逆流換熱器 傳遞系數分析

張明智,任敬科,徐培培,魏 博

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院,河北 保定 071003)

逆流換熱器 傳遞系數分析

張明智,任敬科,徐培培,魏 博

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院,河北 保定 071003)

在考慮管壁壁厚熱阻和管壁污垢影響的情況下,導出了逆流換熱器高低溫流體的溫度分布和管壁溫度分布計算式。在考慮傳熱過程有壓降的情況下,導出了逆流換熱器的高低溫流體的局部 傳遞系數。計算式中體現出了兩者內在的耦合關系,通過分析 傳遞系數得出換熱器的 損分布,為確定合理的運行參數以及優化結構參數提供參考。

逆流換熱器; 傳遞; 傳遞系數;污垢

0 引 言

換熱器是工程領域中使用比較廣泛的一個熱量交換設備,如何對換熱器進行優化設計,提高換熱器性能對于改進系統的用能過程、降低能量消耗有極其重要的意義。目前,對各種各樣的換熱器的性能分析一般有兩種方法,一種是依據能量的數量守恒關系,即以熱力學第一定律為基礎,分析換熱器的能量在數量上傳遞、利用和損失的情況,并以能效率和傳熱有效度來反映它的性能;另一種方法則是根據能量中 的平衡關系,即以熱力學第二定律為基礎,分析換熱器中 的傳遞、利用和損失的情況,其主要有熵產分析法[1～5]和分析法[6～9]。

在換熱器的熱工計算中,常常利用傳熱速率方程和傳熱系數方程聯立求解傳熱量、傳熱面積、分離換熱系數和污垢熱阻等參數。文獻 [10]在推導換熱器高低溫流體及管壁溫度變化關系式時,先假定管壁熱絕緣系數和壁厚不計,且也忽略了管壁污垢的影響,最后再對有關系數進行修正。由于換熱器在運行過程中,常常會出現水垢、污泥和油污等垢層,本文在推導過程中,考慮了壁厚熱阻及管壁污垢的影響,并結合熱力學理論,推導出換熱器的局部 傳遞系數,通過分析 傳遞系數來得出換熱器的 損分布,為工程中確定合理的運行參數以及優化結構參數提供參考。

1 高低溫流體溫度關系式的推導

為了推導逆流換熱器的傳熱過程,需要對以下工作做出假設[11]：①高、低溫流體的熱容量C(質量流量qm與定壓比容 cp的乘積)在整個換熱表面為常量。②換熱器無散熱損失。③換熱系數在整個換熱面上不變。④管外給熱、管內給熱的傳熱表面積相等。

對于換熱器的微元面積 d Ax(如圖 1所示),當其趨近于微分值時,從高溫流體流向管外壁的熱流量為：

圖1 換熱器典型換熱過程Fig.1 Typicalexchange process of the exchanger

在考慮管壁污垢的情況下,從管外壁到管內壁導熱的熱流量為：

同時,高溫流體與低溫流體獲得的熱量又可以表示為：

以上兩式中,負號表示沿著面積增加的方向 (從左到右)兩流體的溫度都是降低的。

根據 (1)式和 (4)式可以得到關于管外壁Tw的關系式,根據 (3)式和 (5)式可以得到關于管外壁 tw的關系式,把Tw, tw關系式代入 (2)可得Th與 Tc的關系式：

式中：T為溫度,℃;T0為環境溫度,℃;h為下標,高溫流體;c為下標,低溫流體;1為下標,進口;2為下標,出口;α為對流換熱系數,W/(m2·K);δ為管壁污垢厚度,m;b為管壁厚度,m;α為對流換熱系數,W/(m2·K); λ為導熱率,W/(m·K);w為下標,管外壁流體;tc為管內壁溫度,℃。

2 逆流換熱器 傳遞系數的推導

在一定狀態下,換熱器的穩流工質從給定狀態變化到環境狀態時所能做出的最大有用功,即為穩流工質的物流 ,以Ex表示。假定流體為不可壓縮流體,則對如圖 1所選控制微元體,其換熱器的 傳遞方程為[12]：

對于穩定流動工質的 ,通常是指其能量焓中的 ,那么單位 可以表示為：

如果取T,P為獨立變量,即 ex=ex(T,P),那么則有：

(28)式中：αv稱為體膨脹系數[13],單位為K-1,表示物質在定壓下比體積隨著溫度的變化率。

再把 (24)式和 (29)式代入 (19)式,可得：

3 實例分析

以某電廠 8號高壓加熱器如圖 2為例,具有過熱蒸汽冷卻段、飽和蒸汽凝結段和疏水冷卻段三段式傳熱,臥式,U形管,二流程,傳熱管材質為碳鋼,計算參數見表1。

圖2 高壓加熱器簡單示意圖F ig.2 Sim ple d iagram of high pressure heater

表1 高壓加熱器計算參數T ab.1 Ca lculate param eter o fh igh pressure heater

基于 傳遞基礎原理,用 MATLAB軟件對 8號高加進行 傳遞系數分析得出：

(1)由圖 3(a)可知,過熱段汽側 傳遞系數隨著流體溫度的降低而降低,且降低的速率由慢變快。由圖 3(b)、圖 3(c)知,凝結段和疏水段高溫流體 傳遞系數隨著溫度的降低而降低,降低的速率幾乎保持不變。而由圖3(d)得,給水側的傳遞系數也隨著溫度的降低而降低,基本保持一次線性。

(2)比較圖 3不難發現,蒸汽側的 傳遞系數在 2 820～4 070之間,要遠小于給水側的 傳遞系數28 400～29 000。也就是說蒸汽側的 阻要遠大于給水側的 阻,那么蒸汽側的 損失要比給水側的損失大的多。隨著溫度的降低,汽側壓力降低很快,水側壓力變化不大,即有壓降造成的 損失管壁外蒸汽側也要明顯大于給水側。

(3)對于高溫流體, 傳遞系數在凝結段最大,幾乎是過熱段與疏冷段的 5倍,因而,在凝結段的阻也比過熱段與疏冷段要小很多,在凝結段的平均 損也要小。理論上說明了凝結段的換熱面積越大,整個汽側平均 損越少。

4 結 論

(1)對考慮污垢和管壁厚度情況下換熱器的傳遞系數進行了分析,并給出了在考慮壓降情況下的 傳遞系數。

(2)通過 傳遞分析,對換熱器各段 損失的大小有了客觀的認識,從而為確定合理的運行參數以及優化結構參數提供參考。

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Analysis on Exergy T ran sfer Coefficien t o fCounter fo lw H eatExchanger

Zhang Mingzh,i Ren Jingke,Xu Pe ipe,i We iBo
(SchoolofEnergy Powerand MechanicalEngineering,North China E lectric Pow erUn iversity,Baod ing 071003,China)

Considering the in fluence on the therm oresistance and fouling o f tubew a l,l the temperature d istribution o fh igh-low temperature fluid and tube tem perature distribution formu la are derived.Considering the pressure dropo f theheat-transfer process,the partia l exergy transfer coeffic iento fhigh-low tem perature flu id of the counterflow heatexchanger is exported.The form u la reflec ts the interna lcoupled re lation between them.The exergy loss distr-i bution of theheatexchanger is obtained by analyzing the exergy transfer coefficientw hich provides reference fordeterm ining the reasonable operational parameter and optimizing structuralparam eter.

counter flow heatexchanger;exergy transfer;exergy transfer coeffic ient;fou ling

TK 123

A

2009-11-06。

國家自然科學基金資助項目 (50877027)。

張明智 (1956-),男,副教授,主要從事電廠熱力學分析,E-mail：51688@sohu.com。