接触式烟气冷凝换热器的换热性能.pdf

暖通空调hv&ac 2014年第44卷第期 接触式烟气冷凝换热器的 换热性能 清华大学 刘 华 周 贤 付 林 摘要 通过求解烟气与水表面之间的热质交换基本方程， 得出了烟气与水换热的解析解， 并分析了接触式烟气与水处理过程热质交换性能的影响因素。结果表明， 烟气与水换热效率 的主要影响因素是水气比、 换热器高度、 喷水雾化粒径， 而烟气流速的影响相对较小。搭建了 锅炉烟气余热回收实验台， 验证了理论计算结果的正确性。 关键词 烟气 冷凝 余热回收 直接接触 水气比 换热效率 实验 heat transfer performance of direct - contact flue - gas condensation heat exchanger by liu hua ，zhou xian and fu lin abstract based on the analytical solution of heat - mass transfer fundamental formula between flue -gas and water surface，analyses the keyinfluencingfactors on heat transfer efficiencyof flue -gas and water the results show that the main influencingfactors are the water -gas ratio，height of heat exchanger and sprayed water droplet diameterhowever，velocityofgas influences less sets uptheperformance test - bed for boiler flue -gas heat recovery，and verifies the results of theoretical calculation keywords flue -gas，condensation，heat recovery，direct - contact，water -gas ratio，heat transfer efficiency，experiment ysinghua university，beijing，china 北京市科技计划课题项目（ 编号：） 引言 在能源结构调整、 环境质量与节能减排日益受 到重视的今天， 天然气作为一种清洁能源， 在供热用 能结构中的比例正在逐年增加。研究发现， 目前燃 气供热方式的最大能量损失是烟气余热排放， 其中 燃气锅炉通过烟气排放的热量占燃气总热能的 以上， 燃气热电厂排放热量占总热能左右。 因而在烟气余热回收方面存在巨大的节能潜力。 国内外学者做了大量的关于烟气余热回收的理 论和实验研究。文献 采用间壁式换热器研究了 烟气冷凝换热器的冷凝机理并通过实验总结了换热 准则方程式， 在 的锅炉回水条件下， 该换 热器可以提高锅炉效率左右。由于锅炉烟气冷 凝液呈酸性， 解决换热器的防腐问题成为目前冷凝 换热器研究的主要方向之一。文献 开发了新型 防腐镀膜烟气冷凝换热器， 取得了较好的应用效果。 文献 采用直接接触式换热器回收锅炉烟气余 热， 减少了烟气换热器的金属面， 降低了换热器的防 腐成本， 提高了换热效率。 对锅炉而言， 烟气冷凝温度在 以下， 只有 被加热介质温度低于 才能回收烟气中的冷凝 热， 在 时才能取得较好的热回收效果， 但 是在我国的集中供热领域， 热网回水温度一般在 以上， 因此不能充分回收烟气冷凝热。清华大学 付林等人提出了一种基于吸收式热泵的直接接触式 烟气冷凝余热回收供热系统。该系统的特点是采用 热泵方式产生较低温度的冷水， 通过直接接触式烟 气冷凝换热器回收烟气的冷凝热用于热网的供热。 本文针对上述热泵型烟气余热回收供热系统， 刘华， 男，年月生， 博士研究生， 高级工程师 清华大学建筑学院节能楼室 （） - ： 收稿日期： 暖通空调hv& ac 0年第卷第期设备开发 研究系统中直接接触式烟气冷凝换热器的换热特 性。通过求解烟气与水表面之间的热质交换基本方 程， 得出烟气与水换热效率的解析解， 分析直接接触 式烟气冷凝换热器的影响因素， 通过实验进行验证。 基本原理 烟气 水接触式换热器的换热过程是典型的热 烟气流经湿表面的传热传质过程。目前对于同时 进行传热传质过程的理论计算， 一般都是根据薄膜 理论模型 ， 即假设烟气与水之间的热质交换是通 过一层很薄的饱和烟气层进行的， 紧贴水滴的烟气 薄膜层是静止的， 传质过程以分子扩散形式通过这 一薄层， 对流传质的全部阻力都集中在这一薄层 内。这个换热过程包含着流体的热量和质量传递 过程，个过程彼此相关， 并满足路易斯准则， 即： 传热系数与传质系数之间保持着一定的量值关系， 当条件变化时， 可使这个系数中的个随着另 个的变化而相应变化。 烟气与水表面之间的热质交换基本方程求解 热质交换基本方程的推导及求解基于以下 个条件： 第一， 采用膜模型； 第二， 烟气与水表面之 间的传质速率比较小， 因此可以不考虑传质对传热 的影响； 第三， 路易斯准则成立。并且作如下设定： ）液滴为球形， 其半径为r， 液滴在系统内均匀分 布；）紧贴水滴的烟气层为温度等于水滴温度 （ t） 的饱和湿烟气， 其比焓为h；）水滴的表面传 热系数可用下式计算。 nud re dr （ ） 式中 nu为努塞尔数；d为液滴直径；red为雷 诺数；r为普朗特数。 逆流式烟气 水换热器简化模型如图所示， 图 烟气 水换热器简化模型 假定换热器宽度为l， 换热器内气水换热的高度为 ， 水的进出口温度分别为t和t， 烟气的进出 口湿球温度分别为t和t。 根据膜模型理论， 焓差为总的推动力， 可以得 到烟气失去的热量q为 qnak（hh）ly （） 水温升高得到的热量q为 qcmt （） 气水能量平衡方程为 cm t y m h y （） 边界条件： y，tt；y，tt。 式（）（） 中 n为液滴分布密度， 粒 ；a 为单粒水滴表面积， 粒； k为焓差传质系数， （） ； h，h分别为烟气的比焓和紧贴液滴气 液交界处水滴温度下饱和烟气的比焓， ；c 为水的比热容， （ ） ； m为水的流量， ；m为烟气的流量， 。 由水和烟气处理过程仅考虑烟气侧温度变化 的通用换热效率的定义式 ， 经推导， 对逆流式 喷水室均有 m c mc tt t （ccm m ）ntu cm m（ cc m m ） 烄 烆 烌 烎 ct ccm m 烄 烆 烌 烎 （ c cm m ntu） （ccm m ）ntu cm m（ cc m m ） （ c cm m ）ntu 烅 烄 烆 烍 烌 烎 （） 式（） 分析表明， 换热效率可以总结成如下 影响因素关系式： （ m m ， v ， r， v， t，t） （） 式中 v为水的流速， v为烟气流速。 研究表明， m m ， v ， v 越大， r越小， 越有利 于的提高。 影响换热效率的因素 水气比 如图所示， 水气比r增加， 效率提高。相同 （） 刘 华， 等： 接触式烟气冷凝换热器的换热性能 图 水气比r对换热效率的影响 的水气比下， 粒径对换热效率的影响较大， 粒径越 小， 换热效率越高。粒径小于 、 水气比大 于时对换热效率已经无明显影响。 换热器高度 如图所示， 换热器高度的影响主要表现 在烟气 水换热的接触时间上， 高度越高， 烟气和水 换热的接触时间越长， 换热越充分。达到同样的换 热效率， 水滴不同粒径对换热器高度的要求是不同 图 换热器高度对换热效率的影响 的， 粒径越小， 雾化程度越高， 所需要的换热器的高 度越小， 当水滴的平均粒径为 以下时， 换 热器高度为 即可达到的换热效率。 水滴粒径r 如图所示， 水滴粒径对于烟气 水换热效率 的影响极大。在其他条件不变的情况下， 粒径越 小， 换热效率越高， 这主要是由于粒径小， 雾化程度 图 水滴粒径r对换热效率的影响 高， 单位体积内换热面积大， 有利于换热效率的提 高。 烟气流速v 如图所示， 烟气的流速虽然可以提高换热效 率， 但是对换热效率的提高非常有限， 远不及水气 比对换热效率的影响， 因此， 烟气流速更多影响换 热器的截面面积和外形尺寸， 增加烟气流速可以降 低换热器的初投资。但是烟气流速增加会增大系 统的阻力， 增加系统的运行成本， 因此需要权衡利 弊来选择一个经济流速。 图 烟气流速v对换热效率的影响 直接接触式烟气冷凝换热器性能实验分析 为了更好地分析各种因素对直接接触式烟气 冷凝换热器效率的影响， 验证上述理论公式的正确 性， 进行了实验台的搭建和大量的实验， 对烟气 水 接触式换热效率的计算结果和实验结果进行了比 较。接触式换热器的结构示意图见图， 换热器采 用钢架和有机玻璃结构， 其主要部件包括水箱、 烟 气均流板、 喷嘴布液装置、 防雾器等， 该实验台装置 详细情况见文献 。 实验采用 燃气热水锅炉作为烟气发生 源， 锅炉型号为 ， 锅炉 排烟温度为 ， 过量空气系数为 ， 该实验台 暖通空调hv& ac 0年第卷第期设备开发 图 接触式换热器的结构示意图 设计仅回收的锅炉烟气量， 设计烟气量 ， 烟气余热回收量 。喷嘴采用了雾 化程度较好的实心喷嘴。 图为烟气 水换热效率实验数据与理论计算 值的比较， 两者之间的误差在左右。从图中可 图 换热效率实验值与计算值的比较 以看出， 喷水量的增加会大幅提高烟气 水的换热 效率， 烟气 水的水气比为时， 换热效率可以达 到极值， 水气比大于后， 换热效率不可能 再增加。从另一角度也说明， 烟气 水的换热过程 不可能使烟气达到理论上的冷水的喷水温度， 仅能 无限地接近冷水温度； 或者说烟气被冷水冷却后的 相对湿度不能达到饱和， 仅能达到左右， 接近 喷水温度饱和状态。 图为烟气侧进出口湿球温差以及冷水进出 口温差与水气比之间的关系， 两者的相关性较好， 烟气的误差在以内， 水的误差在以内。从 图中可以看出， 水气比越大， 被冷却的烟气温差越 大， 也就是烟气出口温度越低。同时水被烟气加热 后温度升高， 温升随水气比的增加而减少。水气比 图 烟气 水温差的实验值与计算值的比较 越大， 水的温升越小， 水的平均温度越低， 增加了水 与烟气之间的传热温差， 有利于气水换热效率的提 高。同时也可看出， 水气比小于时， 烟气 水的 温度变化较剧烈， 而大于时， 温度变化趋于缓 和。即水气比在大于后， 增加喷水量对烟气温 度的降低增益不大。如果单从水被加热的角度来 看， 水气比较小时， 水被加热的温升较大， 但是水温 差有极限值， 从计算曲线来看， 水能够被加热的最 大温差为 ， 而从实验数据看， 水能够被加热的 最大温差为 。 结语 本文求解了烟气与水表面之间的热质交换基 本方程， 并分析了各种因素对接触式烟气水处理过 程热质交换性能的影响。搭建了锅炉烟气余热回 收实验台， 通过实验数据和理论计算结果的对比， 部分验证了理论计算结果的正确性。理论方面， 还 需进一步研究烟气 水直接接触热质交换的其他影 响因素， 比如烟气成分、 粒径分布、 喷水密度等； 实 践方面， 还需研究烟气 水直接接触换热器的设计 选型及系统集成的问题。 参考文献： 贾力， 孙金栋， 李孝萍湿烟气冷凝换热研究北 京建筑工程学院学报，（） ： 王随林， 刘贵昌， 温治， 等新型防腐镀膜烟气冷凝换 热器换热实验研究暖通空调，（） ： 康子晋， 郑蕾， 赵钦新直接接触换热热水锅炉原理 及应用节能技术，（） ： ，（） ： （ 下转第页） （） 包必超， 等： 空气过滤器能效分级适用性探讨 表 终阻力为初阻力倍时的能效分级 编号过滤级别 p 终阻力 容尘量 p （） 能效分级原能效分级单位容尘量平均能耗 （） 中的过滤器能效分级是以 指定容尘量， 即在处理相同的粉尘量的基础上进行 对比确定的。由表可知， 当达到倍初阻力时各 过滤器的容尘量并不相同。因此， 能效分级不仅应 反映过滤器在实际使用周期内的能耗， 同时也应考 虑粉尘处理能力。表中空气过滤器的单位容尘 量平均能耗是以过滤器倍初阻力作为计算终阻 力得出的， 等于按 计算方法计 算得到的能耗除以倍初阻力时的容尘量， 能更好 地反映过滤器的实际能效。 结语 通过对只不同级别的过滤器样品的试验分 析， 探讨了 能效分级标准的适 用性。对试验结果的分析发现， 该标准对部分过滤 器来说平均阻力范围选取偏小， 不能准确反映各过 滤器的实际能耗差异。对于国内相关标准的制定， 建议采用倍初阻力或根据空气过滤器的级别设 置科学合理的终阻力。为了体现空气过滤器寿命 周期内的能效， 也更有利于在同一使用条件下比较 各过滤器的性能， 推荐在合理的终阻力的前提下， 使用单位容尘量平均能耗作为能效评价标准。 参考文献