逆流换热器 传递系数分析

张明智,任敬科,徐培培,魏 博

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院,河北 保定 071003)

逆流换热器 传递系数分析

张明智,任敬科,徐培培,魏 博

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院,河北 保定 071003)

在考虑管壁壁厚热阻和管壁污垢影响的情况下,导出了逆流换热器高低温流体的温度分布和管壁温度分布计算式。在考虑传热过程有压降的情况下,导出了逆流换热器的高低温流体的局部 传递系数。计算式中体现出了两者内在的耦合关系,通过分析 传递系数得出换热器的 损分布,为确定合理的运行参数以及优化结构参数提供参考。

逆流换热器; 传递; 传递系数;污垢

0 引 言

换热器是工程领域中使用比较广泛的一个热量交换设备,如何对换热器进行优化设计,提高换热器性能对于改进系统的用能过程、降低能量消耗有极其重要的意义。目前,对各种各样的换热器的性能分析一般有两种方法,一种是依据能量的数量守恒关系,即以热力学第一定律为基础,分析换热器的能量在数量上传递、利用和损失的情况,并以能效率和传热有效度来反映它的性能;另一种方法则是根据能量中 的平衡关系,即以热力学第二定律为基础,分析换热器中 的传递、利用和损失的情况,其主要有熵产分析法[1～5]和分析法[6～9]。

在换热器的热工计算中,常常利用传热速率方程和传热系数方程联立求解传热量、传热面积、分离换热系数和污垢热阻等参数。文献 [10]在推导换热器高低温流体及管壁温度变化关系式时,先假定管壁热绝缘系数和壁厚不计,且也忽略了管壁污垢的影响,最后再对有关系数进行修正。由于换热器在运行过程中,常常会出现水垢、污泥和油污等垢层,本文在推导过程中,考虑了壁厚热阻及管壁污垢的影响,并结合热力学理论,推导出换热器的局部 传递系数,通过分析 传递系数来得出换热器的 损分布,为工程中确定合理的运行参数以及优化结构参数提供参考。

1 高低温流体温度关系式的推导

为了推导逆流换热器的传热过程,需要对以下工作做出假设[11]：①高、低温流体的热容量C(质量流量qm与定压比容 cp的乘积)在整个换热表面为常量。②换热器无散热损失。③换热系数在整个换热面上不变。④管外给热、管内给热的传热表面积相等。

对于换热器的微元面积 d Ax(如图 1所示),当其趋近于微分值时,从高温流体流向管外壁的热流量为：

图1 换热器典型换热过程Fig.1 Typicalexchange process of the exchanger

在考虑管壁污垢的情况下,从管外壁到管内壁导热的热流量为：

同时,高温流体与低温流体获得的热量又可以表示为：

以上两式中,负号表示沿着面积增加的方向 (从左到右)两流体的温度都是降低的。

根据 (1)式和 (4)式可以得到关于管外壁Tw的关系式,根据 (3)式和 (5)式可以得到关于管外壁 tw的关系式,把Tw, tw关系式代入 (2)可得Th与 Tc的关系式：

式中：T为温度,℃;T0为环境温度,℃;h为下标,高温流体;c为下标,低温流体;1为下标,进口;2为下标,出口;α为对流换热系数,W/(m2·K);δ为管壁污垢厚度,m;b为管壁厚度,m;α为对流换热系数,W/(m2·K); λ为导热率,W/(m·K);w为下标,管外壁流体;tc为管内壁温度,℃。

2 逆流换热器 传递系数的推导

在一定状态下,换热器的稳流工质从给定状态变化到环境状态时所能做出的最大有用功,即为稳流工质的物流 ,以Ex表示。假定流体为不可压缩流体,则对如图 1所选控制微元体,其换热器的 传递方程为[12]：

对于稳定流动工质的 ,通常是指其能量焓中的 ,那么单位 可以表示为：

如果取T,P为独立变量,即 ex=ex(T,P),那么则有：

(28)式中：αv称为体膨胀系数[13],单位为K-1,表示物质在定压下比体积随着温度的变化率。

再把 (24)式和 (29)式代入 (19)式,可得：

3 实例分析

以某电厂 8号高压加热器如图 2为例,具有过热蒸汽冷却段、饱和蒸汽凝结段和疏水冷却段三段式传热,卧式,U形管,二流程,传热管材质为碳钢,计算参数见表1。

图2 高压加热器简单示意图F ig.2 Sim ple d iagram of high pressure heater

表1 高压加热器计算参数T ab.1 Ca lculate param eter o fh igh pressure heater

基于 传递基础原理,用 MATLAB软件对 8号高加进行 传递系数分析得出：

(1)由图 3(a)可知,过热段汽侧 传递系数随着流体温度的降低而降低,且降低的速率由慢变快。由图 3(b)、图 3(c)知,凝结段和疏水段高温流体 传递系数随着温度的降低而降低,降低的速率几乎保持不变。而由图3(d)得,给水侧的传递系数也随着温度的降低而降低,基本保持一次线性。

(2)比较图 3不难发现,蒸汽侧的 传递系数在 2 820～4 070之间,要远小于给水侧的 传递系数28 400～29 000。也就是说蒸汽侧的 阻要远大于给水侧的 阻,那么蒸汽侧的 损失要比给水侧的损失大的多。随着温度的降低,汽侧压力降低很快,水侧压力变化不大,即有压降造成的 损失管壁外蒸汽侧也要明显大于给水侧。

(3)对于高温流体, 传递系数在凝结段最大,几乎是过热段与疏冷段的 5倍,因而,在凝结段的阻也比过热段与疏冷段要小很多,在凝结段的平均 损也要小。理论上说明了凝结段的换热面积越大,整个汽侧平均 损越少。

4 结 论

(1)对考虑污垢和管壁厚度情况下换热器的传递系数进行了分析,并给出了在考虑压降情况下的 传递系数。

(2)通过 传递分析,对换热器各段 损失的大小有了客观的认识,从而为确定合理的运行参数以及优化结构参数提供参考。

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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。

国家自然科学基金资助项目 (50877027)。

张明智 (1956-),男,副教授,主要从事电厂热力学分析,E-mail：51688@sohu.com。