三流體分離型熱管換熱器性能分析及應(yīng)用

三流體分離型熱管換熱器性能分析及應(yīng)用

 石程名1,王洋1,徐燦君2,崔文智1

 (1.重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,重慶400044;2.中國(guó)輕工業(yè)長(zhǎng)沙設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)沙410000)

    摘　要：建立了三流體分離型熱管的傳熱分析模型,得到了各排熱管具有相同換熱面積和不同換熱面積順流和逆流換熱器的溫度傳遞矩陣方程。利用具有相同換熱面積換熱器的溫度傳遞矩陣方程,導(dǎo)出了順流和逆流換熱器的2個(gè)傳熱有效度θ1、θ2與M1、M2、NTU1、NTU2、、U及Δti的關(guān)系式。應(yīng)用所得的結(jié)果,對(duì)大型高爐熱風(fēng)爐的煙氣余熱回收裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和變工況校核計(jì)算,實(shí)踐證明結(jié)果正確。

    關(guān)鍵詞：熱管;換熱器;三流體;傳熱有效度;溫度傳遞矩陣方程

    中圖分類(lèi)號(hào)：TK172.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    文章編號(hào)：1000-582X(2010)08-130-06

    在九十年代初期,寶鋼4 036 m3高爐的熱風(fēng)爐是當(dāng)時(shí)我國(guó)最大的熱風(fēng)爐,產(chǎn)生的煙氣余熱要同時(shí)用來(lái)預(yù)熱空氣和煤氣。當(dāng)時(shí)已有的其它三流體換熱器都不能適應(yīng)其要求。分離型熱管換熱器有如下特點(diǎn)[1-2]:

    1)可方便地實(shí)現(xiàn)換熱流體順、逆流混合布置。2)能適應(yīng)換熱器裝置大型化。3)可靠地將熱、冷流體完全隔離。4)組成換熱器各排熱管的傳熱面積可以不同。5)能方便實(shí)現(xiàn)多種流體遠(yuǎn)距離換熱。

    這些特點(diǎn)正好能滿(mǎn)足鋼廠大型熱風(fēng)爐余熱回收的要求。因此,出現(xiàn)了一種新型換熱器———三流體分離型熱管換熱器。這種換熱器可在空氣或煤氣不能流經(jīng)換熱器時(shí)保障熱管工作溫度或壓力不會(huì)升得太高。在過(guò)去幾十年間,對(duì)各種換熱器的性能有大量的研究[3-8]。不同換熱器有不同的傳熱性能和傳熱有效度的表達(dá)形式。文獻(xiàn)[9]對(duì)2種流體換熱的熱管換熱器的傳熱性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10-12]得到了三流體板翅式和管殼式換熱器的傳熱分析結(jié)果。這類(lèi)換熱器與三流體分離型熱管換熱器在構(gòu)造和換熱原理上都不同。前者分析模型和研究結(jié)果不適合文中的研究對(duì)象。文獻(xiàn)[13]得到了三流體分離型熱管換熱器各排熱管換熱面積相同,一種熱流體、2種冷流體分別在順流和逆流時(shí)的溫度傳遞矩陣方程。但它是在假設(shè)組成換熱器的每個(gè)熱管排的幾何參數(shù)相同的條件下完成的。實(shí)際工程中,為了調(diào)節(jié)熱管的工作溫度和壓力,比如為了防止露點(diǎn)腐蝕、積灰等問(wèn)題,組成換熱器的每個(gè)熱管排的幾何參數(shù)(如肋間距)可能是不相同的,也就是說(shuō)換熱器各排間的換熱面積是不同的。這樣可以調(diào)節(jié)壁面溫度,避免水或酸結(jié)露,減少換熱器表面的積灰和腐蝕。因此,需要研究各排間換熱面積不同的換熱器的傳熱性能和設(shè)計(jì)方法。另外,到目前為止,這種新出現(xiàn)的三流體分離型熱管換熱器的傳熱有效度也還未見(jiàn)報(bào)道。

    在實(shí)際運(yùn)行中,流體的進(jìn)口溫度和流量等工況也隨時(shí)發(fā)生變化。所以需要詳細(xì)了解這類(lèi)換熱器在變工況時(shí)的傳熱性能。筆者以順流和逆流布置的三流體分離型熱管換熱器為研究對(duì)象,分別建立傳熱分析模型,考慮2種換熱器中各排熱管換熱面積會(huì)存在相同和不同的狀況,分別得到相應(yīng)的溫度傳遞矩陣,進(jìn)而利用溫度傳遞矩陣得出傳熱有效度和不同工況參數(shù)的關(guān)系式,最后結(jié)合實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

    1·傳熱性能分析

    1.1　各排熱管間面積相等和不相等的溫度傳遞矩陣方程

    圖1為三流體分離型熱管換熱器逆流時(shí)的原理簡(jiǎn)圖,其中流體3是加熱流體,流體1及流體2是冷流體。由圖可知,由若干排三流體分離型熱管組組成三流體分離型熱管換熱器,并且每排熱管的換熱面積可通過(guò)肋間距相同或不同而變化。

    由圖1可知,該換熱器是由一個(gè)個(gè)離散的熱管排(單元)疊加而成。對(duì)其進(jìn)行傳熱分析時(shí),忽略散熱損失,前后排熱管肋片剛好相互接觸,可認(rèn)為溫度沿流動(dòng)方向的變化是連續(xù)的。把離散的各個(gè)熱管排看成一個(gè)整體,如圖2所示。流體沿?fù)Q熱器的流程是從0到1之間變化。其中x是換熱器全流程的相對(duì)位置。

    該矩陣方程系數(shù)矩陣元素中的傳熱面積是整個(gè)換熱器的相應(yīng)面積。

    換熱器可由多個(gè)熱管排組成,如果各排之間的傳熱面積不同,可把前面的傳熱分析方法用于每一個(gè)熱管排,就會(huì)得到一個(gè)熱管排的溫度傳遞矩陣方程,由于前排熱管出口溫度是后一管排的進(jìn)口溫度,各排熱管的溫度傳遞矩陣方程可表示如下:

    T1=A1Ti,T2=A2T1,T3=A3T2,……,Te=AtTt-1

    式中:A為順流溫度傳遞矩陣。

    各排換熱面積相同時(shí),取平均溫度計(jì)算的各排的溫度傳遞矩陣是相等的,因此可得:

    Te=AtTi, (3)

    這里矩陣A中各元素的傳熱面積為一排的面積。如果各排換熱面積不同時(shí),各排的溫度傳遞矩陣不相等,因此得到:

    Te=At…Ai…A2A1Ti, (4)

    其中Ai(i=1,2,…,t)即第i排熱管的溫度傳遞矩陣。3種流體的熱容量取相同正值時(shí)為順流。逆流時(shí)的溫度傳遞矩陣也可以通過(guò)傳熱方程和能量平衡方程及適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件(x=0時(shí),T1=T1i、T2=T2i、T3=T3e;X=1時(shí),T1=T1e、T2=T2e、T3=T3i)得到,如圖3所示。由于在上面的推導(dǎo)過(guò)程中,并未限制是1種冷流體或者是1種熱流體,因此,式(2)既適用于1種熱流體與2種冷流體也適用于2種熱流體與1種冷流體之間換熱的情況。對(duì)于如圖3所示的流體3與流體1和流體2進(jìn)行逆流換熱的情況,只要將式(2)中的進(jìn)出口溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q,并將反x增加方向流動(dòng)的流體的熱容量取為負(fù)值即可得到逆流的溫度傳遞矩陣方程。

    任意一排熱管的溫度傳遞矩陣方程為

    Te=BTi, (5)

    則逆流時(shí)矩陣B的元素的計(jì)算式如下:

    b11=a11-a13a31/a33,

    b12=a12-a13a32/a33,

    b13=a13/a33,

    b21=a21-a23a31/a33,

    b22=a22-a23a32/a33,

    b23=a23/a33,

    b31=-a31/a33,

    b32=-a32/a33,   b33=1/a33。

    這時(shí)矩陣元素中面積為一排熱管相應(yīng)的面積。由t個(gè)相同換熱面積的熱管排組成的換熱器的溫度傳遞矩陣方程為

    Te=BtTi。(6)

    同理,由t個(gè)不相同換熱面積的熱管排組成的換熱器的溫度傳遞矩陣方程為

    Te=Bt…Bi…B2B1Ti, (7)

    其中,Bi(i=1,2,…,t)為第i排熱管的溫度傳遞矩陣。

    當(dāng)熱管每排換熱面積不同時(shí),方程(4)和(7)可為熱力計(jì)算提供一條捷徑,因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)需計(jì)算每排的流體出口溫度。而矩陣Ai或Bi都可直接通過(guò)不同肋片結(jié)構(gòu)或傳熱面積獲得,從而可直接完成各熱管換熱器的熱力計(jì)算。

    1.2　傳熱有效度

    如圖2所示的三流體換熱器中,假設(shè)流體3為冷流體,1、2為熱流體,流體1和3之間、2和3之間的傳熱單元數(shù)分別NTU1、NTU2表示。另外假定流體不混合且m1c1、m2c2都小于m3c3。其中:m為質(zhì)量流量,kg/s;C為比熱容,J/(kg·℃)。定義如下的無(wú)因次數(shù)(其中NTU1/ NTU2為傳熱單元數(shù)比;U為2個(gè)傳熱支路的傳熱單元數(shù)比;Δti為入口溫差比,θ1、θ2為換熱器傳熱有效度):

    由此,得到了順流各排幾何參數(shù)相同的換熱器的傳熱有效度θ與傳熱單元數(shù)NTU、熱容比M、傳熱單元數(shù)比U和入口溫差比Δti的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于逆流,同理,矩陣B各元素有如下關(guān)系式:

    b11+b12+b13=1,　b21+b22+b23=1。

    簡(jiǎn)化得到流體逆流時(shí)的換熱器傳熱有效度為

    如果把b11,b12,b21和b22表達(dá)式代入以上2式,得到的是2個(gè)較復(fù)雜的θ1和θ2的表達(dá)式,此處不贅述。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于每1臺(tái)換熱器可通過(guò)計(jì)算機(jī)編程計(jì)算出換熱器傳熱有效度與傳熱單元數(shù)的特性曲線,供換熱器的使用者隨時(shí)快捷的了解變工況特性。

    圖4和圖5分別給出了順流和逆流時(shí)換熱器傳熱有效度與傳熱單元數(shù)、傳熱單元數(shù)比與入口溫差比的關(guān)系曲線圖。由圖可見(jiàn),增加NTU值到一定程度后,換熱器的傳熱有效度提高不大。也就是說(shuō)換熱器面積增加到一定程度后,再增加換熱面積,換熱器的換熱能力增加也很有限。在三流體熱管換熱器校核設(shè)計(jì)和變工況校核時(shí),可通過(guò)查取換熱器傳熱有效度曲線圖或者用傳熱有效度方程編制計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算。

    2·應(yīng)用實(shí)例

    實(shí)例是一個(gè)煉鐵廠熱風(fēng)爐余熱回收裝置的設(shè)計(jì)及校核計(jì)算,該換熱器已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行了近20年?？諝鉃榱黧w1、煤氣為流體2、煙氣為流體3,其他相關(guān)參數(shù)如表1所示,流體的流動(dòng)方式為逆流。

    設(shè)計(jì)或校核計(jì)算時(shí),首先需要假設(shè)2種流體的出口溫度(如流體2和流體3),通過(guò)熱平衡方程求出流體1的出口溫度。根據(jù)平均溫度的物性、熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)和流體流速可計(jì)算出傳熱系數(shù)和傳熱面積。接著可計(jì)算出NTU、U、M1、M2和Δti。然后計(jì)算得到傳熱有效度。最后通過(guò)傳熱有效度的關(guān)系式計(jì)算出流體1、2的出口溫度,流體3的出口溫度T3e可通過(guò)熱平衡計(jì)算得出。如果是設(shè)計(jì)計(jì)算,計(jì)算出的各流體出口溫度與前面假定的出口溫度不滿(mǎn)足要求時(shí),那么熱管的肋片結(jié)構(gòu)或管排數(shù)就需要調(diào)整,并重新計(jì)算。如果是校核計(jì)算,換熱器的面積是已知的,只需對(duì)假設(shè)的出口溫度進(jìn)行迭代修正。表2列出的是最終的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。

    圖6是該分離型三流體熱管換熱器的傳熱有效度θ與傳熱單元數(shù)NTU的關(guān)系。在實(shí)際運(yùn)行中,由于有4座熱風(fēng)爐交替循環(huán)工作,煙氣的入口溫度和流量都在周期性的發(fā)生變化。在煙氣最高溫度時(shí),熱管內(nèi)的工作溫度和壓力也很高,為了換熱器的安全,需要計(jì)算變工況時(shí)熱管的工作壓力與溫度,作為管組強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。其中1種變工況的3種流體入口溫度分別變?yōu)門(mén)1i=30℃,T2i=50℃,和T3i=350℃。由于煙氣流量是煤氣燃燒的產(chǎn)物,3種流體的流量比M1、M2和傳熱單元數(shù)NTU1,傳熱單元數(shù)比U保持設(shè)計(jì)值不變。這時(shí),Δti=0.937 5。由圖6查得傳熱有效度θ1=0.569 8,θ2=0.517 3,計(jì)算得到T1e=212.33℃、T2e=214.18℃。根據(jù)能量平衡方程算出傳熱量Q=26 911 kW,T3e=177.5℃。由傳熱方程計(jì)算的傳熱量Q=27 410 kW。從2個(gè)角度計(jì)算的傳熱量只相差0.18%。變工況校核計(jì)算證明理論結(jié)果正確。

    3·結(jié)　論

    根據(jù)一個(gè)三流體分離型熱管換熱組件的傳熱分析模型,得到這種換熱器在流體順流、逆流時(shí)的溫度傳遞矩陣方程(2)~(7)。利用溫度傳遞矩陣方程,導(dǎo)出了傳熱有效度θ1、θ2與熱容比M、傳熱單元數(shù)NTU、總傳熱系數(shù)比U、入口溫差比Δti等的關(guān)系式(10)~(13)。并繪出了換熱器的傳熱有效度曲線圖,這些方程可為工程設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算的依據(jù)。傳熱有效度曲線圖能簡(jiǎn)捷的計(jì)算換熱器變工況的出口溫度。

    參考文獻(xiàn):略