（工程热物理专业论文）混合气体水平管外对流冷凝换热机理研究.pdf

北京交通人学硕士论文 中文摘要 中文摘要 为了提高锅炉热效率，必须充分回收烟气余热。天然气燃烧后烟气中含有大 量的水蒸汽，因此烟气余热主要分为两类：烟气显热和水蒸汽潜热。回收烟气余 热时在冷凝换热器内发生的是一个包括传热、传质及相变的复杂物理过程。本文 通过理论分析和实验研究，探讨水平光管外混合气体对流凝结换热的机理和传热 特性。 首先，本文分析了混合气体在水平管外对流冷凝换热的特点，对混合气体的对 流传热与传质过程进行理论分析，运用修正的双膜理论与n u s s e l t 凝结理论相结合 的方法，分析水平单管外凝结换热情况并建立数学模型，利用数值模拟软件和 m a t l a b 进行求解。 其次，设计搭建天然气锅炉烟气余热回收装置实验系统，研究烟气流量、烟 气进口温度、冷却水进口温度、水蒸汽含量等因素对对流冷凝换热的影响，并与 理论计算结果进行比较，二者一致性较好。 综合理论分析与实验研究结果，得到以下结果：对于水蒸汽质量含量在7 一1 2 之间的混合气体( 天然气燃烧后的烟气) ，冷却水管表面液膜厚度在1 0 1 m 至1 0 h 之间，是一个相当薄的膜层，液相导热热阻在整个换热的过程中基本可以忽略， 因此含少量凝结性气体的混合气体在管外发生对流凝结换热时，混合气体流动方 向对换热基本无影响。 另外，区别于单相对流换热准则关联式，利用无量纲温度量l n 将水管壁面温 度、水蒸汽含量( 对应于露点温度) 以及混合气体进口温度对凝结换热的影响加 入关联式。得到混合气体对流冷凝换热总的准则关联式 k 。4 6 0 3 1 r e “1 7 3 b ”“，该关联式在实验工况范围内与实验结果吻合较 好，误差在2 0 以内。 关键词：混合气体、凝结换热、水平单管、传质 u l 北京交通人学硕士论文 a b s t r a c t ho r d c ft oi i l l p r o v eb o i l c rh e a te 伍c i e n c y ，w a s t ch e a tm u s tb ef i i l l yr e c 0 v e r e d a 伊e a t 锄o u n t o fw a t e rv a p o ri sg e n e f a t e dw h n a t u r a lg 觞i sb u m e d ，t h ew 鹤t eh e a t c o n s i s t so fs 锄s i b l e 卸dl a t e mh e a t ac o m p l i c a t e dp h y s i c a lp r o c c s si n d u d i n gh e a t 勰d m a $ t m n s f 打柚dp h 勰ec h a n g ct a k e sp l a c ei nt h ec o n d e n s a t i o nh e a te x c h 锄g c rw h w a s t eh e a ti s 化v e r e df 如mn u eg a s t 1 l em e c h a n i s m 柚dh e a tt 舢s f e rc h a f a c t e r i s t i c s o fc o n v e c t i v ec o n d e n s a t i o nh e a t t r a n s f c rf o rm i x t u r eg 硒n o w i n go v e rah o r i z o n t a l t u b e a r cs t l l d i e db yt l l e o r c t i c a l 卸a l y s i s 卸de x p c r i m e n t a lr e s e a r c hi nt h i sp 印e r f i 鸺t l y ，l h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n v e c t i v ec o n d e n s a t i 咖h c a t t 砌s f c rf o rm i x t t i r cg a s f l o w i n g o v c rah o r i z o n t a lt l i b ei si n t r o d u c e d 锄dh e a ta n dm 鹪st r a n s f c ro fm i x t u r cg 鸹i s a n a i y z e dt h c o r c t i c a l l y am a t h e m a t i c a lm o d e ld e s c r j b i n gc o n v e c t i v ec o n d e n s a t i 彻h e a t t 瑚s f c fi se s t a b l i s h e dt h r o u 曲m o d i f i c df i l mm o d e l 釉dn u s s e l tt h e o r y 卸dt h es o l u t i o n s t ot h ee q u a t i o n sa f eo b t a i n e db ym a k i n gu s eo fn u m e r i c a ls i m u i a t i o n 柚dm a t l a b s o f t w a r e s s e c o n d l y ，w a s t eh e a tr c i ：0 v e f yd e v i c ce x p e r i m e n t a ls y s t e mo ff l u eg a sf r 肌n a t l l r a l g a sb o i l e ri sd c s i 印e da n ds c tu p t h ee 疵c t so fn u eg a sn u x ，n u eg 硒t e m p e r a t u r e ，e n t r y t e m p e m t u r eo f o l i n gw a t c r 柚dw a t e rv a p o r c o n t e n to nc o n v e c t i v ec o n d e n s a t i o nh e a t t r 柚s f e ra r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l 弘e x p e r i m e n t a lr c s u l t s 柚dt h e o r c t i c a lr e s u l t sa r ei n g o o da g r e e m e n t b yc o m b i n gt h e o r e t i c a l a n a l y s i s 柚de x p e r i m e n t a lr e s u i t s ，s o m e n c l u s i o n sc a n b c o b t a i n e d 够f o l l o w s ：a sf b r t h em i x t u r cg 觞i nw h i c ht h em a s sc o n t e n to ft h ev a p o ri s a b o u t7 一1 2 ( t h ef l u eg a sf 如mn a t i i r a lg 勰b o i l e r ) ，t h et h i c l ( 1 l e s so fl i q u i d6 l m 咖t h e w a uo fc o o l i n gw a t e rp i p ei sb e m n1 旷ma n d10 - 5 m ，w 血i c hi s t h i nt h a tt h el i q u i d f i l mc o n d u d i v eh e a t 北s i s t a i l o ec a i lb ei 粤l o r e di nt h ew h o l eh e a tt m s f c rp r o c c 豁，孤d t h e r c f o r co n c o m i n gd i r e c t j 叫o fm i x e dg 弱h 够l i t t l ee 侬斌o na v e r a g eh e a tt 枷s f 打 c o e m c i e n t i na d d i t i o n ad i m e n s i o n l e s sc o e l a t i o n 正f 皇4 6 0 3 1 r e “删1p r l ，3 工n n 7 瑚1 d e s c 曲j n go v e r a l lh e a tt r a n s f e ri se s t a b l i s h e d ，w h i c ht u m so u tt ob ei ng r e a ta g r e e m e n t w i t he x p e r i m e n t a ld a t a ( e 肿ri sw i t h i n2 0 ) 1 1 l ec o r r e l a t i o ni n c l u d i n gad i m e n s i o n l e s s n u m b c rl nw h i c hi n v o l v c st e m p e f a t u r eo fp i p ew a l l ，c n t r yt e m p e r a t u r eo fm i x t u r eg a s a n dd e w p o i n tt c m p e r a t u r ei sm o r c 舳i t a b l et od e s c r i b ec o n v e c t i v e n d e n s a t j o nh e a t t m n s f e ro fm i x t u r cg 弱t h a nt h ec o r r e l a t i o fc o n v e c t i v eh e a tt r 柚s f c ro fs i n 出e p h 弱e g a sw h i c ho n l yi n c l u d e sr e 粕d p r 北京交通人学硕十论文 k e yw b r t l s ：m i x t u f cg a s ，n d 朗s a t j 衄h e a t t 埘l s f c r ，h o f i z o n t a lt u b e v 致谢 转瞬间，研究生的学习阶段即将过去。虽然两年多的研究生学习和生活是短 暂的，但是对于我的一生将是受益匪浅的。研究生期间，我跟随导师贾力教授学 习专业知识，完成科研论文。恩师不知疲倦的工作热情、严谨的治学态度、渊博 的学识和诚实坦荡的做人原则深深地感染了我，使我终生难忘! 在此我对恩师致 以衷心的谢意! 感谢杨立新老师在我论文期间给予的热情帮助和指导，杨老师给我的论文工 作提出了很多宝贵的建议，也帮我解决了许多课题中遇到的实际问题。 感谢刘建华老师在实验实际操作过程中给予的指导和帮助! 感谢北京建筑工程学院钱申贤教授和孙会栋老师在课题实验工作中给予我的 热情指导和帮助! 感谢实验室全体同学的关心和支持，特别感谢齐巍、尹大燕、张涛、黄鹏、 张田田、巴黎明等同学在课题实验工作中给予的帮助与配合，感谢大家! 我还要感谢我伟大的父母，感谢他们一直以来对我学业的鼓励和支持，多年 来他们始终为我无私地奉献着，我将永生不忘! 感谢各位评阅老师和专家在百忙之中评阅我的论文! 最后，在论文即将成稿之际，向所有帮助过我的老师、同学和朋友们表示万 分的感谢! 北京交通火学硕十论文 1 绪论 1 绪论 随着国民经济的快速发展，改变能源结构、改善大气质量的问题已引起中国 政府和社会各界的广泛关注。2 0 0 1 年北京申办2 0 0 8 年奥运会的成功，既为北京的 快速发展提供了千载难逢的好机会，但同时也给北京的环境问题提出了更高的、 更实质性的要求。为此，市政府做出了进行全面能源结构调整的重大决策：到2 0 0 8 年，优质能源在终端能源消费结构中的比重要达到8 0 以上，煤炭所占比重下降 到2 0 以内；在燃料消费结构中煤炭的比重控制在4 8 以内，并且全面取消终端 燃煤。供热锅炉作为城市一次能源消费的主体之一，尤其是采暖季节，其运行消 耗大量燃料，同时排放相当数量的污染物，因此，去年北京市要求市区内的生活 燃煤锅炉全部采用天然气锅炉。与燃煤锅炉不同的是，燃气锅炉通常无尾部受热 面，热水锅炉排烟温度一般在1 3 0 以上，蒸汽锅炉在2 0 0 以上，甚至高达3 0 0 ，浪费了大量的热能，加之天然气成本远高于煤炭，使之运行费用较高。采用 冷凝式烟气余热回收装置，是提高锅炉热效率的有效方式之一。本课题主要研究 管外对流冷凝换热的机理，分析影响换热的各个主导因素，希望给实际工程应用 提供有参考价值的意见。 1 1 烟气余热回收的价值 冷凝型烟气余热回收装置，在回收烟气物理显热的同时，回收烟气中部分水 蒸汽的汽化潜热，利用了天然气高低位发热量差的一部分，因此以低位发热量计 算的锅炉热效率明显提高，通常可达到9 5 以上。同时烟气中水蒸汽冷凝过程对 部分有害气体s 0 x 和n o x 等，有一定的吸收作用，可降低污染物的排放。 1 1 1 烟气中水蒸汽含量分析 与固体燃料煤不同，天然气或其它清洁燃气以c 和h 为主要可燃成分( 煤以 c 为主) ，燃烧后会产生大量的水蒸汽，这部分水蒸汽潜热的排烟损失可达到 1 0 一1 2 ，因此有必要回收这部分的能量。表1 1 为对天然气进行色谱分析后得到 的天然气成分，表1 2 为通过理论计算得到的天然气锅炉烟气中水蒸汽的含量【1 1 。 由表1 2 可以看出，天然气锅炉烟气中水蒸汽容积成分一般为1 3 1 8 ，这 略高于燃油锅炉( 1 0 1 2 ) ，远高于燃煤锅炉产生的烟气中水蒸汽含量( 6 以 下) 。目| ；i 锅炉热效率均以低位发热值计算，尽管名义热效率很高，由于天然气 北京交通大学硕士论文 1 绪论 高低位发热值相差1 0 左右，所以排烟温度较高时，实际热能利用率存在一定问 题。因此，采用冷凝换热器降低排烟温度，同时回收烟气中部分水蒸汽潜热，是 提高锅炉热效率的有效方式之一。 表卜1 天然气成分的色谱分析 t a b k1 一lc h f o m a t o g f a p h i c 卸a l y s i so fn a t u r a lg a sc o m p o n e n t l 成分 c 批 c ：c 1 1 8i 已h l oc 4 h n 2c 如 l 体积含颦( ) 9 2 0 22 0 2o 6 1o 0 7 4o 0 7 71 7 0 43 4 3 表卜2 天然气锅炉烟气中水蒸汽的含最 t a b l e1 - 2w a t e rv a p o rc o n t e n ti nn a t u r a lg a sb o i l e r 过量空气系 1 01 0 51 11 1 51 21 2 51 31 4 1 51 6 数( o ) 质量成分1 2 1 3l l 6 01 1 1 0 1 0 5 8 1 0 1 89 8 09 3 18 5 37 9 47 5 5 ( ) 体积成分1 8 4 21 7 8 91 7 1 51 6 4 71 5 8 41 5 2 61 4 7 11 3 7 41 2 8 01 2 1 2 ( ) 1 1 2 烟气余热回收的经济与环保意义 文献 1 对烟气冷凝热能回收装置在2 1 m w 天然气热水锅炉的实际工程应用状 况中进行了热工与环保测试，获得了经济与环保结果( 表卜3 ) 。在4 0 一4 5 的 锅炉给水温度条件下，采用烟气冷凝热能回收装置后，锅炉热效率能提高5 左右。 那么在相同的供热功率条件下，节约天然气5 6 ，即每蒸吨锅炉节省4 7 m 3 l l ，价 值8 5 元，通过费用折算，对于运行时间较短的热水锅炉，投资回收期最多也只有 一个采暖季，对于蒸汽锅炉，投资回收期则更短。 表1 - 3 烟气冷凝热能同收装置安装前后热i ：测试数据比较 t a b l e1 3l h e m l a lt e s t j n gd a t aw i t ha n dw i t h 叫tt h e 珊a le n e r g ym c o v e r yd e v i c c 给水温度( ) 烟气温度( ) 冷凝液( k g m ) 热效率( )热效率提高( ) 4 07 4 ( 1 3 1 )1 0 89 5 8 1 ( 9 0 0 5 ) 5 7 6 4 58 3 ( 1 4 1 )6 0 9 2 7 5 ( 8 9 1 4 )3 4 3 5 08 4 ( 1 4 7 )3 09 0 6 9 ( 8 8 5 7 )2 1 2 2 北京交通大学硕七论文l 绪论 另一方面，随着锅炉热效率的提高，燃料消耗将减少，污染物的排放量也将 减少，同时由于冷凝液有害气体s o x 和n 0 x 的吸收作用，污染排放量将进一步减 少，总效果在相同供热功率下，减少n o x l 0 以上。 1 2 凝结的概念及机理 1 2 1 凝结的概念及分类 凝结是蒸汽冷凝为液体并放出潜热的过程。当环境温度低于蒸汽压力所对应 的饱和温度时，蒸汽将凝结成液滴。液滴可以存在于气相中，也可以集结在冷凝 器的表面，进行珠状凝结或膜状凝结。 珠状凝结是气体与不易涧湿的冷表面接触，凝结成许多液滴，不形成连续液 膜。由于液珠的表面积比其所占的壁面面积大，而裸露壁面上又无液膜形成的热 阻，所以珠状凝结具有较高的表面换热效率，珠状凝结在很大程度上依赖于壁面 表面条件，而且是一个十分不稳定的现象，因此，当前的热工设计中，往往把珠 状凝结换热忽略，以得到保守的结果。 在易于润湿的冷表面蒸汽凝结成连续液膜称为膜状凝结。因为这是工业冷凝 器中最主要的凝结方式，所以人们已经对它从理论和实验上作了广泛的分析研究， 一般是从温差、压力、表面状况、速度场、蒸汽混合物组成等方面去分析。 1 2 2 凝结机理 凝结基本过程由三个相互独立串接的子过程构成，形成三个相互串联的热阻。 首先，通过流动( 对流输送) 和分子运动( 扩散输送) 蒸汽到达相界面，克服气 相热阻；其次，界面处蒸汽凝结，克服界面热阻；最后，凝结热经液体传导和对 流输送给冷壁面，克服液相热阻。总热阻为蒸汽相热阻、界面热阻和液相热阻之 和，其相对权重随实际过程而异。若蒸汽的过热度大、或蒸汽混合物冷凝、或含 有不凝气体的混合物蒸汽冷凝时，气相热阻就可能很大。本课题研究的混合气体， 水蒸汽质量成分一般为7 1 2 ，属于含大量不凝气体的混合气体对流冷凝换热， 由于混合气体流过冷壁面时，在壁面凝结的液膜非常薄，因此液相导热热阻很小， 界面热阻也可忽略，而水蒸汽要经过对流传质才能到达气液界面进行凝结，因此， 气帽热阻在总热阻中是最重要的一项热阻。 当水蒸汽中含有不凝性气体时，蒸汽混合物向相界面运动，不凝气体会在壁 面集聚，分压升高，形成不凝气体反向扩散压头。而蒸汽在界面处凝结，分压降 3 北京交通大学硕士论文1 绪论 低，低于主流区水蒸汽分压，该压差推动蒸汽向界面扩散。两者构成相向运动【2 】。 如图1 1 所示。随着蒸汽冷凝，不凝气体在壁面附近不断积累，形成一层气膜层， 蒸汽必须克服这一气膜层才能到达壁面，这就导致向液膜迁移的蒸汽质量和速度 都会下降，从而传热能力降低。 p 儿 p t 总绝对压力 p 。蒸气分压力 p 。气体分压力 1 乙蒸气温度 6 气体边界层 图卜1 不凝性气体存在时壁面附近压力温度分布圈 f i g 1 - 1p i e 站u ma n dt e m p e m t u mp m 埘e 眦a ft h ew a nw h e nn o n c o n d e n 鞠b i eg 觞e x i s t s 研究表明，与静止的蒸汽相比，不凝性气体对流动蒸汽的冷凝影响小得多， 这是因为蒸汽流动会带走一部分界面上的不凝性气体，减少了气体边界层内不凝 性气体的浓度，凝结液膜因气相剪切力作用会变薄，液膜导热热阻减小。 因此，含有不凝性气体的蒸汽冷凝，是涉及到蒸汽、凝结液和不凝性气体之 间质量、动量、能量交换以及相间质量扩散的复杂过程。而且，系统压力、蒸汽 过热度、蒸汽流速和不凝性气体种类及含量是影响蒸汽冷凝的重要因素，这使得 蒸汽冷凝换热现象大大复杂化。 1 3 国内外研究现状 目前基于本课题相关方面的研究，主要采用两种方式：理论分析和实验研究。 理论分析目前一般就是对发生的热力学现象进行分析，做一些合理的假设和简化 得出物理模型，然后直接求解计算，或者对动量、传热传质等方程进行适当简化， 以便于求解分析。而实验方法则是基于实验数掘得到经验或半经验关系式。 1 3 1 理论研究 理论分析就是基于边界层理论，采用积分法、相似法、数值法求解简化的控制 4 北京交通人学硕士论文 l 绪论 方程组来研究气体边界层和凝液边界层。 1 3 1 1 不凝性气体存在时的凝结换热研究方法 ( 1 ) 双膜理论法 经典双膜理论是上世纪二十年代由l c w i s w k 和w g w h i t a m 研究传质的机理 时提出的。主要假设是：相互接触的气液两相流问存在着一稳定的相界面，界面 两侧均为有效的滞留膜层；相界面处于气液平衡状态，全部的浓度变化都集中在 两侧有效膜层内。c o l b u m 于1 9 3 3 年提出了强制对流换热准则关系式的一般形式， l 在准则式中采用了一个无量纲的传热因子：i ( 兰一) p r 2 墙，式中，h 为换热系数， g c 。 g 为质量流量，c 。为定压比热。此传热因子是一个关于船的函数。1 9 3 4 年，c h i l t o n 和c o l b u m 又发现显热换热因子f 可以用来类似地表示质量传递1 3 j ，从而提出了传 l 质因子：矗一( 鲁) 2 胆，此式中 啊为对流传质系数。在质量传递量很低时，很多 u 情况下，可以认为，一 ，即传热因子等于传质因子。 因此，在1 9 3 4 年，c o l b u m 和h o u g c n l 4 】基于双膜理论，提出一种估算蒸汽空 气混合气体部分冷凝所需的表面积的方法，在他们的模型中认为，气体边界层传 递的热量等于通过凝结液膜的热量，该热量由两部分构成，一部分是不凝性气体 冷却放出的显热，另一部分是由传质引起的，即界面上蒸气凝结时放出的潜热。 在c h i l t o n 和c 0 l b u m 的研究中，用传质与传热的比拟关系得到传质系数。 c o l b u m 和h o u g e n 的双膜理论是目前广泛采用的一种处理混合气体凝结换热 的方法，但是此原始的双膜理论并没有考虑下列问题： 1 1 传质过程对冷凝过程产生的影响。 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 等对多组分气体在垂 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 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，传热系数需修乖， 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 0 n t e m p s l 5 j 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 变化的，它直接影响到滞流层速度分布，因而必定影响热量、质量的传递过程。 1 9 9 0 年，h j h b m u w e r s 和a k c h e s t e r s 【6 】研究在气膜中或主流中因二元混合 物发生过饱和形态雾状对冷凝传热、传质过程的影响时，应用双膜理论并加以改 5 北京交通人学硕十论文1 绪论 进得到了雾膜结构模型，提出了有效的计算方法。 ( 2 ) 气相热阻法 气相热阻法由s i l v e l 。7 】和b c l l 等人提出的，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，也忽略了传质对它的影 响。同时它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。它的总热阻由液膜 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。 ( 3 ) 边界层法 边界层法就是在一定的势流条件下，直接求出动量、能量和传质方程的相似 解。m o n k o w y c z l s l 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。而且 s p a 玎o w 在文献1 9 j 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 小时以上的迭代时间。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i 日j 传热的总传热速率，在应用上受到了限制。 ( 4 ) 其它方法 k 丑t o t e 【1 0 1 分析研究了少量不凝性气体对多组元蒸汽混合物凝结液膜的影响。 在求解气液界面上的质量扩散方程和多组元的相平衡方程时运用了摄动法( 数学 上的一种非线性方程的求解方法) 。有的学者直接用数值计算方法求解动量、传热、 传质的方程组。有的研究学者还提出所谓的弱凝结和强凝结，p o n g 和m o s e s l 儿】研 究了含有一种不凝性气体蒸汽的强凝结，用这种方法，就可以得到扩散系数作为 凝结气体和不凝结气体物性的函数。 1 3 1 2 水平管外凝结的研究状况 水平管外凝结最丌始也是始于n u s s e l t l l 2 】的层流膜状凝结理论，如前所述，根 据n u s s e l t 凝结理论得出的凝结换热系数使用条件非常苛刻，因此后人针对n u s s e l t 的假设作了很多修正，取得了很大的进展，尤其在以下几个假设方面：( 1 ) 静止 蒸汽；( 2 ) 层流液膜；( 3 ) 惯性力的考虑；( 4 ) 压强梯度力的考虑；( 5 ) 等温壁 面。 如果蒸汽以一定的流速掠过水平管( 一般称为强制对流) ，将把液膜拉薄，从 而使换热增强。1 9 6 6 年，g o m e l l u r j 和s b e i k r i l a d z e 【1 3 l 报道了他们研究蒸汽流速影 6 北京交通大学硕士论文1 绪论 响的结果，并推导出估算界面上剪切力的表达式，他们的结果与低流速实验值吻 合较好，发现换热被大大强化。p 艮s 锄a 和b j a ”l a k s h m i1 1 4 l 在处理气流对液 膜剪切力作用的时候采用柯尔本类比的方法，并证明这种方法是可行的。n i c o l 和 w j l l a c e l l 5 l 通过求解流体流过无吸附表面时的一系列流体动力学边界层方程得到蒸 汽剪切力，并在此基础上研究了水平管外膜状凝结时管壁面的二维导热问题。1 9 8 4 年，h o n d a 和f u j i i i l 6 j 研究了不同方向的气流对水平管外光管凝结换热的影响，认 为水平的气流和竖直向下的气流对平均对流换热系数的影响并无多大差别。 对于动量方程惯性项和对流项的影响问题，s p a 咖w 旧等指出，只有当雅各布 ，一，、 准数妇 o 1 时( 妇一2 旦二丛，代表冷凝液显热与潜热之比) ，才需要考虑对流 l 和惯性的影响，其余情况，n u s s e l t 理论解还是相当精确的。勋m b u l u t 【1 8 】等在研究 纯蒸汽竖直流过水平管时，考虑了液膜动量方程中的压力梯度、惯性项和能量方 程中的对流项的影响，得出了许多有意义的结论，他们发现，除了在临界点，惯 性、对流等的影响都是可以忽略的，压降对水管上游的影响也可以忽略，但是对 于液相分离点位置的决定有很重要的意义。 对于压强梯度力的考虑，文献【1 9 】认为在蒸汽速度较低时，压强梯度力对平均 换热系数的影响可以忽略，而当蒸汽速度较高时，压强梯度效应增大，平均换热 系数明显降低。j w r o s e i 驯也专门对水平管外对流凝结换热的压力梯度效应进行研 究，认为压力梯度项带来两个效应，其一是使管前半部分的换热系数增加，其二 使管后半部分某些位置的凝液产生波动，从而使换热系数高于忽略压力梯度时的 换热系数。 对于非均匀壁温凝结表面的情况，m e m o r v 和r o s e l 2 1 j 在研究中指出，实际运 行中，光滑管管外表面温度沿周向基本是按余弦规律分布的，可写成 t s = a c o s f + 1 阵t 的形式，其中a 主要由管内、外对流换热系数之比决定。之后，z h o u 和r o s e l 2 2 j 对非等壁温的情况进行了数值模拟，考虑了液膜内的二维导热，得出了 该情况下的对流换热系数和表达式。这两篇文献表明，除了个别极端情况外， n u s s e l t 理论解的偏差是很小的，只要以平均温差来代替原n u s s e l t 理论表达式中的 t 即可。 另外，李慧君i 矧等人通过数值模拟研究不同几何形状的水平管：圆管、椭圆 管、菱形管和液滴管在无凝结和有凝结的情况下对换热的影响，结果表明：无论 是有凝结还是无凝结换热，烟气通过液滴管换热器时，压损最小，换热性能好。 1 3 2 实验研究 对蒸汽混合物冷凝现象的实验研究，最早丌始于1 9 2 9 年，0 t h m e r 【2 4 】将直径为 7 北京交通人学硕十论文1 绪论 0 0 7 6 2 m ，长为1 2 2 m 的黄铜管放在静止的蒸气混合物中，得到了换热系数关于空 气体积含量和蒸气混合物与冷却表面之间温差的经验关系式，并且发现蒸汽中空 气的质量含量只占0 5 时，总的凝结换热系数将会减少5 0 。 竖直管内混合气体凝结换热的实验研究也有很多，像b 0 r i s h a n s k i ve ta l 【2 5 1 研究 了蒸汽氮气混合物在垂直管内的强追对流冷凝，他测定了总的凝结换热系数与入 口氮气质量百分比的关系，没有关注局部特性。而i v a s h c h e n c 0e ta l 【2 6 1 也做了相同 的研究，他测量了在总压力为0 8 m p a 下含有氮气的蒸汽在竖直管内总的凝结换热 系数。他们试验中的不凝气体含量变化范围在o 8 之问，主要关注不凝气体在 这一变化范围内对换热的影响力。而李孝萍吲对不凝气体质量含量在8 1 3 范围 内的管内凝结换热也进行了实验研究，得到过渡流( 耗= 2 3 0 0 一1 0 0 1 0 0 ) 和紊流( 耗 = 1 0 0 0 0 ) 时的混合气体对流凝结换热努谢尔数关于雷诺数和普朗特数的关系，根 掘冷却水进口温度的高低分段地确定关系式中的常数，最后还考虑了不凝气体含 量、混合气体流量、冷却水流量等因素对换热的影响。 m e i s e n b u r ge ta l 【2 8 j 研究了蒸汽在垂直管外的强迫对流冷凝，他把实验数据表示 成纯净蒸汽的n u s s e l t 换热系数乘以空气浓度的某个函数。h c n d e r s o n 和m a r c h e l l o l 2 9 j 采用了与m e i s e n b u r g e ta 1 相似的方法，研究了蒸汽在水平管外壁的凝结换热系数。 r o s e l 3 0 j 基于边界层理论研究流体流过有表面吸附的表面时，得到了一个相对 简单的描述蒸汽质量传递速率的等式，这个等式与主流区与界面处的状况有关： 臃d ，9 d ；0 5 r e “2 【1 + 2 2 8 s t l 侣( 彬一矸乙) h 乙】“2 1 ( 1 1 ) 上式中，为气体质量分数，下标i 和* 分别表示界面处和主流区。在推导 上式中没有用到任何实验数据，但是b e 册卸1 3 1 j 以及m i u se ta 1 1 3 2 】在研究蒸汽与空气 混和物的凝结换热时所拟合的实验关系式与式( 1 1 ) 吻合较好，w c k e 【3 3 】也利用 实验结果验证了蒸汽空气、r 1 1 3 氢气混合物在一个大的主流气体组分、主流气体 速度、压力及热流密度范围内，式( 1 1 ) 有较好的吻合度。 s ai d 啪等人在1 9 9 0 对铜制翅片管换热器在有冷凝换热和没有冷凝换热的 情况下分别进行实验l 卅，实验得出了翅片管换热器在干、湿工况以及顺流、逆流 工况、雷诺数范围在4 0 0 至1 6 0 0 之间下的显热传热因子和传质因子的实验关联式： 干工况、顺流：，一o 5 9 5 r e l ”( 1 2 ) 干工况、逆流：，= 0 1 4 5 r e “( 1 3 ) 湿工况、顺流：卜0 3 0 6 r e “”； 一0 1 2 6 r e - 0 ” ( 1 4 ) 湿工况、逆流：卜0 1 0 4 r e 4 。；丘一1 2 1 2 r e 4 “ ( 1 5 ) 实验结果表明凝结的发生使得显热的换热强度略微提高，作者认为这是由于 凝结的发生影响了空气和水蒸汽混合物的速度分布，冷凝液膜的波动，液滴滴落 在翅片上都会使边界层发生扰动，加强显热换热。 8 北京交通人学硕士论文1 绪论 o s a k a b e 对三排错列的光管换热器进行了实验分析【3 5 l p 6 】，管直径为2 5 4 m m ， 混合气体是水蒸汽含量为2 5 左右的烟气。实验分别得到对流换热和对流传质的 关联式，并且通过关联式可计算出液膜最大厚度约为0 1 7 m m ，温差在2 5 以内， 与实验吻合较好，证明了液膜热阻对换热的影响可以忽略。 1 4 课题研究思路 混合气体在水平管外的对流换热问题是一个很复杂的问题，难点主要在以下 两个方面：第一，因为是混合气体，所以涉及到传热传质的耦合问题；第二，水 平横管外的流动和换热的影响因素复杂，目前还没有非常精确的理论解，这也加 大了问题的难度。 结合获得的文献资料来看，目前处理混合气体凝结问题的方法主要有三种： 双膜理论法、气相热阻法和边界层法。气相热阻法方法简单，但是它忽略了气相 中传质扩散的影响，准确度不高；边界层法需要知道液膜附近气膜中的温度分布 和速度分布，然后运用相似变换求得浓度分布，从而得到传质速率，但是如前所 述，水平横管外的流动和换热问题受到众多因素影响，目前还没有非常精确的理 论解，因此运用此种方法还很复杂。目前处理对流传质相对广泛适用的方法就是 基于c o l b u r n 和h o u g e n 的双膜理论法，而且许多学者针对这一方法存在的问题进 行了修证，并将修正式应用到平板和管内的对流换热中，得到了满意的结果，因 此，本文决定采取修正的双膜模型来解决传热传质的问题。 而对于水平管外的对流冷凝换热，有相当多的学者已经针对纯蒸汽作了大量 的研究，仔细考虑了流动速度和方向、压力梯度力、边界层分离、湍流等因素对 凝结换热的影响。但是对于混合气体的对流凝结，研究还相当少，特别是对不凝 气体体积含量在1 3 - 1 8 这一段的研究的很少。根据文献 2 7 ，在这种情况下，凝 结液膜厚度会下降到1 0 或1 0 1 m 的数量级，这就不同于纯蒸汽的凝结，这时候 各影响因素对凝结换热的作用、影响主次就可能发生变化。 综上所述，本课题的研究路线是：将修正的双膜理论与n u s s e l t 管外凝结理 论相结合，对不凝气体体积含量在1 3 _ 1 8 ( 水蒸汽质量含量为7 一1 3 ) 这一范 围内的混合气体水平管外对流凝结换热情况进行理论和实验研究，得出管外凝液 厚度分布情况，考察影响换热系数的几个主要因素，并分析各个因素的影响强弱， 同时与实验进行对比，讨论修j 下的双膜理论的适用性。 9 北京交通大学硕+ 论文1 绪论 1 5 课题研究内容 本课题分两个主要部分，理论分析和实验研究。 理论部分：首先，运用修正的双膜理论与经典的n u s s e l t 管外凝结理论相结 合的方法，分析混合气体水平管外对流凝结换热，建立物理数学模型，求得数值 解，与实验结果和其他学者的结果进行对比，探讨理论结果的正确性。其次，通 过数值结果研究管外表面液膜厚度分布、局部和平均换热系数，比较显热与潜热 的相对大小，由此研究气流速度、壁温、水蒸汽含量、混合气体进口温度等因素 对凝结换热的影响，并分析它们的影响强弱。 实验部分：设计并搭建天然气锅炉烟气凝结换热实验系统，并进行实验，调 节实验工况，研究气流速度、烟气进口温度、水蒸汽含量、冷却水进口温度等因 素对凝结换热的影响。 北京交通大学硕士论文2 水平管外对流凝结换热理论分析 2 水平管外对流凝结换热理论分析 2 1 冷凝发生时的对流传热传质现象 本课题研究的是含湿混合气体横掠水平管时在管外壁发生凝结换热的现象， 混合气体水蒸汽质量含量为7 一1 3 ，其余部分为不凝性气体。 来流含湿混合气体流过水平管外，遇到低于其露点温度的管壁，紧靠壁面处的 蒸汽发生相变凝结为液态，并附着在管壁面上，在管壁面形成一层凝结液膜。此 时壁面附近的水蒸汽分压降至气液界面处分压，可以认为等于界面温度所对应的 饱和分压，它比主流区水蒸汽分压低。同时，不凝气体在壁面附近集聚，形成不 凝气体反向扩散压头，而水蒸汽在主流区与界面处之间形成浓度差。这样传热与 传质过程类似。为阐述方便，表2 一l 所示为稳态、不可压缩混合气体流过水平表 面时传热与传质的对比情况( 3 7 1 。流过水平管表面时，原理完全一样。 表2 一l 对流换热与对流传质的对比 t 曲l e2 - 1c o m p a r i s o nb e t w e e nh e a t 卸dm a 龉“a n 赶e r 对比内容对流换热 对流传质 y _ + l 乞，k y “。，白。 幽示 f， fc 。 【7 。； 7 ； 塑+ 竺。o 丝+ 竺。o 缸妙 觑砂 a “a “a 2 a “a 比a 2 “ 控制方程 “面w 万叫矿一+ v 一一 缸 妙 a y 2 8 t砬a 2 t m o + v o _ 上， “石万刮矿 缸 砂砂2 ) ，霉o ，“i v l 0 ，f t f 。y 暑0 ；o ，c i c _ 坩 边界条件 ，。o 。，“。“。，f f ) ，+ o ，“- 。，o 4 由表2 1 可以看出，传热与传质现象可以完全用形式一样的控制方程表示， 边界条件也基本相同，除了一点：在通常的对流传热问题中，壁面处一般认为是 无滑移边界，即v v 。0 ，而在典型的对流传质问题中v 。一0 。以本课题所研究 的物理现象为例，传质现象之所以发生，是因为水蒸汽在水管壁面凝结，引起水 北京交通大学硕士论文2 水平管外对流凝结换热理论分析 蒸汽浓度差。而因为水蒸汽的凝结，为保持区域内水蒸汽与不凝气体总压头不变， 不凝气体在界面处积聚，其分压比主流区高，于是不凝气体从界面处向主流区扩 散。那么必然有混合气体向壁面的整体运动，用以补偿不凝气体的扩散量和蒸汽 凝结引起的空间。假定这一整体运动速度为矿，水蒸汽为a ，不凝气体为b ，因为 物理过程为稳态，任一界面处不凝气体质量流量应为零，则由斐克定律表达式有： 胧口7 ，优口+ p 口。o 。一d 皇；立+ p p 口，o ( 2 1 ) 叫 解得： y 。旦亟( 2 2 ) pbd y 由于混合气体总密度为：p 一几+ 几，故 矿。一生监 ( 2 3 ) 1 c a 咖 其中d 一质扩散率，m 2 s 肌。一不凝气体总质量流量，k 鲥( m 2 s ) m 。一分子扩散产生的质量流量，k 趴m 2 s ) c 。水蒸汽质量分数 综上所述，由于凝结现象的发生，会在凝结表面法向方向上产生一“诱导速 度”，从而导致对流传质与对流传热不能完全类比。 另外，水蒸汽在冷壁面凝结后，在壁面形成一层非常薄的液膜层，含湿混合 气体流过水平管时，在液膜表面发生对流传热传质，总换热由两部分组成：一部 分是潜热传递，即水蒸汽的凝结，它的大小与蒸汽传质的驱动势有关。另一部分 是显热传递，即烟气与液膜问的对流换热。这两部分热量靠液膜的导热传给壁面。 所以混合气体向气液界面传热量的过程是浓度梯度和温度梯度共同作用的过程， 即对流换热和凝结换热同时存在的复杂过程。 2 2 传热传质的数学模型 上节简单描述了含湿混合气体流经水平管时发生的物理现象，本节根据这些 物理现象，作适当的假设和简化，建立物理和数学模型。 图2 1 所示为水平单管外凝结换热模型和曲线坐标，来流温度t ，来流速度u 。 的含湿混合气体竖直流过壁温为f 。的水平管，由于壁温低于混合气体的露点温度， 致使混合气体中的水蒸汽在管外凝结，液膜在自身重力和气体剪切力的作用下沿 1 2 北京交通大学硕士论文2 水平管外对流凝结换热理论分析 管壁周向流下。为简化模型，引入以下假设条件： ( 1 汽液界面附近存在气相和液相滞流膜层，气液界面处于相平衡； ( 2 ) 壁面上冷凝液膜和气体边界层为层流。忽略液膜和混合气体的壁面法向方 向的速度； ( 3 ) 由凝结引起的诱导速度影响冷凝传热传质过程； ( 4 ) 液膜内温度分布呈线性，传热量以导热方式通过液膜层，气相显热以对流 方式通过气膜层，忽略界面热阻； ( 5 ) 蒸汽边界层分离后对液膜的剪切作用较小，可忽略。 图2 一l 坐标系及物理模型 f i g 2 1c r d i n a t es y s e ma n dp h y s i c a lm o d e l 2 2 1 气膜内温度、浓度分布 含湿混合气体横掠水