（动力工程及工程热物理专业论文）冷凝式燃气热水器换热器的研究.pdf

摘要 摘要 节约能源、提高能源利用率是保证我国经济健康增长的必要条件。近年来， 各地普遍出现的用电紧张，某些地区液化石油气价格大幅增长，成品油多次提 价，都反映了目前我国的经济增长模式还是以低效的利用能源为代价，节约能 源和提高能源利用率刻不容缓。本文以燃气热水器为研究对象，以提高热水器 的能效水平为目的，旨在开发高效、节能、环保的冷凝式燃气热水器产品。 本文设计了一种烟气导流装置连接冷凝换热器和显热换热器，从而解决了 冷凝式热水器的结构布置和冷凝水收集的问题。随后，以天然气和液化石油气 为例，计算出烟气的物性参数，进而分析烟气露点温度、热水器排烟温度、空 气过量系数以及气种之间的关系。然后对所丌发的两种冷凝换热器进行试验研 究。对热水器的性能研究表明，在额定工况下，冷凝式热水器的热效率可达 9 9 6 ，并研究了热水器变负荷、分级负荷与效率、c o 体积分数等量的关系。 随后，对凝结传热过程进行了分析，根据试验数据，利用传热计算方程式，拟 合出n u 数和r e 、l n 、p r 的准则关系式。最后，利用p h o e n i c s 软件对烟气在 翅片间的传热过程进行了数值模拟，利用流体力学和传热学原理对模拟结果进 行分析，提出了对换热器设计的进一步改进建议。 关键词：冷凝换热，热效率，热负荷，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g ys a v i n ga n de f f i c i e n c ye l e v a t i o na r eb o t hi m p o r t a n tf o rd o m e s t i ce c o n o m i c d e v e l o p m e n t i nt h er e c e n ty e a r s ，m a n yi n c i d e n t ss u c ha sl a c ko fe l e c t r i c i t yi nl a r g e a r e ao ft h ec o u n t r y ，a b n o r m a lp r i c ei n c r e a s eo fl p ga n do i l ，e t c ，h a v es h o w nt h a t t h e r e s s o m e t h i n gw r o n gw i t h d o m e s t i ce c o n o m i c d e v e l o p m e n tm o d e l t h i s d e m o n s t r a t e st h a tw es h o u l da t t a c hm o r ei m p o r t a n c et oe n e r g ys a v i n ga n de f f i c i e n c y t oi m p r o v et h e r m a le f f i c i e n c yo fc o m m o nw a t e rh e a t e r s ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e d o nh i g he f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v e da n de n v i r o n m e n tb e n e f i tp r o d u c to fc o n d e n s i n g w a t e rh e a t e r i nt h i sp a p e r ，ad e v i c et og u i d eg a s f i r e de x h a u s tw a sd e s i g n e dt os o l v ep r o b l e m s o fd i s p o s a lo fc w h sn e wh e a te x c h a n g e ra n dt h ef o r m a lc o n s t r u c t i o n ，a sw e l la s c o n d e n s i n gw a t e rc o l l e c t i o n a f t e rt h a t ，e x h a u s tp r o p e r t i e sf i r e df r o mb o t hn a t u r a lg a s a n dl p gw e r ec a l c u l a t e d ，f o rt h ea n a l y s i so fe x h a u s td e wp o i n tt e m p e r a t u r e ，o u t l e t t e m p e r a t u r eo fw a t e rh e a t e r ，e x c e e dc o e f f i c i e n to f a i ra n de f f e c to fd i f f e r e n ti n l e tg a s e x p e r i m e n to nt h et w oc o n d e n s i n gh e a te x c h a n g e rd i s c l o s e dt h a tt h eh e a te f f i c i e n c y d u r i n gr a t i n gc o n d i t i o nc a nb ei m p r o v e du pt o9 9 6 h e a ti n p u td u r i n gd i f f e r e n tl e v e l w a sa l s od i s c u s s e dw h i c hr e v e a l e dt h el a wo f 恤e r m a le f f i c i e n c y v o l u m ef r a c t i o no f c a r b o nm o n o x i d ei nt h e s ec o n d i t i o n s t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t a ，a n u m e r i ce q u a t i o no fn u ，r e ，l na n dp rw a se l i c i t e db yt h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fa n u m b e ro ft h e r m a le q u a t i o n s a t1 a s t p h o e n i c sw a su s e dt os i m u l a t et h et h e r m a l p r o c e s so ft h ee x h a u s tb e t w e e nt w of i n s u s i n gh y d r o d y n a m i c sa n dh e a tt r a n s f e r t h e o r yt oa n a l y s i st h es i m u l a t i o nr e s u l t ，ap r o p o s a lt oi m p r o v et h ed e s i g no fh e a t e x c h a n g e rw a sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：c o n d e n s i n gh e a t t r a n s f e r ，t h e r m a le f f i c i e n c y ，h e a ti n p u t ，n u m e r i c s i r e u l a t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：艺嗣 加6 年弓月f 7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月口 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 乏丽 加6 年? 月”同 第1 章冷凝式燃气热水器简介 第1 章冷凝式燃气热水器简介 1 1 冷凝式热水锅炉 在提高燃器具能效水平、节能环保的能源趋势推动下，冷凝式燃气热水器 是热水器产品的一个发展趋势。自2 0 世纪七十年代以来，欧洲各国相继进行了 冷凝式锅炉产品的研究并将之产品化，随后将成果应用于热水器产品，并开发 出了高效、节能的环保燃气热水器。 1 1 1 冷凝式锅炉( 热水器) 的理论基础 燃气含氢燃料燃烧过程，会产生水蒸气。因此，在测量热值时，有高热值 和低热值之分。其中，高热值( 幺) 是指标准状况下l m 3 ( 或l k g ) 燃气完全燃烧， 包括水蒸气潜热在内的发热量；低热值( g ，) 是指标准状况下1 m 3 ( 或l k g ) 燃气 完全燃烧，不包括水蒸气潜热在内的发热量。在计算锅炉和热水器的热效率时， 普遍利用燃料的低热值进行计算。因此，如果能够有效利用燃料燃烧的潜热发 热量，燃气产品的热效率就有可能达到甚至超过1 0 0 。 在传统的锅炉设计中，排烟温度是需要选取的一个很重要的基本参数。在 锅炉设计中，要避免锅炉尾部受热面因水蒸气冷凝而导致的低温腐蚀。当排烟 温度较低时，一方面传热温差减小，传热面积增大，金属消耗和初投资增多； 另一方面会引起硫酸蒸汽结露，使受热面严重腐蚀和堵灰，缩短设备的使用寿 命，增加烟气的流动阻力和引风机的电功率。因此，在常规锅炉( 热水器) 产 品的设计中，排烟温度通常不低于1 1 0 。c ( 实际中常达1 5 0 2 5 0 。c ) 。但是， 在这个排烟温度下，浪费了大量燃烧的显热发热量和水蒸气潜热发热量。如果 能够采用冷凝式设计，就可以采用较低排烟温度从而降低排烟热损失，提高锅 炉的热效率，节约能源和锅炉的运行费用。此外，研究表明，在冷凝烟气的过 程中还可以方便的除去烟气中的有害物质。因此，冷凝式锅炉还具有环保方面 的意义。 以天然气为例，研究冷凝式产品的高效性。天然气高热值为4 0 4 0 3 m j m 3 ， 低热值为3 6 4 4 2 m j m 3 。假定所研究的燃气产品无任何热损失，燃气耗量和出水 第1 章冷凝式燃气热水器简介 第1 章冷凝式燃气热水器简介 11 冷凝式热水锅炉 在提高燃器具能效水平、节能环保的能源趋势推动下，冷凝式燃气热水器 是热水器产品的一个发展趋势。自2 0 世纪七十年代以来，欧洲各国相继进行了 冷凝式锅炉产品的研究并将之产品化，随后将成果应用于热水器产品，并开发 出了高效、节能的环保燃气热水器。 11 1 冷凝式锅炉( 热水器) 的理论基础 燃气含氢燃料燃烧过程，会产生水蒸气。因此，在测量热值时，有岛热值 和低热值之分。其中，高热值( 幺) 是指标准状况下l m 3 ( 或l k g ) 燃气完全燃烧， 包括水蒸气潜热在内的发热量；低热值( ) 是指标准状况下1 m 3 ( 或1k g ) 燃气 完全燃烧，不包括水蒸气潜热在内的发热量。在计算锅炉和热水器的热效率时， 普遍利用燃利的低热值进行计算。因此，如果能够有效利用燃料燃烧的潜热发 热量，燃气产品的热效率就有可能达到甚至超过1 0 0 。 在传统的锅炉设计中，排烟温度是需要选取的一个很重要的基本参数。在 锅炉设训中，要避免锅炉尾部受热面因水蒸气冷凝而导致的低温腐蚀。当排娴 温度较低时，一方面传热温差减小，传热面积增大，金属消耗和初投资增多； 另一方面会引起硫酸蒸汽结露，使受热面严重腐蚀和堵灰缩短设备的使用寿 命，增加烟气几勺流动阻力和引风机的电功率。因此，在常规锅炉( 热水器) 产 品的设训中，排娴温度通常不低于1 1 0 。c ( 实际中常达1 5 0 2 5 0 。c ) 。但是， 在这个排烟温度下，浪费了大量燃烧的显热发热量和水蒸气潜热发热量。如果 能够采用冷凝式设训，就可以采用较低排烟温度从而降低排烟热损失，提高锅 炉的热效率，节约能源和锅炉的运行费用。此外，研究表明，在冷凝炯气的过 程中还可以方便的除去烟气中的有害物质。因此，冷凝式锅炉还具有环保方面 的意义。 以天然气为例，研究冷凝式产品的高效性。天然气高热值为4 0 4 d 3 m j f m 3 ， 低热值为3 6 4 4 2 m j m 3 。假定所研究的燃气产品无任俐热损失，燃气耗量和出水 低热值为3 6 4 4 2 m j m 3 。假定所研究的燃气产品无任何热损失，燃气耗量和 h 水 第1 章冷凝式燃气热水器简介 量均为单位值，则普通燃气产品按低热值计算的热效率，7 = 1 0 0 。因此冷凝式 燃气产品按低热值计算的最高热效率为： 玎，：望i x l 0 0 ：4 0 4 0 3 1 0 0 ：1 1 0 8 7 ( 1 1 ) “ q ， 3 6 4 4 2 可以看出，如果以燃气的低热值计算，冷凝式燃气产品的最高理论热效率 为1 1 0 ，但实际燃烧过程中，由于各项热损失，其实际热效率r ， 1 ) 在燃气热水器的研究中，是一个非常重要的概念。 从定性的角度分析，空气过量系数越小，则1 m 3 燃气完全燃烧生成的烟气量就 越少，理论燃烧温度越高。对天然气，口= 1 时的理论燃烧温度在1 9 0 0 。c 以上， 当口= 1 8 时的理论燃烧温度则不到1 4 0 0 。c 。燃烧温度越高，换热强度就越大， 第2 章冷凝式燃气热水器结构设计与能效分析 同时由于a 越小烟气量减少，在丰h 同的排烟温度下，烟气带走的热量损失也越 少，热效率就越高。但是随着口的减小，燃烧状况恶化，会导致黄焰和c o 含 量增加，甜过大则可能出现脱火。因此，在燃气热水器的设计过程中，合适的 空气过量系数十分重要。下面根据上节推导的公式，对口、气种、热效率、排 烟温度等因素进行定量的理论分析。 由2 3 1 节中所述公式，针对天然气和液化石油气，对比研究当空气过剩系 数在1 0 一v 2 3 之间变化时，气种、过剩空气系数、热效率之间的关系。 天然气的组分： c , o ( c h 4 ) = 9 8 ，妒( c 3 h 8 ) = o 3 ，妒( c 4 h t o ) = o 3 ，妒( c ；) = 0 4 ，妒( 2 ) = 1 ，o 液化石油气的组分： 表3 1 液化石油气成分 组分甲烷乙烷丙烷丙烯异丁烷止j 烷 0 2 9 6 92 0 3 0 l3 6 3 6 2 42 4 2 5 22 3 2 91 5 8 2 2 ( )止、异丁烷反r 烯2顺丁烯2丁二烯l ，3易戊烷正戊烷 9 5 0 3 56 2 0 5 03 8 3 3 4 o 1 0 1 0o 1 1 5 500 1 4 7 根据2 2 1 节中的公式，计算得到天然气和液化石油气的燃烧特性值，以及 在不同的空气过剩系数下，1 m 3 燃气完全燃烧产生的烟气中，各组分( c 0 2 ，h 2 0 、 0 2 、n 2 ) 的质量及在干烟气中的质量分数以及干烟气的含湿量。 表3 2 燃气的燃烧特性 热值( m j n m 3 ) 理论空气量理论烟气量 气种( n m 3 n m 3 千燃气)( n m 3 n m 3 干燃气) 高q h低q -v oc 0 2h z on 2v f d ( 干) 天然气 4 0 4 03 6 4 49 6 512 1 47 5 i8 5 1 液化硝油气 1 1 3 0 91 0 89 52 7 2 93 5 64 7 82 0 8 5 2 4 4 1 对不同空气过剩系数的计算得到的干烟气的含湿量，查湿空气表可得出相 应烟气对应的露点温度如图2 6 。由式( 2 4 ) 可以看出，烟气中的水蒸气来自燃 烧产物、燃气中的含湿量以及空气中的含湿量。其中，燃烧产生的水蒸气占绝 大部分。对于同种气种，l m 3 燃气燃烧产生的水蒸气总量不变，随着空气过剩系 数的增大，干烟气量增加，水蒸气量虽然有一定增加，但增加幅度远小于烟气 的增加比例，因此，总烟气的含湿量降低，从而使烟气的露点温度降低。 从图2 6 可以看出，对于液化石油气和天然气，随着空气过剩系数的增加， 烟气的露点温度都单调平缓下降。对于液化石油气，当空气过剩系数在1 o 2 3 第2 章冷凝式燃气热水器结构设计与能效分析 之间变化时，烟气的露点温度为5 5 3 4 1 。c ；对于天然气，当空气过剩系数在 1 o 2 3 之间变化时，烟气的露点温度为6 0 4 5 9 。c 。因为天然气的含氢量比 液化石油气高，干烟气的含湿量大，因此，天然气的露点温度要比液化石油气 的露点温度高。由图2 6 可以看出，在空气过剩系数相同的情况下，天然气烟气 的露点温度约比液化石油气高出4 5 。c 。 08 1012 14 6182 02 22 4 空气过剩系数 图2 6a 对烟气露点温度的影响 理论上来讲，当热水器的排烟温度低于露点温度时，则开始发生凝结换热。 由于水蒸气的潜热释放出来，热效率提高幅度增大。露点温度越高，对于相同 排烟温度，热效率提高的幅度就越大。 2 3 3 热效率与排烟温度的关系 燃气和空气的混合物在燃烧室中进行燃烧，燃烧室四壁及其上的水冷盘管 通过辐射和对流吸收了一部分热量，然后烟气流入换热器进行对流换热，最后 通过烟道排出。燃烧放出的总热量记作q ( k j m i n ) 。热量在热水器中的流向分 为三部分：一部分被水吸收以提高水温，这是被热水器有效利用的热量，记作q 。 ( k j r a i n ) ；一部分在换热过程中通过热水器机体散失，记作散热损失q ( k j m i n ) ，目前，普通家用燃气热水器的这部分损失约为5 7 ，个别产品可 镗 ： ； 鸵 拈 拈 蛇 柏 ，v型硝崦矿襞 第2 章冷凝式燃气热水器结构设计与能效分析 以降低至2 ；还有一部分被烟气带走，记作排烟损失q 。( k j m i n ) 。 因此，我们可以得到关系式 q = q 。+ q 。+ q ， ( 2 2 2 ) 其中，q ，= 【矿? + ( 球一1 ) cr tr ( 2 2 3 ) 燃气热水器的热效率1 7 = ( 1 一里旦) 。1 0 0 ( 2 2 4 ) 蚨 根据上节计算结果和关系式，通过计算在一定温度下排烟烟气带走的焓， 假定在q = o 的情况下，分析排烟温度对热效率的影响。 图2 7 表示了在a = 1 9 的情况下，天然气和液化石油气排烟温度和热效率 的关系。从图l 可以看出，对液化石油气和天然气，热效率和排烟温度的变化 整体规律类似，都存在一个以露点温度为界的转折点。当排烟高于露点温度时， 换热为湿烟气显热的释放，因此，热效率的变化相对平坦；当排烟温度低于露 点温度时，过热水蒸气开始凝结，除了释放显热外，水蒸气的潜热也开始释放， 因此，总热效率迅速增加。从气种上来看，在排烟低于露点温度时，由于天然 气中含氢量较大，水蒸气释放出更多的潜热，天然气热效率的提高明显高于液 化石油气。 02 04 06 08 01 0 01 2 01 4 0 1 6 01 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 排烟温度 幽2 ，7 排烟温度与热效率的关系 g驿驼踮“跎 第2 章冷凝式燃气热水器结构设计与能效分析 2 3 4 空气过剩系数、排烟温度、热效率三者关系 图2 8 以液化石油气为例，研究了不同空气过剩系数下，排烟温度与热效率 的关系。随着卒气过剩系数的增加，当排烟温度相同时，热效率下降。排烟温 度为2 0 0 。c ，0 【一1 比a = 2 1 时的热效率高8 ，而当排烟温度下降为5 5 。c 时， 旺= 1 比a = 2 1 时的热效率高出不到3 。这是因为，当排烟温度较高时，烟气 的显热损失很人，随着排烟温度的降低，烟气显热损失大幅降低，显热对热效 率的影响也逐渐处于次要地位，此时，潜热换热逐渐处于优势，因此，热效率 的差值主要源于潜热量的回收。0 【越大，烟气露点温度越高，相同排烟温度下， 冷凝液量就越少，回收的潜热量就越少，因此，热效率越低。 x 槲 辍 ； 2 4 本章小结 02 04 06 08 01 0 0 1 2 01 4 01 6 0 1 8 02 0 0 2 2 0 2 4 0 排烟温度( c ) 图2 8 液化石油气排烟温度与空气过量系数的关系 本章在第一节中对冷凝式换热器的结构进行了介绍，对烟气在翅片管中的 流动与换热进行了分析。第二节设计了倒置型和导流型两种形式的冷凝式热水 器，通过对两种结构优缺点对比，发现导流型结构由于具有二次开发量小、安 全性强等优点，是一种比较理想的结构形式，从而完成了对冷凝式热水器整体 第2 章冷凝式燃气热水器结构设计与能效分析 结构的设计。对气种、空气过剩系数、排烟温度、烟气露点温度、热水器热效 率的分析表明，若采用冷凝式热水器( 即排烟温度低于烟气露点温度) 时，天 然气气源的热效率的提高要高于液化气热效率。当排娴温度低于露点温度时， 两种气种计算得出的热效率均在9 5 以上。随着排烟温度的降低，热效率在露 点温度处存在拐点，低于露点温度时热效率的的变化线比高于露点温度时热效 率的变化线陡。空气过剩系数越低，热效率越高。随着排烟温度的降低，空气 过剩系数对热效率的影响逐渐减小。气种、空气过剩系数、排烟温度共同影响 着热效率。简占之，天然气优于液化石油气，空气过剩系数越小、排烟温度越 低，热效率越高。冷凝式热水器的热效率比非冷凝式有明显提高。 第3 章冷凝式热水器样机性能研究 3 1 研究目的 第3 章冷凝式热水器样机性能研究 由于本课题是冷凝式燃气热水器的开发，因此，对冷凝式燃气热水器进行 性能试验非常重要。试验的对象，是烟气导流装置分别配合按照设计图纸加工 的( 6 1 + 2 ) 片和( 8 9 + 2 ) 片的冷凝段换热器的两种冷凝式热水器。 试验主要分为两个方面，一是通过对两种冷凝热水器在标准测试条件( 4 0 。c 温差，水压0 1 m p a ) 附近，通过改变燃气二次压进行性能测试，研究相关参数 对热水器性能的影响；二是对燃气热水器分级负荷下的工作性能进行研究。试 验采用液化气( l p g 2 0 y ) 。 在测定过程中，影响燃气热水器热效率的主要因素包括：燃气的二次压、 风机转速、进水水压、进水水温、进出水温差、环境温度。由于研究的冷凝型 热水器，在燃气入口处带有稳压阀，试验证明改变进气压力对性能的影响非常 小，因此，本章不讨论进气压力变化对燃气热水器性能的影响。 3 2 试验台简介 试验系统如图3 1 所示，陔系统由供气系统、水路系统、试验段系统和测量 仪表组成。 供气系统由l p g 罐瓶、出口调节阀和供气管道组成。l p g 由罐瓶经调压器 调压后( 2 8 k p a ) ，进入w - n t - 5 b 型湿式流量计测定燃气流量，通过接在流量计 上的温度计和u 型压力计测定燃气温度和入口压力。 供水系统由高压水箱、调压装置和供水管道组成。高压水由水箱经球阀进 入调压器调压( 标准压力0 1 m p a ) 后，由热水器的进水管进入换热器加热。入 口水压由调压器后的压力表测量。进水温度由安装于进水管上的温度计测量。 在试验段系统内，燃气流过热水器的稳压阀后，测定燃气的二次压。在排 烟管出1 3 处利用烟气分析仪和温度计分析烟气成分和测量烟气温度。出水温度 及出水重量的测定分别由水银温度计及电子台秤测量。 第3 章冷凝式热水器样机性能研究 试验仪器及其型号如表3 1 所示。 燃气流量计 调压阀 燃气进气管 烟气温度计 烟气分析仪 热水器 ， 1 进水温度计 r j 压力表 i ：一水稳压器 。，一自来水 i 同 hl 掣 冷凝水出水管 圈3 1 冷凝式热水器试验系统 表3 1 试验仪器 项目名称型号量程晟小刻度 1燃气流量计w - n t - 5 b5 l ，ro 0 1 l 2燃气流量温度计水银温度计o 1 0 0 o 2 3燃气流量压力计u 型压力计o 一1 2 k p a0 0 1k p a 4热水温度计水银温度计 0 1 0 0 0 1 5进水温度计水银温度计o 1 0 0 o 2 c o c 0 2 分析仪 u l j r a m a r - 2 3 6 0 2 分析仪o x y m a t - 6 1 7 色潜仪 8相对密度计r m k 20 0 6 9 5 1 8 0 0 9烟温测景计j m 2 2 2 h0 3 0 0 0 1 1 0 台秤 d i 一3 0 n 0 - 1 2 0 蚝 1 1 秒表 j d 一2 i i 由于气源采用的是罐装液化石油气，使用后l p g 的热值变化较大。在每天 试验前，采用相对密度计测定气体的密度，利用色谱仪分析燃气成分测定燃气 高、低热值，并计算华白数。 第3 章冷凝式热水器样机性能研究 3 3 试验数据处理 实验的原始数据有：燃气成分、燃气压力k p a ，热水温度r 。：( 。c ) ，冷水温 度，。( 。c ) ，热水质量g ( k g ) ，流量计内燃气温度，。( 。c ) ，大气压力p 。( k p a ) ， 饱和水蒸汽压力p s ( k p a ) ，冷水压力f ( m p a ) 、测试时间t ( s ) ，燃气耗量l ( l ) ， 烟气中氧气的含量0 ，( ) ，烟气中一氧化碳的含量c o ( p p m ) ，排烟温度，燃气 的低热值9 ( 脚n m3 ) 等。 空气过量系数可根据下式计算： 口：羔生。旦+ 1 ( 3 1 ) o 2 1 v o c o 。 烟气中c o ( 口= 1 ) 的含量c 仇：= 等 ( 3 2 ) 1 一l 2 0 9 c o 一过剩空气系数口= 1 ，干烟气中的一氧化碳含量，； c 0 烟气样中的一氧化碳含量，； d 烟气样中的氧含量，； 按照家用燃气快速热水器g b 6 9 3 2 2 0 0 1 标准 1 9 规定，家用快速式燃气 热水器的热效率为： ，7 ：丝：堂! 盟。2 7 3 + t g 。! ! ! ：! x 1 0 0 ( 3 3 ) v x q 【 2 7 3 p 。b + p 。一s n t 温升为t ( = t 。2 一t w l ) k 时的热效率，； c 水的比热，4 1 97 1 1 0 。c ) ，实验和理论相符得很好。 但当排烟温度低于1 1 0 。c 后，实际结果的热效率越来越高于理论结果。这是由 于在1 1 0 。c 时，蒸汽水就开始凝结，释放气化潜热。虽然此时还未达到露点温 度，但由于换热器中的温度分布并不均匀，换热器的部分壁面温度已经在露点 温度以下，在这部分区域，过热蒸汽开始凝结成冷凝水。因此，对于冷凝式热 水器，实际运行的热效率要高于理论计算的热效率。 第3 章冷凝式热水器样机性能研究 图3 8 排烟温度与热效率理论与实验对比 3 6 耐久性试验前后性能对比 通过对燃气热水器进行6 6 0 0 次耐久性试验后，重新对冷凝i i 型燃气热水器 的热效率进行测量。由于试验的不可重复性，无法保证测定工况完全一致。但 仍可以从表3 2 中看出，耐久性试验后，热效率由试验前的9 9 1 下降为9 2 3 ， 下降幅度达6 8 。而通过对耐久性试验结束后的冷凝换热器进行观察，发现翅 片表面附着了一层白色氧化物。由于两种工况相差不大，引起热效率下降的主 要因素为腐蚀。 表3 2 耐久性试验前后工况对比 耐久性试验前耐久性试验之屙 大气压力 k p 1 0 1 41 0 6 2 l 环境温度 。c 2 1 2 3 5 燃气低热值 m j m 31 0 9 4 71 0 8 8 8 5 l 相对密度 1 8 5 1 1 8 3 6 0 空气湿度 7 07 4 华白数 m j m 3 8 6 6 88 3 4 2 5 5 燃气进口压力 k p2 8 32 8 燃气温度o c 2 0 82 1 o 加热时间 s ( 2 0 l )7 2 8 87 2 0 5 第3 章冷凝式热水器样机性能研究 水初温 。c2 02 4 o 水终温 。c5 9 66 3 ，4 热水水重量k g 1 0 2 71 0 0 9 水压蝇 1 01 o 燃气二次压k p a 11 01 1 0 性能计算 热效率 9 9 19 2 3 热负荷 k w2 9 o3 0 3 产热水率l m j n1 6 5 1 6 o 烟气分析 c o 读数 p p m 1 4 71 5 3 0 2 读数 1 1 1 45 3 c 0 2 6 7 86 5 6 排烟温度 。c5 66 6 3 _ 7 本章小结 本章试验结果表明，对丁3 1 2 ，4 5 + 2 ，6 1 + 2 ，8 9 + 2 片四种型式的冷凝换热 器，具有最高热效率的是8 9 + 2 即冷凝i i 型，在额定工况下，热效率达9 9 1 。 此外，本章还研究了二次压、热负荷、热效率、c o 等因素之间的关系。通 过试验测试发现，二次压和热负荷呈单调线性关系，当热负荷在2 7 3 3 1 8 k w 问 时，冷凝j i 型样机的热效率为9 8 1 0 0 ，在此范围内，热负荷和热效率呈波状 关系。 分级负荷的研究显示，当热水器的热负荷为l o 1 5 k w ，热效率随负荷的增 大逐渐减小，负荷变化范围为1 0 4 8 9 3 6 ；当热水器的热负荷为2 0 3 0 k w ， 热效率随负荷的增大逐渐减小，变化范围为1 0 1 9 9 8 6 。在各级负荷范围 内，c o 随负荷的增大而增大。但当热负荷在2 2 2 7 k w 时出现不规则增大。 通过试验数据和第二章中理论分析结果的对比，发现在试验中，热效率随 着排烟温度平缓增大，而不存在明显的折点。耐久性试验后，热效率下降6 8 ， 腐蚀对换热性能的降低影响显著。 第4 章换热器性能分析 第4 章 冷凝热热器性能分析 4 1 冷凝换热的研究现状 冷凝换热足指蒸汽在与低于其饱和温度的冷壁面接触时，所进行的凝结换 热过程。蒸汽的凝结有两种不同的形式，膜状凝结换热和珠状凝结换热。如果 凝结液体能很好的润湿壁面，在壁面上铺展成膜，这种方式称为膜状凝结；如 果凝结液体不能很好的润湿壁面，凝结液体会在壁面上形成一个个的小液珠， 这种方式成为珠状凝结。在冷凝换热的研究方面，主要有纯蒸汽冷凝换热，含 少量不凝气体的蒸汽凝结换热及多组分气体的受迫对流凝结三个方面。 在我们的研究中，主要研究翅片管冷凝式换热器。翅片管冷凝式换热器炯 气侧的换热属于伴有水蒸气凝结的烟气受迫对流换热，类似于多组分混合气体 受迫对流凝结换热。 4 1 1 纯蒸汽冷凝换热的研究现状 从流态上看，纯蒸汽凝结换热的研究可以分为层流膜状凝结和湍流膜状凝 结。流态主要通过膜层雷诺数r e = d ，彤，7 来判定。实验表明，液膜层流转向 湍流的临界雷诺数r e 。为1 6 0 0 。 1 9 1 6 年，努塞尔首先提出了纯净蒸汽层流膜状凝结的分析解2 0 l 。在分析巾， 根据液体膜层的导热热阻是凝结过程的主要因素，忽略其他次要因素，得出竖 壁膜状凝结的努塞尔理论解： 1 2 v = 0 9 4 3 ( g r p 2 耳) 1 t l l ( t 。一f 。) 】 ( 5 1 ) 实验表明，当r e 2 0 时，由于膜层表面的波动，实验值逐渐高于理论式， 以致在层流湍流转折点时偏高2 0 ，因此，在工程应用中，须把理论系数增加 2 0 ，即有： a v = 1 1 3 9 r p l 2 耳 h l ( t t w ) ( 5 2 ) 随后，b r o m l e y 2 1 1 和r o h s e m e w 2 2 1 发展了n u s s e l t 的原始分析，前者考虑了液 膜过冷对冷凝换热的影响，但仍认为液膜中的温度为线性分布；后者则对前者 的修正做了进一步发展，最主要的改进是除考虑凝结液过冷对换热的影响外， 3 9 第4 章换热器性能分析 还考虑了由于对流换热量传递而引起液膜中的温度的非线性分布，对上述问题 重新进行了计算，认为式中的气化潜热应为y = ，+ 0 6 8 c p ( t 。一f 。) 。 把努塞尔的理论分析推广到水平圆管和球表面上的层流膜状凝结盼2 4 1 ，可 以得到平均表面换热系数公式 a 。= 0 7 2 9 c 器， c z s = 0 8 2 6 c 惹专， ( 5 - 3 ) ( 5 4 ) 其中，ah 、os 分别代表横管和球。实测表明，水平单管外纯蒸汽凝结的 努塞尔分析解与多种流体的实测值的偏差一般在1 0 以内，最多达1 5 。由于 横管的直径一般较小，实际应用中均在层流范围。 对湍流膜状凝结，l a b u n t z o vda 整理出关联式 2 5 】 r e = 面瓦瓦鬲i c e 丽呸丽 5 5 而后随着边界层理论的发展以及电子计算机的应用，凝结换热理论研究又 取得了较大的发展。此外，国内外诸多学者还对其它形状表面的蒸汽凝结换热 问题进行了研究，并给出了一些令人满意的理论和实验结果。由此可见，对纯 蒸汽的凝结换热研究，在理论和试验上，都己达到了比较完善的程度，为一般 工程设计提供了可靠的依据。 4 1 2 含少量不凝气体的蒸汽凝结换热 蒸汽含少量不凝气体时，即使含量极微，也会对凝结换热产生十分明显的 影响。例如，水蒸汽中质量含量占1 的空气能使换热系数降低6 0 。这是由 于，当含有不凝气体的蒸汽遇到低于某露点温度的冷却壁面时，紧靠壁面的蒸 汽分子开始凝结，形成一层液膜。由于这些蒸汽分子的凝结，使壁面附近的蒸 汽分压力由远离壁面处的只降至气液分界面上的p ，而在壁面附近，由于不凝 气体的集聚，使不凝气体的分压力由远离壁面处的只升至气液分界面上的t 。 这样，就在液膜外面又形成了一层气膜，蒸汽分子必须借助扩散穿过这层气膜， 方能达到液膜表面进行凝结。这层气膜构成了凝结换热的主要热阻，因而使换 第4 章换热器性能分析 热系数大大降低。另外在这层气膜中，温度也发生相应的变化，由气膜外部的r 。 降至气液分界而上的t ，减小了凝结的驱动力出。 早在1 9 3 4 年，c o l b u m 和h o u g e n 【26 j 就对此问题进行了研究。他们认为，液 膜和气膜构成了两相热阻，可分别予以考虑。对于液膜可忽略气膜对其的影响。 在有这种假设的前提下，n u s s e l t 公式仍成立。不同的是，传热温差将由纯蒸汽 的a t = t 。一，。变为a t = f ，一f 。由于此时t 。是未知量，故需将通过气、液膜的热 流量相关联，列出其能量平衡式k 。m 。，( 只一只，) = h ( t 。一t 。) ，其中k g 为气膜传 质系数，可由经验公式确定。另有学者由试验获得了包括k 。在内的准则关系式， 使气相热阻法有了进步。虽然这仅仅是一种半经验方法，但它的提出对后来的 求解产生了深刻影响。此后的各种解法都是以边界层控制理论对气膜加以描述 而获得的。 4 1 - 3 多组分混合气体受迫对流凝结换热 多组分混合气体受迫对流凝结换热，主要研究湿空气的传质过程或化工领 域常见的多组分可凝结蒸汽混合物的凝结，以及不凝结气体对凝结换热的影响。 内容涉及液膜波动对凝结换热的影响、低密度不凝结气体对边界分离的影响和 对传热的抑制作用、多组分混合气体凝结换热的传质模型、气液相界面附近蒸 汽的过饱和及其雾化对传热的影响，以及对c o l b u m 理论的改进等。我们研究的 伴随水蒸气的烟气的冷凝换热就与此类似。 在目前，通过构造复杂的微分方程组，并借助数值计算工具，有可能对几 何形状简单的物体( 如平板) 上混合物强迫对流凝结问题进行理论求解。但对 于复杂的几何结构，一般只能采用建立实验准则式的研究方法，因此，得到的 传热传质准则式只能适用于实验参数范围。 4 1 4 伴随有水蒸气凝结的烟气对流换热 在燃气热水器中，烟气是包含氮气、氧气、二氧化碳、一氧化碳在内的不 凝气体和水蒸汽、氧化硫等可凝气体的混合物。而且在混合烟气中，水蒸汽只 占1 0 2 0 。 对伴随有水蒸气凝结的烟气对流换热中，换热过程可分为三个阶段。一是 不凝性气体和可凝性气体都释放显热；而是随着温度的降低，烟气与温度低于 第4 章换热器性能分析 或等于露点温度的壁面接触时，部分水蒸气凝结释放潜热，其余水蒸气和不凝 性气体释放显热；三是当烟气温度继续降低至露点，此时水蒸气仅通过凝结放 热，不凝性气体继续释放显热。故在冷凝式的换热器中，烟气侧的换热过程是 十分复杂的，既存在烟气与换热面问的对流换热的显热交换，又有水蒸汽穿过 气膜扩散传质并在界面上冷凝放热的潜热交换。它不同于流体单纯的对流换热， 也不同j 二纯蒸汽的凝结换热。又由于烟气中水蒸汽的含量很少，所以其与含少 量不凝气体的烟气冷凝换热也有很大差别。 此外，由于在冷凝式换热器中，水蒸汽的含量、混合气体的雷诺数及过热 度等参数都有自己的变化范围。所以传热、传质机理必有其独有的特点，这种 冷凝式热水器受到热能工程研究领域和应用部门的广泛重视，伴随有凝结的烟 气强迫对流传热、传质的研究也受到关注。近年来有关烟气中水分凝结的对流 传热、传质研究的文献正在不断增加。研究主要集中在两方面：其一，针对工 业锅炉和大型电站锅炉的排气污染控制，研究利用液体吸收排烟中有害气体的 热质传递规律；其二，针对以天然气为燃料的户式采暖热水两用炉和家用热水 器出于节能和环保的目的，研究冷凝式热水器炉内的天然气燃烧产物在冷凝式 换热器中的传热、传质规律。 王朝阳等 2 ”对烟气中的水蒸气潜热的回收问题，利用边界层理论提出了一 个同时存在传质过程的强迫对流传热模型，从理论上得到了蒸气一不凝性气体 在水平平板和水平圆管上强迫对流膜状凝结时的传热传质准则关系式。该模型 认为，传质和传热并无交叉影响，传质的存在仅仅使对流换热量在原来的纯对 流换热的基础上增加了一个考虑质量传递的修正系数，并掘此给出同时存在传 质的气相传热准则式 n u ：= 4 0 b + e x p ( b a o ) - e x p ( m o ) 一l ( 5 6 ) n u 一伴随有凝结换热的总热努塞尔准则；n u o _ 无凝结换热的纯对流换 热努塞尔准则。该模型认为，气相边界层内的能量微分方程与相应的质量微分 方程是一致的，并近似的认为未提得边界条件也相比拟，因此，蒸汽的传质系 数准则式可通过传热准则式比拟得到，即两个准则式的表达形式完全相同，仅 将式中的n u 数改为s h 数，将p r 数改为s c 数。 崔永章、钱申贤利用陕甘宁天然气，对单排同向冷凝铜材翅片换热器进行 第4 章换热器性能分析 实验研究，得出下列关联式： 对流换热( 显热换热) j = 0 4 3 7 r e 0 4 4 ” 对流传质换热( 潜热换热) j h = 0 1 0 7 r e “2 ”3 其帆= 南，= 器： ( 5 7 ) ( 5 8 ) 根据试验数据，潜热换热占7 5 左右，同时，提高烟气的雷诺数有利于冷 凝换热，增大翅片间距不利于冷凝换热。而显热换热在低负荷下变化升i 大，在 高负荷下比例增大，这是由于烟气的温度高而相对增大。天然气的烟气冷凝传 热和传质不严格遵循刘易斯关系。 曹彦斌、艾效逸等的对塔板式换热器和翅片换热器的实验结果表明，当烟 气中水蒸气含量不足2 0 时，伴随着凝结换热的对流换热系数比纯蒸汽凝结换 热系数低数十倍，而与无凝结时气体对流换热系数处于同一数量级，水蒸汽分 压力越大，对流换热系数越高。有水蒸汽凝结时的烟气对流换热系数为相同工 况下无凝结时烟气对流换热系数的2 3 倍，高者可达4 倍。并且在冷凝式换热 器中，塔板式换热器的换热系数大于翅片板式换热器，这些研究成果都为冷凝 式换热器设计提供了重要的参考数据。 4 2 冷凝换热器的换热性能计算 4 2 1 翅片管对流换热准则方程建立 根据c o l b u r n h o u g e n 模型，考察一个含有不凝性气体的冷凝过程。在此过 程中，有两点需要注意：一是冷凝器各处产生冷凝温度不同：二是冷凝中除了 传热外，还有传质的影响。在分析中，假定冷凝液膜附近存在一个虚构的不凝 性气体边界层，假定气相中所有的传热、传质阻力都出现在这一层中。记冷凝 边界外侧的微元面积为d a ，蒸汽通过不凝性气体的边界扩散，在冷凝液膜表面 上冷凝传热量为以) c 。“= 。r ( p 。一p 。) d a ( 5 9 ) h 。传质系数，m s ； r 一蒸汽的气化潜热，j k g p ，、p i 主流和界面上水蒸气的质量浓度，k g m 3 ； 根据理想气体状态方程，c ，= p ，r t ，p ，= c ，m ，； 4 3 第4 章换热器性能分析 c i 、p 、p i 、m 、r 组分的摩尔浓度m o l m 3 ，分压力p a ，密度k j m 3 ，分 子量，通用气体常数： 可以得至0 蛾d = h m r m ，( p ，胄t p ，其z ) d a ( 5 1 0 ) p 。、p v i 主流和界面