管殼式混合水氣冷凝過(guò)程的傳熱與傳質(zhì)

管殼式混合水氣冷凝過(guò)程的傳熱與傳質(zhì)

管殼式換熱器作為一種重要的壁式熱交換器，在石油、化工、空調(diào)、冶金、車(chē)輛、動(dòng)態(tài)等工業(yè)部門(mén)發(fā)揮著極其重要的作用。近年國(guó)內(nèi)學(xué)者在管殼式換熱器的工藝、換熱強(qiáng)化、流動(dòng)模擬及數(shù)值計(jì)算方面進(jìn)行了不懈的研究,并取得了許多有價(jià)值的成果,這些研究成果完善了管殼式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的理論依據(jù)。然而,混合蒸氣冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算因各種影響因素及冷凝機(jī)理的復(fù)雜性在近年的研究中很少涉及。筆者在對(duì)各類(lèi)計(jì)算方法比較分析的基礎(chǔ)上,利用文獻(xiàn)的簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)法進(jìn)行了混合蒸氣冷凝器換熱面積的校核計(jì)算,并通過(guò)計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性和合理性。1冷凝器傳熱量混合蒸氣冷凝器傳熱與傳質(zhì)機(jī)理如圖1所示,當(dāng)冷凝器傳熱管表面溫度低于混合氣的露點(diǎn)溫度時(shí),混合氣中的蒸氣(可凝性蒸氣)冷凝,管表面被濕潤(rùn),并被氣體(不凝性氣體)界膜包圍,混合氣中的蒸氣通過(guò)這個(gè)氣體界膜擴(kuò)散到管表面冷凝。蒸氣的顯熱和潛熱,通過(guò)這個(gè)氣體界膜和冷凝液膜,傳給傳熱管表面。冷凝液表面上的冷凝傳熱量為:Q1=KgMvλvln(p-pcfp-pν)A(p?pcfp?pν)A(1)混合蒸氣與冷凝液表面的顯熱傳熱量為:Q2=hg(Tg-Tcf)A(2)冷凝液表面向管內(nèi)冷卻水的傳熱量為:Q′=he(Tcf-Tw)A(3)由能量平衡Q=Q1+Q2=Q′,則:hg(Tg-Tcf)+KgMvλvln(p-pcfp-pv)=he(Τcf-Τw)=U(Τg-Τw)(4)(p?pcfp?pv)=he(Tcf?Tw)=U(Tg?Tw)(4)式中Kg——可凝蒸氣傳質(zhì)系數(shù),kg/(m2·s);λv——蒸汽的冷凝潛熱,J/kg;p——混合氣總壓,Pa;pv——可凝蒸汽的分壓,Pa;pcf——冷凝溫度對(duì)應(yīng)飽和蒸氣壓,Pa;hg——?dú)鈧?cè)界膜傳熱系數(shù),W/(m2·℃);he——?dú)鈧?cè)以外復(fù)合傳熱系數(shù),W/(m2·℃);U——總傳熱系數(shù),W/(m2·℃);Tg——混合氣溫度,℃;Tcf——冷凝液溫度,℃;Tw——冷卻水溫度,℃。2中心、出口溫度計(jì)算筆者采用簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)法,該方法省卻了大量繁瑣的計(jì)算和迭代過(guò)程,其計(jì)算過(guò)程如下:a.根據(jù)混合氣入口及出口各成分流量決定各組分分壓和相應(yīng)冷凝蒸氣的飽和溫度;b.由冷凝器入口及出口的混合蒸氣量、溫度計(jì)算總傳熱量;c.由總傳熱量、冷卻水進(jìn)出口溫度計(jì)算冷卻水量;d.假定氣體溫度、蒸氣量、冷卻水溫度都是入口和出口算術(shù)平均值的中心點(diǎn);e.對(duì)入口、中心及出口3點(diǎn),由式(4)迭代計(jì)算冷凝液表面溫度;f.由下式計(jì)算傳熱面積:A=Q/2he(Δt)入-(Δt)中l(wèi)n[(Δt)入(Δt)中]+Q/2he(Δt)中-(Δt)出ln[(Δt)中(Δt)出](5)式中Δt為入口、中點(diǎn)及出口處冷凝液與冷卻水的溫差。實(shí)際上,當(dāng)冷凝器混合蒸氣入口可凝氣體過(guò)熱度較大時(shí),步驟d簡(jiǎn)單地將中心點(diǎn)溫度視為入口和出口溫度平均值的做法將會(huì)帶來(lái)較大的計(jì)算誤差。為此,筆者嘗試對(duì)過(guò)熱段和飽和段分別計(jì)算,并通過(guò)疊加所得換熱面積與冷凝器實(shí)際面積比較對(duì)計(jì)算精度進(jìn)行驗(yàn)證。3冷卻水管口布置本次設(shè)計(jì)的管殼式冷凝器E3141結(jié)構(gòu)及流形布置如圖2所示?；旌险魵庥扇肟谶M(jìn)入,在殼側(cè)流動(dòng)方向縱向沖刷冷卻管束,伴隨該過(guò)程可凝氣體不斷凝結(jié),冷凝部分流向出口,未凝及不凝氣體則經(jīng)由管口排向室外;冷水管單程布置;另外為加強(qiáng)擾動(dòng)和霧化蒸氣,在殼側(cè)加裝冷卻水沖洗噴頭。冷水管管形參數(shù)?19mm×1.6mm,L=4.904m,管根數(shù)502;冷卻水工作溫度34.5～40℃,管形布置見(jiàn)圖3。按前述理論,在飽和段插入中間點(diǎn)2,從而將冷凝過(guò)程分為表1所示的3段。為簡(jiǎn)化換熱面積校核計(jì)算,暫不考慮沖洗水對(duì)換熱的影響,并作如下假定:a.在換熱量計(jì)算時(shí),忽略NH3與CO2反應(yīng)熱的影響;b.假定混合蒸氣在過(guò)熱及飽和段的換熱過(guò)程彼此獨(dú)立,過(guò)熱段至飽和段蒸氣組分保持不變;c.混合蒸氣各組分流量、工況在冷凝過(guò)程的飽和至過(guò)冷段中線性遞減。3.1管網(wǎng)密度、混合氣側(cè)傳熱系數(shù)hg不計(jì)管內(nèi)外污垢熱阻,冷凝器總傳熱系數(shù)為:U=1/(1hg+1hiDd+tskDDm)(6)式中hi——冷卻水側(cè)傳熱系數(shù),W/(m2·℃);D——冷水管外徑,m;d——冷水管內(nèi)徑,m;ts——管壁厚度,m;Dm——冷水管內(nèi)外徑平均值,m;k——管材導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃)。混合氣側(cè)傳熱系數(shù)hg由克恩方法按下式求得:hg=0.36kgDe(DeGcμg)0.55(Cμgkg)1/3(μgμgw)0.14(7)式中kg——混合氣導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);De——管當(dāng)量直徑,m;Gc——中心線或距中心線最近管排上錯(cuò)流流動(dòng)的質(zhì)量流速,kg/(m2·s);C——混合氣比熱,J/(kg·℃);μg——混合氣粘度,×10Pa·s;μgw——混合氣在壁溫下對(duì)應(yīng)粘度,×10Pa·s。對(duì)數(shù)平均溫差則先按逆流形式計(jì)算,后用錯(cuò)流形式的?值進(jìn)行修正。于是過(guò)熱段所需換熱面積Ash=Qsh/(UΔT)=28.6m2。3.2冷凝器液表面溫度計(jì)算飽和段換熱面積的計(jì)算按以下步驟進(jìn)行:a.在1→2及2→出口之間分別插入中心點(diǎn)1′和2′,確定1、1′、2、2′出口各點(diǎn)混合蒸氣各組分的狀態(tài)(流量、分壓和溫度);b.分別計(jì)算1→2、2→出口各自換熱量Q1=4186665.8kJ/h,Q2=4235239.7kJ/h;c.將管內(nèi)冷卻水分為兩段(34.5、37.3℃)、(37.3、40℃),近似按氣水逆流進(jìn)行計(jì)算冷卻水側(cè)傳熱系數(shù)、冷凝液界膜導(dǎo)熱系數(shù)、復(fù)合傳熱系數(shù)以及氣側(cè)界膜導(dǎo)熱系數(shù),對(duì)1、1′、2、2′、出口各點(diǎn),hg計(jì)算參照式(7);d.冷凝液表面溫度:各點(diǎn)由式(4)迭代計(jì)算冷凝液表面溫度Tcf;e.由式(5)分別計(jì)算1→2、2→出口兩段的換熱面積A1、A2。步驟c中各系數(shù)應(yīng)遵循相應(yīng)的條件和公式。在紊流狀態(tài)下,冷卻水側(cè)傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為:hidk=0.024[1+(dL)2/3](dGμ)0.8×(cμk)0.33(μμw)0.1(8)式中L——管長(zhǎng),m;G——冷卻水流速,kg/(m2·s);μ——特征溫度下冷卻水粘度,×10Pa·s;μw——管壁溫度下冷卻水粘度,×10Pa·s;c——特征溫度下冷卻水比熱,J/(kg·℃)。對(duì)水平管外冷凝,冷凝液界膜導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算公式為:hc(μ2fk3fρ2fg)1/3=1.51(4Γμf)-1/3,4Γμf≤2100(9)Γ=WLns(10)式中μf——?dú)鈧?cè)冷凝液粘度,×10Pa·s;kf——?dú)鈧?cè)冷凝液導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);ρf——?dú)鈧?cè)冷凝液密度,kg/m3;Г——冷凝負(fù)荷,kg/(m·s);W——冷凝液量,kg/s;ns——當(dāng)量管數(shù)。忽略污垢系數(shù),復(fù)合傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為:1he=1hc+1hidD+tskdDm(11)計(jì)算結(jié)果列于表2,在飽和段計(jì)算中,雖然Q1與Q2具有相同的數(shù)量級(jí),但混合氣由2至出口的冷凝過(guò)程需要比1至2過(guò)程更多的換熱面積,這是因?yàn)殡S冷凝過(guò)程的進(jìn)行混合氣溫度與冷卻水溫度趨于接近而相應(yīng)降低了等效對(duì)數(shù)溫差所致。由此,求得混合蒸氣冷凝器E3141總換熱面積At=Ash+A1+A2=28.6+154.3=182.9m2,與初始設(shè)計(jì)面積(A=146.9m2)的誤差為24.5%,計(jì)算結(jié)果基本合理。實(shí)際上,若進(jìn)一步考慮沖洗水霧化擾動(dòng)作用的影響,氣側(cè)傳熱系數(shù)尚需在上述公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正,從而使總傳熱系數(shù)有所增加,相應(yīng)校核面積與實(shí)際結(jié)果更為接近。4冷凝器傳熱面積校核本文對(duì)混合蒸氣冷