理论，考虑气、液膜的特点，建立了各自的数学描述，并提出了理沦求解方法。 其次，对轮胎氮气硫化尾气在垂直列管内的对流冷凝换热进行了不同工况的实 验研究。通过对实验数据的处理，得到了雷诺数在2 5 0 0 1 2 0 0 0 范围，混合蒸汽( 水 蒸汽质量百分含量：i 0 3 0 ) 在垂直列管内对流换热的关联准则式，并从理论和工 程应用方面分析了影响尾气对流冷凝换热的因素。 在此基础上，对氮气回收冷却冷凝器进行了计算机模拟及分析。建立了氮气回 收冷却冷凝器的数学描述，编写了d h s 氮气回收冷却冷凝器设计软件，并利用 软件分析了氮气回收冷却冷凝器的换热特点，提出了行之有效的强化传热措施。 最后提出了一种氮气回收冷却冷凝器设计的新思路。 关键词：不凝性气体氮气硫化冷凝换热冷却换热冷却冷凝器 轮胎氮气硫化尾气在垂直列管内对流换热机理与实验研究 r e s e a r c h o nh e a tt ra n s f e ro f p o rm i x e dw i t hn o n c o n d e n s a b l eg a s i nv e r t i c a lt u b l e s a b s t r a c t p r e c e d e df r o mt h ec o n s i d e r a t i o no ft h e o r e t i c a lr e q u e s ta n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ， c o n v e c t i o n - c o n d e n s m i o nh e a tt r a n s f e ro fv a p o rm i x e dw i t hi n c o a g u l a b l eg a si nv e r t i c a l t u b e sw a ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i sp a p e r 。v a p o rm a s sf r a c t i o ni n t h eg a sw a sa b o u t10 3 0 f i r s t l y , h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fg a sm i x t u r ei nv e r t i c a lt u b e sw e r ei n t r o d u c e d a n dh e a ta n dm a s st r a n s f e ro fm i x t u r eg a sw e r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y c o n s i d e r e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl i q u i df i l ma n dg a sf i l mr e s p e c t i v e l y , t h e i rm a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o n s a n ds o l u t i o nt ot h e s ee q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e dt h r o u g hm o d i f i e df i l mm o d e la n d n u s s e l tt h e o r y s e c o n d l y , h e a tt r a n s f e r o fv a p o rm i x e dw i t h n i t r o g e n i nv e r t i c a lt u b e sw a s i n v e s t i g a t e du n d e rt h ed i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h r o u g hp r o c e s s i n ge x p e r i m e n t a ld a t a , c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o r r e l a t i o n sw e r ep r e s e n t e da sn u s s e l tn u m b e rv e r s u sr e y n o l d s n u m b e lr a n g i n gf r o m2 5 0 0 - 1 2 0 0 0 f a c t o r si n f l u e n t i n gt h eh e a tt r a n s f e rw e r ed i s c u s s e d t h r o u g h t h et h e o r ya n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o nt h i sb a s i s ，t h em a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o n so fn i t r o g e n r e c l a i m i n gc o o l i n g c o n d e n s e rw a sb u i t d h sc o o l i n gc o n d e n s e r ”s o f t w a r ew a sd e s i g n e d h e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fn i t r o g e n r e c l a i m i n gc o o l i n gc o n d e n s e rw a sa n a l y s e db yt h es o f t w a r e e f f e c t i v em e a s u r e so f e n h a n c e dh e a tt r a n s f e rw e r es u g g e s t e d a tl a s t ，an e wt y p eo f c o o l i n gc o n d e n s e ru s e di nn i t r o g e nr e c l a i m i n gw a sp r o p o s e d k e yw o r d s ：n o n c o n d e n s a b l eg a s ，n i t r o g e nv u l c a n i z a t i o n ，c o n d e n s i n gh e a t t r a n s f e r ，c o n v e c t i n gh e a tt r a n s f e r ，c o o l i n gc o n d e n s e r 青岛科技人学m j d u t z 学f 证论空 丰要符号说明 符号物理键常川单位 a热扩散牢 米2 秒 m 2 s c p 比热容 f l 洱( t 克摄氏度) 【j k g r 】。 d 质扩散率 米2 秒 m 2 s d直径 米【m 】；彰k m m 】 f换热而积 米2 【m 2 】 ， 摩擦系数 g 质奄流量 千克，j 、时【k g h 1 对流换热表面传热系数 瓦必米2 坡) w m l 】 h d 对流质交换表面传质系数米秒 m s k传热系数 瓦“米2 - y r ) w m 2 - 】 h 热焓 焦耳千克【j k g 】 l 汽化潜热 焦耳千克【j k g 】 f 长度 米【m 】 m分子量 质流密度 。 千克( 米2 秒) i k g m 2 s 】 p 压强 帕【p a 】。 q执量 焦耳【j 】 g 热流密度 瓦米2 w m 2 】 r热阻 米2 - 开瓦【m 2 w r气体常数 牛- 米，( 千克丌) 【n m ( k g k ) 】 r半径 米，毫3 k m ，m m 】 r气化潜热 焦耳千克 j k g t热力学温度 开尔文【k j t摄氏温度 度【】 速度 米秒 m s 】 v 容积 米3 【m 3 】 v 体积流量 米3 d 、i 对 m 3 h z 质量含量 j 厚度 毫米【m m l a 导热系数 瓦( 米开) 【w m l q 动力粘度 牛顿秒米2 【n s m 2 】 运动粘度 米协【m 2 s 】 p 密度 千克米3 k g m 3 】 剪应力 牛鳓米2 n m 2 体积分数 v 轮j j f 鲺7c 硫化尾i n ：咂“列管【j j 埘铽l 换热机删i ，实验埘究 相似准则名称 r 。：生生旦：雷诺准则，表征流体流动型念对对流传热的影响： p p r ：竿：普兰特准则，反映流体物性对对流传热的影响； m = h i - z t ：努塞尔准则，待定准数( 包含对流传热系数) ； = 吉 ：施米特准则，反映流体物性对对流传质的影响： 跏= ：施乌德准则，待定准数( 包含对流传质系数) ； 主要注角符号意义 b不凝结气体 c冷流体 c f 液膜表面 g气体一蒸汽混合物 一 气液界面 l 管程 f冷凝水 o壳程 v 蒸汽 w 壁面 入口 出口 v l 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申请的论文 或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 寸勿i 惫万 日期：2 必_ 7 年d 6 月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或使用学位 论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科技大学。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文瀛于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 式 不保密聒。 ( 请在以上方框内打“”) 本人签名：呻匆i 磐、才日期：2 岬年。6 月f ；日 导师签名：；立 理主日期：o = 夕年6 月哆日 青岛科技人学研究生学位论文 1 绪论 1 1 概述 随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车轮胎性能提出了更高的要求。子午线轮 胎凭其在高速行驶的平稳性、耐久性、耐磨性及外观质量方面的突出优势，越来越 受到广大用户的青睐。从世界范围来看，轮胎子午化率己达9 0 ，发达国家已达到 或接近1 0 0 川。可见，子午线轮胎在世界范围已成为轮胎工业的主流产品。但由 于子午线轮胎特别是全钢子午线轮胎结构复杂，需在高温、高压下硫化，普通的硫 化方法已不能满足子午线轮胎的硫化工艺要求。蒸汽氮气硫化方法因能显著提高 轮胎制造质量和使用性能并可大大降低硫化成本，而成为硫化子午线轮胎的普遍方 法。随着此方法的普及，氮气开始在轮胎制造工业得到普遍应用。 起初轮胎企业由于产量小，采用直接制氮方法即可满足生产的需求，后随着产 量提高，直接制氮量已不能满足需要。对此，轮胎企业一般采用从蒸汽氮气硫化 轮胎的尾气中回收氮气的方法来增大供氮量，因为氮气回收成本不到直接生产氮气 成本的1 2 。1 。可见，在原有供氮系统上中增加氮气回收系统不但可以提高供氮量， 而且可以节约设备投资成本，具有很大的经济效益。氮气回收系统中的关键设备为 冷却冷凝器，其作用是冷凝去除混合蒸汽中的水蒸汽，冷却并回收混合蒸汽中的氮 气。 然而，对于轮胎氮气硫化尾气在垂直列管内的对流冷凝换热问题，目前尚无一 套成熟而又实用的理论公式来指导设计工作，而只能通过半理论法或经验类比法进 行计算。为确保计算的可靠性，计算结果往往偏于保守，因此造成不必要的浪费。 基于此原因，北京合众创业技术有限公司提出了该研究课题，希望通过对轮胎氮气 硫化尾气在垂直列管换热器内的对流换热研究，得出混合蒸汽在垂直列管内对流冷 凝换热的实验关联准则式，建立氮气回收冷却冷凝器的数学描述，为设计高效可靠 的氮气回收冷却冷凝器提供指导。 轮胎氮气硫化尾气为高温氮气和水蒸汽的混合蒸汽，其中水蒸汽质量含量为 1 0 3 0 ，因此其换热问题的实质就是含大量不凝性气体的混合蒸汽的冷却冷凝 轮胎氮气硫化尾气在垂直列管内对流换热机理与实验研究 换热。众所周知，在电厂动力、船舶动力装置、制冷及化工过程中，冷凝器有着广 泛的应用。但在实际运行中，由于设备泄露或工质分解会产生不凝性气体，使冷凝 器换热性能降低。因此，不凝性气体对蒸汽凝结换热的影响一直是研究的熟门话题。 许多学者和科研机构对其进行了研究。但从研究对象的范围来看，主要集中在不凝 性气体或水蒸汽质量含量在1 0 o - - 1 0 范围内的混合蒸汽，对水蒸汽质量含量为中 等范围( 1 0 3 0 ) 的研究还不多，特别是含不凝性气体的混合蒸汽在垂直列管内 对流换热的研究。 因此，从传热传质学的角度对含大量不凝性气体的混合蒸汽的换热机理进行理 论和实验研究是非常必要的，它有利于深刻了解单相对流换热至纯蒸汽冷凝换热的 过度过程，并为实际的工程应用提供理论和技术指导。 综上所述，可归纳出研究本课题的意义： ( 1 ) 通过对混合蒸汽中水蒸汽冷凝换热机理的分析，得出求解冷凝换热系数的 方法，为氮气回收冷却冷凝器的设计计算提供理论指导。 ( 2 ) 通过对轮胎氮气硫化尾气在垂直列管内对流换热的实验研究和数值模拟研 究，分析影响尾气对流冷凝换热的因素，并提出行之有效的强化传热措施。 ( 3 ) 为探索和开发新型氮气回收冷却冷凝器提供指导。 1 2 凝结换热发展状况 当蒸汽与低于该蒸汽压力下饱和温度的壁面接触时，将会凝结成液体，并释放 出汽化潜热传给壁面，这一热交换过程叫做凝结换热。凝结过程的特点，从宏观上 可分为膜状凝结和珠状凝结。在工业用凝结设备中，膜状凝结是主要的凝结方式， 珠状凝结往往是不稳定的，很容易转变为膜状凝结。因此，在实际凝结设备的设计 中，常常按膜状凝结进行计算。 目前，对混合蒸汽凝结换热的研究按水蒸汽质量含量的多少大致可分为三大部 分： 纯蒸汽凝结换热 含少量不凝性气体的蒸汽凝结换热 含湿混合蒸汽凝结换热 2 许岛科披人学研究尘擘化论且： 1 9 1 6 年n u s s e l t l “前先挺f f 了纯蕉汽坛流膜状凝结理论， 数的思路，并挺：l j 了著名的理论解公式： - 9 4 3 互鱼r 锄a t 式中： 岛液体密度，k g m 3 ； 一液体动力粘度，n s m 2 ； 提出了求解液膜换热系 五液体导热系数，w m ； i - 一汽化满热，山饱和温度气查取。k j k g ： g 一重力加速度，m s 2 ； 卜一竖壁高度，m ：一 a t 蒸汽饱和温度与壁面温度之差。 但是这罩有一些假设条件n ，： ( 1 ) 蒸汽处于饱和状态，凝结时，放出的热量仅仅为汽化潜热。 ( 2 ) 凝结液膜的流动状态是层流，通过液膜的传热仅仅依靠导热。 ( 3 ) 忽略液膜表面和蒸汽之间的摩擦所引起的切应力。 ( 4 ) 液膜流速沿液膜截面呈抛物线形分布，液膜温度沿厚度方向呈直线形变化且 壁面温度恒定。并具有恒定的物性值。 ( 5 ) 以液膜的平均温度为定性温度。 n u s s e l t 的理论分析可推广到水平管层流膜状凝结，n u s s e | t 本人用图解积分法得 出了水平管外凝结换热的求解结果。随着计算机技术和边界层理论的发展，各国学 者继续对凝结换热的问题进行了研究和不断探索，对n u s s e l t 提出的理论公式进行了 各种修正。针对不同形状，不同类型的凝结换热问题进行了大量实验研究工作，得 出了许多在工程上行之有效的关联准则式。 1 9 7 8 年，m m s h a h “3 综合了水、f r e o n 、甲醇、乙醇、苯、甲苯和三氯乙烯等工 业蒸汽在管内凝结换热的实验数据( 共4 7 4 个实验点) ，得出了一个适用于水平管、 3 轮胎氰7c r 矗化j 7 【n 睢a 州竹内时谢l 换热机耻j 填验州究 峨符和倾斜管的竹内凝结换热的综合关系式： 全j ： i f 凝结时： 肋r p r 0 4 卜+ 器l 部分凝结时： 心咖“l ( 1 - x ) 。 a + 3 8 x 。 7 6 ( i - x ) “。4 ( 扩 。， 式中：j 蒸汽中不凝性气体的质鲢含气率( 干度) 上式适用范围足：蒸汽入口速度3 3 0 0 m s ，蒸汽温度2 1 3 1 0 c ，凝结液的 p r = l 一1 3 ，蒸汽质量流速3 9 0 0 0 7 5 8 0 0 0 k g ( m 2 h ) ，热流密度1 5 8 - 1 8 9 0 0 0 0 w m 2 。雷 诺数1 0 0 - 6 3 0 0 0 。在上述范围内，式( 1 - 3 ) 与4 7 4 个数据点比较，平均误差为1 5 4 。 r e i n e rn u m e r i c a l 和r o l fr e n n h a c k “研究了壁面j ：f i 糙度的冷凝换热系数，通过 对摩擦系数缶的修f ，实验结果误差在2 0 。 一 在凝结换热的理论方面，许多学者应用边界层方法和数值计算方法，考虑液膜 壁面温度非均匀性温度分布，气、液界面剪切力、蒸汽过热、界面热阻、凝结壁面 温度非均匀性、变物性、蒸汽热力学不平衡以及液膜的湍流等因素，对凝结换热进 行了深入的研究。b r o m l e y ”1 修j 下了n u s s e l t 模型中温度的线性分布假定，充分考虑 了液膜过冷凝结换热的影响。r o h s e n o w ”1 则采用了修j 下潜热的方法。d e n n y ”1 用数值 计算法对非均匀壁温条件下的凝结问题进行了研究。 1 2 2 含少量不凝性气体蒸汽凝结换热 在实际生产中，如在石油化工厂中，经常会遇到不同比例的蒸汽和不凝性气体 混合物的凝结一冷却过程，这一过程是出蒸汽的凝结和不凝性气体的冷却共同组成 的。由于该问题应用广泛以及机理复杂，因而得到了广泛和深入的研究。蒸汽中存 在不凝性气体时，蒸汽必须克服不凝性气体膜层产生的传质阻力才能接近冷凝表面， 该传质阻力使蒸汽一不凝气体混合物的温度朝冷凝表面的方向不断降低，从而在混 合气体膜层内引起气膜热阻。因此，与纯饱和蒸汽凝结换热相比，含不凝性气体的 蒸汽冷凝换热的热阻，除包括液膜热阻和界面热阻外，还包括气膜热阻；而且气膜 热阻往往是含不凝性气体的蒸汽冷凝换热的主要热阻，正是气膜热阻使凝结换热率 4 青岛科投人学圳究乍学化论义 和蒸汽侧冷凝换热系数都明谚f 降，如罔1 - 1 和阁1 2 所示。实验表l j 月，肖水蒸汽 巾含有1 体移 的不凝气体时，冷凝换热系数将f 降6 0 “，这就足由于气膜构成了 凝结换热的主要热阻，使换热系数大大降低。 幽卜i 纯饱和蒸汽凝结时的温度分布 f i g1 - 1t e m p e r a t u r ec u r v co f s a t u r a t e dv a p o rc o n d e n s a t i o n 图卜2 含有不凝结气体的蒸汽凝结时的温度分布 f i 9 1 - 2t e m p e r a t u r ec u i v eo fg a sm i x t u r ec o n d e n s a t i o n c o l b u m 和h o u g e n 1 首先提出把凝结换热问题化为对液膜和气膜两个边界层分 别研究的方法，把液膜和气膜视为两项热阻加以研究，并得到了传热平衡关系式： k a t = & ( t i t c ) = h g ( f g f 1 ) + k o l ( p g p 3 ( 1 - 4 ) 式中： k 总传热系数，w ( m 2 l ； 传质系数，l g ( m 2 s p a ) ； 液体表面到冷却剂的总传热系数，w ( m 2 ) ： 气相传热系数，w ( m 2 ) ： 5 轮腑氰7c 硫化尼【“，哐a 列管内时流换热机胖j 实验圳究 只液体表旺玎蒸汽的分压力，p a ： 只气相 体蒸汽的分压力，p a ： 工二汽化满热，i d k g ： l 相界面温度，； l 。主流气体温度，； l 冷却刺温度，： 此后a k e r s 通过实验得出了包括k g 在内的关联准则式，为估计气桐热阻提供了 方法。s p a r r o w “2 1 对含不凝性气体的过热问题进行了理论研究，认为由于温差、浓度 差的作用，在液膜附近形成了自然对流现象。d e n n y “”用离散化方法把描述液膜凝 结问题的偏微分方程组化为一维线性方程组进行求解。w cl e e 和j wr o s e l 1 对含 不凝性气体的水蒸汽在水平管外凝结换热问题进行了实验研究，并整理出相应的关 联准则式。由于混合工质凝结换热机理与含不凝性气体的蒸汽凝结换热机理有许多 相似之处，所以这些研究为以后含不凝性气体蒸汽凝结换热奠定了一定的理论基础。 1 2 3 含湿混合气体换热研究 1 2 3 1 湿空气冷凝 由于最初研究含不凝气体的蒸汽冷凝是冷凝器在压力较低的情况下，空气泄露 所造成的冷凝器效率降低的问题，所以前人研究的不凝性气体含量一般低于5 。 当不凝性气体含量较高时，随着蒸汽在壁面上不断凝结，气相主体中的蒸汽浓度不 断降低，为达到新条件下的体系平衡，混合气体必须释放出部分显热，当不凝性气 体含量很高时，这部分显热量占总传热量的主要部分，而蒸汽凝结潜热仅占次要位 置。 湿空气在垂直壁面上冷却过程并伴有凝结现象，也就是高浓度不凝组分蒸汽冷 凝过程。因蒸汽含量远小于空气的含量，湿空气冷却冷凝的换热系数与单相对流换 热系数接近。l e r c o n e y 和c g w s h e p p e r d “”从理论上分析了潮湿空气在矩形垂直 翅片上的冷凝过程及影响因素。如果空气的相对湿度一定而干球温度升高，也就是 空气中水蒸汽含量增加，则界面上冷凝的分子会增多，液膜层会增厚，冷凝侧传热 6 芹岛科拙人学研究生学化沦史 系数得到捉高。另外，e 流速度的增加会提高冷廿j 、冷凝传热系数。 a k i l a i s a n t i “等人对泓窄( 泓空t 中水燕汽质艟百分含量可达2 0 ) 垂直冲刷立 箭表l n i 的传质、传热过利进行了实验研究。d 动蔚和能量方程可求得液膜厚度和液 膜中的温度分布： 篝l b = 雩岁 s ， ! l 二生：! 堕竖二! ! 型 f 1 _ ；、 一f w 1 + 2 么l 皖= 0 7 ( 1 - 6 ) 用这种方法求出的= o 0 5 4 m m ，( f - t ) ( f 6 一f 。) = o 0 2 8 a k i r al s a n t i 等人总结实验数掘得到下列关联式： s h = 0 1 4 + 0 5 3 r e 抛( 1 0 r e 7 1 0 2 、 s h = 0 5 1 r e l 履相0 0 0 8 6 r e ( 7 x 1 0 2 一2 5 9 k g 干空气，u = o 5 - - 4 m s 时：传质的影响是主要的；如果d = 2 0 2 9 k g 干空气，“= 0 5 - - 4 m s 时，传质在整个传热过程中占到约9 0 。其中d 是空气含湿量， ”是空气流速。可见湿空气的冷凝换热是不同于含少量不凝气体蒸汽冷凝情况。 1 。2 3 2 含大量不凝性气体的蒸汽的冷凝换热研究 含大量不凝性气体的蒸汽的冷凝换热既不同于纯蒸汽冷凝换热，也不同于含少 量不凝气体的蒸汽冷凝换热。其物理模型可认为是具有冷凝的单相对流换热，即在 单相对流换热的基础上考虑传热传质因子的影响。文献“”利用修正了的混合气体膜 膜型和n u s s e l t 凝结理论，研究了含有水蒸汽含量为8 2 0 的混合气体中水蒸汽凝结 对换热机理，并得到了理论解；文献”通过实验，研究了氮气质量分数在l 1 0 范 围内的混合蒸汽在垂直圆管内表面冷凝换热的冷凝换热规律，得出了含不凝性气体 的蒸汽的n u s s e l t 准则方程 n u = 0 0 0 4 6 7 ( p r 0 6 1 7 9 ( 6 2 4 5 _ e 6 a 3 7 x ) 0 一曲( 1 - 7 ) 轮j 】f 鲺c 硫化j 【n ：扛“州竹内时流换热扫【胖j 蛮验州究 式中： p r 冷凝液的普兰特数； k 冷凝液特征参数； s l 冷凝液的斯世i 登数； x 蒸汽干度。 文献”1 在较宽的加湿热空气温度( 1 0 0 2 0 0 ) 和水蒸气体积分数( 4 1 6 ) 范围内，研究了烟气中冷凝液量的生成规律，由实验数据进行多元线性回归分析，提 出了一个新的计算冷凝液量的经验关系式。 肌：0 1 1 r e p r - c o - 五鱼二! ! 型( 1 - 8 ) ， 式中： m 单位时阿产生的冷凝液量，k g s ； t s 水蒸气的平均饱和温度， 换热器进口处水蒸气所占加湿热空气的体积分数，； 加湿热空气的导热系数，k w ( m ) ； n 管排数； d 换热管外径，m ； r e 、p r 一加湿热空气的参数，定性温度取平均温度，定性尺寸为管子的外径。 文献8 ”将显热换热和潜热换热看成一个整体的换热过程，根据c o l b u m h o u g e n 模型的假设条件和结论进行因次分析，建立了一个新的准则数： l n ：鱼5 丝) 二尘( 1 9 ) t 。一f ， 式中该准则数的分子是对应于水蒸汽分压力的饱和温度f 。( 。) 与壁面温度f 。的差值， 分母是混合气体的主流温度f 。与壁面温度f ，的差值；对实验数据进行多元回归得 到混合气体横向冲刷单排管束的复合换热准则关系式： n u = o 1 8 2 3 r e o ”p r l 7 3 l n “”1 5 ( 1 - 1 0 ) 本课题研究的是轮胎氮气硫化尾气在垂直列管内的对流冷却冷凝换热问题。尾 气由高温氮气和水蒸汽组成，水蒸汽的质量百分含量在1 0 。3 0 之间。因此该研究 8 青岛 ： 技人学州究牛学化论史 课题为属含大罱不凝性气体的混合蒸汽冷凝换热问题。在该方面，李孝萍”研究了 水蒸气含量在8 2 8 之问的锅炉烟气的在垂直套管内的冷凝换热机理，并通过实验 得出了垂直套管内烟气冷凝换热的关系式，但关系式能否适用于氮气回收冷却冷凝 器的设计计算还有待验证。 1 3 冷却冷凝器设计研究发展状况 在冷却冷凝器中，由于同时进行着传热和传质过程。因而使得设计计算变得比 较复杂。此外，饱和蒸汽压和温度之日j 的非线性关系也使得计算过程更加团难。 在冷却冷凝器的设计方面，水品”及其同事提出了图解法的设计思路通过与 实验值的比较，换热面积的计算误差在1 0 以内。该方法不仅可以计算冷却冷凝 器的表面积，而且可以描绘设备中气体状念的变化，然而，该方法仅适用于稀薄混 合物。当用于浓混合物时，应做修j 下。 水品等还提出了一个计算费时少且可得到相当精确结果的简化计算方法一 “三点法”1 ，该方法除可应用于含不凝性气体的蒸汽冷凝冷却器的设计外，还可 应用于气体一多组分蒸汽系统。该方法假定了一个虚拟的中间点。在该点上，气体 温度、各种蒸汽组分的流量和冷却水的温度是气体入口和出口参数的算术平均值。 并在入1 ：3 、中间点、出口三点上，分别应用c o l b u m h o u g e n 热平衡方程式( 卜4 ) 进行计算。应用该方法计算的换热面积与实验值进行比较的结果表明，对空气一水、 空气一苯、空气一甲苯、空气一甲醇、空气一氯仿等混合物，计算误差为 + 1 3 一- - 6 。 为了提高计算速度和精度，人们往往采用计算机来完成复杂的设计工作。通过 对冷却冷凝器的数值模拟技术，可以快速、精确、经济地确定换热器的稳态与瞬态 特性。稳态的结论主要用于确定设备的结构与尺寸。瞬态的结论除可以帮助了解流 体的温度分布及换热效率外，还可以确定压降和问质结构的热应力，并可求得蒸汽 的凝结率等。利用模拟技术还可很容易地确定设备对进入流体的流量及( 或) 温度 变化的瞬态相应。 在确定冷凝冷却器的数学模型时，可以采用多种改进了的方法。然而，这些模 型必须满足物理定律，即所谓的流体的质量守恒、动量与能量守恒定律以及换热器 9 轮胎氰7c 硫化尾i n 睡a 列竹内时洫换热射【胖填= j 龟州宄 问质f f j 能壤守恒定律等。如果这韭孥关系j f j 微分彤式米表示u 丁以得到均f ：线性偏微 分方程组。通常要做一些假定以使方程简化到能够处理的程度，然后采川解析或数 值的方法求得它们的解。特勒一拉森“”介纠了其中的”。些方法。文献”“从传热传质 的观点，建：立了硫酸烟气冷却冷凝器的准确设计方法，编写了适 j 于硫酸冷凝器设 计的x z q 一3 冷凝器设计程序。文献1 建立了湿烟气在三维流通内气体流动及传热 的微分方程，并提出了具体的求解方法。 本课题应用修j 下的膜模型理论和n u s s e l t 凝结理论，通过对实验数据的拟合分 析，寻求求解混合蒸汽在垂直列管内对流传热的关联准则式的方法，建立氮气凹收 冷却冷凝器的数学描述。在此基础上，编写氮气回收冷却冷凝器的设计计算软件， 为实际的工程设计提供指导。 1 4 研究冷凝传热速率的一般方法 对于纯蒸汽的冷凝换热，n u s s e l t 已给出了经典的计算方法。对于不同条件下的 纯蒸汽冷凝，可以对n u s s e l t 理论进行修正求解。对于计算水蒸汽一不凝性气体混合 物冷凝总传热速率的方法，目前主要有：双膜理论法、气相热阻法和边界层法。 1 4 1 双膜理论法 双膜理论出w k l e w i s 和w g w h i t m a n “”在上世纪二十年代提出，是最早出现 的传质理论。双膜理论基于双膜模型，它把复杂的对流传质过程描述为溶质以分子 扩散形式通过两个串联的有效膜，认为扩散所遇到的阻力等于实际存在的对流传质 阻力。其模型如图1 - 3 所示。主要的论点和假设有： ( 1 ) 相互接触的气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧分别存在着稳定的 气膜和液膜。膜内流体流动状态为层流，溶质a 以分子扩散方式通过气膜和液膜， 由气相主体传递到液相主体。 ( 2 ) 相界面处，气液两相达到相平衡，界面处无扩散阻力。 ( 3 ) 在气膜和液膜以外的气液主体中，由于流体的充分湍动，溶质a 的浓度均 匀，溶质主要以涡流扩散的形式传质。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 气相液 膜界膜 图1 - 3 双膜理论示意图 f i g1 - 3s b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f d o u b l e - f i l mt h e o r y 1 9 3 4 年，c o l b u m 和h o u g e n “以双膜理论为基础，提出了一种估算“饱和蒸汽 一空气”混合气部分冷凝所需要的表面积方法，从而为设计该类冷凝器提供了计算 依据。 q g q z 图卜4c o l b u r n - h o u g e n 模型不恿图 f i g1 - 4s b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f c o l b u m - h o u g e nm o d e l 他们的模型见图卜4 。通过壁的热通量g 由两部分所组成，即冷却气体的热通量 如和界面上由于蒸汽凝结放出的热通量卿 g = g g + q ( 1 - 1 1 ) 通过壁的热通量可以写成： g = ( f 一) ( 1 - 1 2 ) 式中： f ；液膜表面温度，； 轮胎氮气硫化尾气在垂直列管内对流换热机理o j 实验研究 l 冷却剂温度，； 。液体表面到冷却剂的总传热系数，w ( m 2 - ) ； 利用下式，可计算出所需面积。 一：f 塑( 1 - 1 3 ) 。q 按照他们的处理，由于冷凝器的各个固定点上通过液膜层、金属壁面以及冷却 水层流底层的单位热流率是相等的。而通过液膜层的热流率由混合气体冷却释放的 显热和蒸汽分子扩散到冷凝液膜表面冷凝所释放的潜热两部分组成，同时总的热流 率可由总传热系数k 和气相与冷却水的温度差得到，于是有： k a t = h ( 一t w ) = h g ( f g t i ) + l k c ( p g 一只) ( 1 1 4 ) 式( 卜1 4 ) 中各符号意义详见公式( 卜4 ) ： 式( 卜1 4 ) 中h g ，k g 和k 可通过文献4 矧确定，另外蒸汽的分压力和冷却水 温度也可测得。由于只与t 。存在一对应关系，可通过试算法求得液膜表面处的毋和 f ja c o l b u m 和h o u g e n 方法是目前广泛应用的方法之一，但是此原始的双膜理论并 没有考虑下列问题： ( 1 ) 传质过程对冷凝过程产生的影响。 ( 2 ) 实际的相界面在流速较高的情况下会形成波纹状。 ( 3 ) 相界面处不是严格的热力学平衡状态。 ( 4 ) 冷凝过程中物性随温度和压力的变化而变化。 针对这些问题，以后许多学者从改进最原始的双膜理论假设着手，提出了更完 善的、适合于各种具体过程的双膜模型和计算方法。o w e n 旧1 等人对多组分气体在垂 直管内冷凝的实验研究表明，当进口气体雷诺数r e 小于4 x 1 0 4 时，可以不考虑液膜 表面波动的影响。并得出了一些重要结论，由于传质的影响传热系数需修正，传质 的计算可使用传热与传质类似的方法。a c b a n n w a r t 和a b o n t e m p s 在文献1 中对膜 理论中滞流膜层稳定的假设作了修正，认为在湍流流动时。粘性底层的厚度是不断 哥岛科技人学研究生学位论上 变化的，它矗接影响剑滞流坛速度分布，l 大l f l j 必定影响热璜、质城的1 递过程。 h j h b r o u w c r s 。”1 和a k c h e s t e r s ”研究神：气膜或主流中，因二元混合物发生过 饱和形态雾膜封冷凝传热、传质过程的影响时，应用双膜理论并加以改进得到了雾 膜结构模型，提出了有效的计算方法。 1 4 2 气相热阻法 在多组分冷凝方面，b e l l 和c h a l y “”等人提出了气相热阻法。把传质的影响概括 在气相热阻中，不必直接计算传质过程。多组分混合物冷凝与单组分介质冷凝的不 同之处是多了一个气相热阻，多组分混合物冷凝的总热阻由液膜热阻和气相热阻两 部分构成，液膜热阻可按单组分介质冷凝传热模型处理，气相热阻采用“冷凝曲线 法”求得。这种方法简单，不需要扩散数据，便于工程设计应用，缺点是准确度不 高，原因是忽略了气相中传质扩散的影响。 b e l l 和c h a l y 在计算中作了一些假设：气相传热系数是气相在系统中单独流动时 的换热系数，不计凝结层上界面波动的影响：气相传热系数没有计及传质的影响。 这样，传热速率方程可根据不同的推动力写成不同的表达式。 总的热流密度可定义为： q：dq(1-15) q 2 出 气体显热换热的热流密度为： 旷孥( 1 - 1 6 ) 吼2 才 由式( 1 - 1 5 ) 和( 1 1 6 ) 可得： 一q g ：堕 ( 1 - 1 7 ) q勉 如果假定传入凝结层的所有热量均匀通过全体凝结层，则有： q = 啊( f 。一f ，) ( 1 1 8 ) 吼= h s 以一) ( 1 - 1 9 ) 式中： 轮腑氰7c 硫化圮【n ：一止l l 州竹内埘洫挟热机删j 实验”究 h i 是凝结层的传热系数： h g 是气桐的传热系数； 从式( 1 1 8 ) 和( 1 1 9 ) 消七f 有： 。2 击。一一f - ， h iqh f 于是得出等效凝结层传热系数为 ， 1 k 。丁瓦t h tqh j ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) ( 1 - 2 2 ) 比值q ，肠通常写成z ，b c l l - - - c h a l y 法提出采用“冷凝曲线”法来求z ，而混合 蒸汽的冷凝曲线可用平衡温度和热量的关系来表示。在分段计算局部冷凝传热膜系 数时，可以用局部的显热换热量与局部的总换热量之比来求得局部的z 值。 由于b g l l - - g h a l y 法基于平衡冷凝曲线，即认为在气相主体温度下气液相组成达 到平衡。然而实际中并不可能达到平衡，因此采用平衡冷凝曲线会带来一定的误差。 另一方面，b e l l - - - g h a l y 法中假设气相显热以对流方式从气相主体传递到相界面上， 故用单相对流传热膜系数计算式来计算气相的显热传热膜系数，然而实际的气相显 热传递由于受到气膜两侧传质的影响，而且冷凝液面的波动状况也会对它有影响， 因此与单相的对流换热并不是完全符合，鉴于此采用一个界面增强因子g ，来修i f 液 面波动对抉热的影响，但这种修f 不可能把所有的影响因素全面考虑，因此也可能 带来一定的误差。再者，在液膜热阻的计算中，计算混合物物性采用的状态方程、 气液相焓的计算以及迁移性质的计算等也会带来一定的误差。如果具备相平衡数据， 亦可通过热平衡法1 求z 。思勤、黄风廉、黄鸿鼎1 在上述研究的基础上，用庚烷 一己烷和庚烷一己烷一氮气在水平管内进行冷凝实验，发现用他们所提出的计算方 法得到的计算值普遍低，大多数点低1 0 2 0 ，少数点达3 5 4 0 ，这表明，用气 相热阻法对水平管内多组分冷凝进行计算有一定的工程设计价值，但精度不够，需 青岛科技人学咒生学位论义 要进步改进。 1 4 3 边界层法 如果知道液膜附近t 媵中的温度分郁和浓度分布，混合气体向界面传热的总传 热速率就可求出。通过混合气体流动的动量方程和能量方程，运用相似变换求得液 膜附近气膜中的勰度分，竹i 和浓度分布，这种求解方法为边界层法。s p a r r o w 在文献“1 中利用边界层法求解了混合气体处于层流时的总传热速率，但没有考虑混合气体中 自然对流的影响。s p a r r o w 在文献”7 中考虑了混合气体自然对流的影响，在求解过程 中除浮力项中密度外其余项为常物性。m o n k o w y c z 1 在应用边界层理论求解相似解 的过程中，考虑了扩散的作用和温度的影响。在层流状态下，边界层微分方程通过 相似变换可变成常微分方程，因此可以获得相似解。当液膜界面处的混合气体的流 动处于湍流状态时，温度分布和浓度分布的求解变得非常困难。因此，边界层法在 应用上受到了限制。当液膜界面处的混合气体的流动处于湍流状态时，温度分布和 浓度分布的求解将变得非常困难。而且s p r r o w 在文献。7 1 中提到在求解过程中，重要 的难题是数值求解需要大量计算和数小时以上的迭代时白j 。因此到目前为止，边界 层法仅限于计算气体一水蒸汽混合气体与几何形态较为简单的传热面之白j 传热的总 传热速率，在应用上受到了限制。 文献1 介绍了含有不凝性气体水蒸汽在竖直平板上向下冷凝的情况，并假设除 方程( 1 - 2 4 ) 浮力项中密度外，混合气体为常物性。边界层内连续方程、动量方程 和扩散方程分别是： 丝+ 堡：0 ( 1 2 3 ) 良咖 ”罢+ v 考= g ( 1 - 告) + v 矿0 2 u 仆2 4 ， “警+ v 婴= 。罂c，-25)03,oy饿 选择合适的速度和浓度曲线，且两边界层厚度相同： = 。1 - 吾 2 + “考( 1 一詈) 2 c ，- 2 6 ， 轮胎议7c 硫化j 己7c ( i 幔“州竹内时洫换热机删。j 实验州究 器= ( - 一考 2一虬l 占， 通过边界条什用1 4 i 凝7e 体1 i 通过7e 液界嘶嘴点，得到积分方程： 丢( j 触) o _ o j l a tj 一彬f 砌= 。 丢( 占胁) + 等等( 孰= 。 其中 ，：兰 j ，= w w 工： 丝! 二竺! 一 m s m 。哪s m ， 通过上面假设的曲线可求出方程的解，具体可见文献1 。 1 5 本课题研究的主要任务 ( 1 ) 研究轮胎氮气硫化尾气在垂直列管内对流冷凝换热过程的机理，找出换热过 程的特征，在修j 下的膜模型理论基础上建立合适的传热传质模型。 ( 2 ) 以含大量不凝性气体的混合蒸汽( 水蒸汽质量含量为1 0 - 3 0 ) 为研究对象， 分析水蒸汽冷凝过程，以双膜理论模型为基础计算冷却冷凝换热系数及液膜厚度。 ( 3 ) 通过实验手段，研究轮胎氮气硫化尾气在垂直列管内对流冷凝换热的规律； 通过对实验数据处理，得出有指导意义的实验关联准则式。探讨换热过程中影响传 热传质的因素，了解对流显热与凝结换热的关系以及对总换热的贡献。 ( 4 ) 研究氮气回收冷却冷凝器的模拟计算方法，编写氮气回收冷却冷凝器的设计 计算软件。分析影响氮气回收冷却冷凝器对流换热的因素，并给