空預(yù)器煙氣側(cè)水分含量對(duì)換熱的影響

北京中電聯(lián)節(jié)能技術(shù)有限公司重慶分公司 張建飛

在空預(yù)器設(shè)計(jì)中，影響空預(yù)器換熱能力的因素很多，而煙氣成分便是其中的一項(xiàng)。雖然在燃煤鍋爐空預(yù)器的熱力計(jì)算過(guò)程中，煙氣成分不明時(shí)，常用標(biāo)準(zhǔn)煙氣來(lái)進(jìn)行熱力估算，但其實(shí)很多工程設(shè)計(jì)人員在面對(duì)不同水分含量的煙氣時(shí)，都還是很想知道水分含量對(duì)空預(yù)器換熱性能的影響。本文以標(biāo)準(zhǔn)煙氣為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上改變含水量等主要參數(shù)，計(jì)算并比較出煙氣中含水量對(duì)空預(yù)器換熱的影響。

一、標(biāo)準(zhǔn)煙氣的基礎(chǔ)計(jì)算參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)煙氣的成分為：76%的N2，13%的CO，11%的H2O。參考眾多電廠的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，暫時(shí)取空預(yù)器煙氣側(cè)進(jìn)口溫度為375℃，出口溫度為150℃為設(shè)計(jì)溫度，假定能把20℃的空氣加熱到280℃。且管內(nèi)外煙氣、空氣流速均為10m/s。管內(nèi)污垢系數(shù)取0.0005，管外污垢系數(shù)取0.00176，管內(nèi)外煙氣、空氣工況壓力為101.325kPa。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行換熱計(jì)算。其中管內(nèi)換熱選擇采用迪圖斯-貝爾公式（考慮溫度修正因子），管外換熱采用如卡烏斯卡斯公式對(duì)流體外掠管束換熱系數(shù)計(jì)算，管道叉排，管排修正系數(shù)取1。

二、不同壓力工況下，標(biāo)準(zhǔn)煙氣的傳熱系數(shù)變化

為對(duì)比不同煙氣壓力下傳熱系數(shù)，分別取管外壓力50kPa,75kPa,101.325kPa,125kPa和150kPa的煙氣進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

通過(guò)公式計(jì)算，煙氣各壓力工況下，不同含水量管外傳熱系數(shù)變化如圖1所示：

圖1 不同壓力下濕度與管外換熱系數(shù)關(guān)系圖

由圖1中可以看出，不同含水量的煙氣對(duì)管外換熱系數(shù)有少量影響，但總體來(lái)說(shuō)影響不大。

在0%-50%含水量的煙氣中，按前文中的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，五組不同煙氣壓力工況下，煙氣管外換熱系數(shù)的曲線呈拋物線，極值（最高的管外換熱系數(shù)）均出現(xiàn)在含水量為32.89%時(shí)。

雖然煙氣壓力變化對(duì)管外換熱系數(shù)的影響較大，但整體上幾乎沒(méi)有過(guò)多改變煙氣水分含量對(duì)管外換熱系數(shù)影響的趨勢(shì)。且存在一個(gè)函數(shù)，y=f(x),其中x為管外煙氣含水量，y為管外煙氣含水量為x時(shí)，管外煙氣對(duì)流換熱系數(shù)/除含水量外，其他參數(shù)相同時(shí)的管外煙氣對(duì)流換熱系數(shù)。X與y的函數(shù)關(guān)系不受煙氣工況壓力影響。

三、不同煙氣流速工況下，標(biāo)準(zhǔn)煙氣的傳熱系數(shù)變化

為對(duì)比不同煙氣流速下，不同煙氣含水量對(duì)管外換熱系數(shù)的影響，分別取管外煙氣流速為6m/s，8m/s，10m/s，12m/s和14m/s的煙氣分別進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

不同的煙氣流速變化對(duì)管外換熱系數(shù)的影響較大，但整體上依然幾乎沒(méi)有過(guò)多改變煙氣水分含量對(duì)管外換熱系數(shù)影響的趨勢(shì)。煙氣管外換熱系數(shù)的曲線依然呈拋物線，極值（最高的管外換熱系數(shù)）仍然出現(xiàn)在含水量為32.89%時(shí)。

四、不同含水量煙氣對(duì)管外對(duì)流換熱的影響關(guān)系式

根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)不同含水量煙氣相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煙氣管外對(duì)流換熱系數(shù)的比值y=f(x),如圖2所示：

圖2 含水量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煙氣管外對(duì)流換熱系數(shù)比值曲線圖

可以看出，y值（含水量為x%的煙氣管外對(duì)流換熱系數(shù)/標(biāo)準(zhǔn)煙氣管外對(duì)流換熱系數(shù)）在0-50%含水量中波動(dòng)并不大，最小值為x=0時(shí)，為0.9882；最大值為x≈32.9時(shí)，1.009，最大值和最小值之間大約只相差了2%。故工程設(shè)計(jì)中，一般情況下可忽略其影響。

如希望進(jìn)行精度不高的簡(jiǎn)單修正，含水量為32.9%以下時(shí)，可采用y=0.07x+0.99進(jìn)行簡(jiǎn)單估算；>32.9%時(shí)，可采用y=1.02-0.04x進(jìn)行簡(jiǎn)單估算；

五、指定標(biāo)況流量下，不同含水量煙氣對(duì)管外對(duì)流換熱的影響關(guān)系式

前文總結(jié)出了不同煙氣含水量對(duì)換熱系數(shù)影響的規(guī)律，但是，這里有一個(gè)問(wèn)題。前文是假定不同含水的煙氣在同一煙氣流速下進(jìn)行的比較或是指定流速的比較。實(shí)際工程中，往往煙氣流速不是一個(gè)恒定值。通常設(shè)備有一個(gè)恒定的換熱面積、流通截面，而煙氣的流量卻可能發(fā)生變化。即便選定煙氣某一標(biāo)況流量，作為研究對(duì)象，但由于煙氣中水分含量的變化，導(dǎo)致煙氣密度的變化。已知煙氣流量一定（體積流量），密度的變化對(duì)管外對(duì)流換熱是有較大影響的，所以研究不同含水量煙氣管外對(duì)流換熱的影響，還應(yīng)該考慮流速變化的因素。

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)煙氣流量為Qkg/h時(shí)，空預(yù)器煙氣側(cè)進(jìn)口溫度為375℃，出口溫度為150℃為設(shè)計(jì)溫度，假定能把20℃的空氣加熱到280℃。且管內(nèi)空氣流速為10m/s。管內(nèi)污垢系數(shù)取0.0005，管外污垢系數(shù)取0.00176，管內(nèi)外煙氣、空氣工況壓力為101.325kPa。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)煙氣為v1m/s時(shí)，含水量為x的煙氣流速為vm/s。取v1分別為6、8、10、12、14時(shí)，煙氣不同含水量的煙氣管外對(duì)流換熱系數(shù)曲線如圖4.

由圖3中可以看出，煙氣質(zhì)量流量一定時(shí)，煙氣含水量越高，管外對(duì)流換熱系數(shù)越高。分析發(fā)現(xiàn)，可能存在函數(shù)關(guān)系式y(tǒng)=f(x），其中X為煙氣含水量，aD為標(biāo)準(zhǔn)煙氣在一定質(zhì)量流量下的管外對(duì)流換熱系數(shù)，ax含水量為x的煙氣在某煙氣流量下，管外對(duì)流換熱系數(shù),Y=ax/aD。

圖3 定質(zhì)量下煙氣含水量對(duì)關(guān)外換熱影響曲線圖

根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)擬合y=f(x）關(guān)系式（見(jiàn)圖4）：

圖4 定質(zhì)量下煙氣含水量對(duì)管外換熱影響系數(shù)圖

考慮到工程設(shè)計(jì)實(shí)際需求，煙氣含水量(體積百分比)與標(biāo)準(zhǔn)煙氣的管外換熱系數(shù)在一定的質(zhì)量流量下，關(guān)系式可簡(jiǎn)化為：y=0.3x+0.96。

六、結(jié)論

煙氣含水量會(huì)影響管外換熱系數(shù)，質(zhì)量流量一定時(shí)，含水量越高，換熱系數(shù)越大，煙氣含水量每增加或降低1%，煙氣管外對(duì)流換熱系數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煙氣約增加或降低3‰。