1、分类号：TKl72密级：公开o单位代码：10422学 号：200912617雾办孑硕士学位论文论文题目：燃气锅炉烟气余热冷凝回收研究与应用Heat Condensate RecoVery Research and Application ofGas-fired Boiler Flue Gas合作 导 师2012年5月3 1日原创性声明4Y2 1 80669本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律
2、责任由本人承担。论文作者签名： i翌!主 日期：关于学位论文使用授权的声明确7上肆芗日动日本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：吐导师签名：篷迸耋孚 日 期：塑蝴旧目录主要符号表V第一章绪论1 11我国能源利用状况l111我国能源利用现状及节能形势1112我国天然气消费212冷凝式锅炉121冷凝式锅炉在国外的发展历史及现状122
3、冷凝式锅炉的国内应用现状一345571011121214151516192l23L 23冷凝式锅炉的分类及形式124冷凝式锅炉的工作原理和特点13本文的研究内容与目标第二章烟气管外冷凝传热数学模型分析 21纯蒸气的冷凝传热过程211纯净饱和蒸汽层流膜状凝结分析解212修正的Nusselt分析解22烟气冷凝传热数学模型及分析解 221烟气冷凝传热传质分析22，2烟气在竖直管外冷凝传熟数学模型及分析解223烟气在水平管外冷凝传热数学模型及分析解22，4烟气冷凝传热分析解的应用第三章燃气锅炉烟气分析及余热潜力计算 31燃气锅炉烟气计算23 312燃烧产物计算2432燃气锅炉烟气余热计算26321烟气
4、余热回收潜力计算2632，2冷凝式换热器热平衡计算323锅炉体系堋平衡计算3l32第四章冷凝式换热器设计3841换热器概述一384。2翅片管式换热器421翅片管换热器概述422翅片管式换热器的分类4，3热管式换热器40404243431热管式换热器概述43432重力式热管433热管换热器474744换热器设计50 441换热器低温介质的选择50442热管式冷凝换热器余热回收系统设计5l443翅片管式冷凝换热器余热回收系统设计52第五章冷凝式换热器的效果分析51冷凝式换热器性能测试555552冷凝式换热器效益分析一56第六章结论一58参考文献一60致谢一64Abs电阻ct in ChineseA
5、bs觚tinEnglishCONTENTSChaptcrl PerfaCe一11 utili盟tion ofeneIjg)r in Chi姐一111 en明醪conservatiin china112的tural g嬲co璐咖叩tion in Chi越V12 condcnsation boi1er一一一一一一3121 dcvelopm衄t ofcondensation boiler abroad一一一_4122 development Of戗n妇a虹on boil盯natiVe一一5123 cl嬲sific撕of condensation boil日一l。24 p血ciple and蚤篾nur
6、es ofcondensation boiler13 main contts and aims ofthis pape卜一5m710ll12Chapter2 Mam锄atical model锄lysis of condensatc heat仃ans向211 锄lysis solution of l锄in盯m即1b啪。吣 cond踟【sation of purcsa瓴l翔ted贰eam一一一一12212 revise ofNusselt analvsis sol嘶on一一-1422 ma也em撕caI modeI锄1d弛alysis soIution一一一一l 5221 condensata h
7、eat and mass t国nsfbr a舱lysis of flue g豳一-1 5222 math锄atical model and柚alysis solution out of吲ical tllbe一一16223 math嗣：natical model and analysis solution伽t of h纰咖l ttlbe一l 9224 use of锄lvsis solution一一2 1Chap把r3 Analy_sis and wastc heat caic讧【atioas一-2331 analysis oftlle gas一-一23311msi幻n of na纽豫l gas-
8、一一23312 calculations of也e gas一2432 waste beat calculations一一一一26321 heat balance calculatiDn一一一32。2 low temp钉锄lre heat soufce calculation3。23 e，【ergy bala埘calculation一一Chapter4 Desi弘of me condensing heat exch锄ge璐41 heat exchan鐾cf觇d cl勰s诫cation一42 tubefin condensing heat exchanger421 overview一一-422 C
9、l觞si右cation of tubef证heat exch姗ger43 heat pipe heat exchanger-一一一431 oveIview一。432鲫ityheat pipe-一一一一433 heat pipe heat eXch姐ger44 Desi萨ofheat eXchange卜一一一441 chOice of low temperature source263l3238384040424343474750504。42 dcsi萨of也e heat pipe heat exch龃g盯443 desi班of也e砌)efm heat eXchangcrChapter5 Ben
10、efit锄l河s of me conde璐ing heat exChanger52 b锄efit锄lysis5152555556586064山东大学硕士论文摘要随着我国优化能源结构，推进节能减排政策，燃气锅炉正在取代燃煤锅炉在城市生活、生产供热中的得到广泛应用，提高天然气利用水平也逐渐成为能源环境工程领域的一个重要课题。天然气燃烧后的烟气中含有体积分数达15一20的水蒸气，排烟温度一般在150以上，这部分水蒸气呈过热状态，其汽化潜热得不到利用，随烟气排出，损失巨大。本文针对燃气锅炉烟气冷凝余热回收问题，从理论和实际应用上进行了系统的研究。首先，借鉴经典的卜h塔selt纯蒸气层流凝结传热系数的研
11、究方法，推导出燃气锅炉燃烧后的含湿烟气在竖壁上和水平圆管壁上冷凝换热的换热系数表达式。由于烟气中不凝性气体占据绝大多数份额，而不凝性气体边界层的存在阻碍了传热传质过程的进行，因而烟气冷凝的传热系数远小于纯蒸气冷凝的传热系数。其次，对济南地区天然气燃烧后的烟气进行研究，对比分析烟气所能回收显热和潜热的数量关系及变化趋势，提出回收烟气中汽化潜热是保证冷凝式换热器充分回收余热的关键因素。然后对锅炉安装冷凝式换热器前后进行炯平衡分析，查找堋损失的环节。第三，根据烟气放热和锅炉给水吸热的平衡关系，发现对于蒸气锅炉仅使用锅炉给水作为低温热源难以保证排烟降至足够低的温度，致使烟气中水蒸气的冷凝比例较小，冷凝
12、式换热器回收余热量受到限制：为解决此阃题，提出了使用组合式换热器的新思路，同时用两种或多种低温热源回收烟气的余热，使排烟温度降至足够低，从而保证烟气中水蒸气的汽化潜热可以被尽可能多的回收。针对具体问题，设计组合式热管换热器，使用锅炉给水和洗澡水作为低温热源来回收燃气锅炉烟气余热。以推导出的公式计算的换热系数作为指导，设计翅片管式冷凝换热器，使用采暖回水作为低温热源回收供暖用燃气锅炉烟气余热。冷凝式抉热器安装后，对其工作参数进行收集分析，组合式冷凝换热器工作状况良好，排烟温度可降至40以下，烟气的潜热利用较充分，回收余热量可使锅炉效率提高12；使用采暖回水作为低温热源的供暖用锅炉冷凝式换热器，其
13、余热回收效果状况与回水温度密切相关，随回水温度降低而变好。山东大学硕士论文关键词：冷凝式锅炉、组合式换热器、热效率、烟气冷凝山东大学硕士论文AbstractAs China删usts锄螂s加JctIIre，mm腿l g嬲boile巧、)Irin replace coal boilefs incities郴eddely in the hting suppl如ng morc and more，锄d how to髑e m曲ralg觞e伍ciI呱ly is bccoming缸im：p。rtant卸ic in旺地field of Energy andEnv拍衄ental Engine甜ngne flue
14、 g懿ofmt哪l gaS boil粥contain嬲much嬲15t0 20 perc胁t of watef V郇阱c锄encing V01ume加ctionwhile也e tempe豫turc ofnatural g弱boilcr fh圯gas is alWays above 150111is part of t11e Vapor issuperheat吼so its lattInt heat ofporiz撕0n c趾notbe uscd and e)【hausted w池tllenue g私，c孤sing huge heat loss111is paper f酏璐es 0n the c
15、onde雎ating heat坞c0Ve巧丘0m成咖raI g丛boil盯fhg勰，syStematically discussing the stIldy也eore廿c“andpractical useFifst，l嘲rning丘Dm Nussen heat tra雌f酹coefficient of 1ami柏r now of pu心wat盯Vapor condensatio玛drive tlle eXpression of the h铋t位msf-er coe街cient、Vh钆伍e moistu佗flue g船condcnsing on也e删cal wall and hodzontal
16、tubeAs tllen锄一ndeable g觞es 0ccupy the m勾研够sh缸e of the加e gas，thefeigts anoncondsable g硒bo咖layer m a：king the heat tralnsfcr coe伍cient of nue g勰much low盱tll蛆也at ofpl鹏water VapoLSecon也也is p印er I舔earehes t：he fke g舔of漱md g鼬1lsed in Jillanand雒a1)，Sis seible heat趾d latent heat rel撕om about the n硼曲cr纽d its
17、协弧dsThispaper raises也at recycle flue g嬲latent heat of vapor沱ation is the key factor t0gIl缸距tee也e coadc珏sing heat eXchangefs reVery e缳cicyThe pap钌a：boresearches the cxergy balance analysis of me m咖ral g硒boiler befb陀龃d aRcr也einstallation of也e condellsing h髓t exch锄ger，叫ng t0 filld out the li刀【l(of也e ex
18、e恸7losses。11hir吐Wh钮studying me balance bem髓losing heat of flg懿and gainingheat of boil盯feed watit is found也at only boiler fced water、以ll not gainoughheat协m a：ke the flue gas tempe豫mre鹊low弱co“【c】蝎atmg enough water Vapor influe gasWithout enou曲water Vapor cond钮撕ng，也e conde璐ing heat饮ch粗gersm山东大学硕士论文effi
19、ciency is limi伽T0 s01Ve也is p耐blem也e paper giVes a new idea to usecombined heat exch缸唱er which will邯e锕o 0r mo坨low唧eratuheat source atthe s锄e ti娥t0 gain heat缸n the flue g嬲缸d c砚mal【e锄re that the tempe豫tIlre ofme e)【h孤st flgas、)Irill be low enough t0黜t11e latellt heat ofwat盯Vapor in tllenue g嬲c柚be recoV
20、凹ed嬲础ch嬲possibleT0 solVe spi丘c issue，mis pap盯desi印s a c伽曲ined heat eXch距ger，瑚ing boiler佗ed water衄d ba廿1watcr船low呻era_turc heat soluce t0 recoVer t11e heatAnd tal【ing也e deduced heat tra璐f打coefncient舔afcrence，也e叭l_chor desi乎坞a filmedt11_be conde璐ing heat exch龇喀erWhich llses heating bac枞cr to recover也e
21、 heatAfIcr in!沏lling the condensing heat懿ch距ge璐，tlle au也0r觚alysis也econdensing heat懿ch趾gers0pemting p啪ete瑙，弛d find 0ut t11at tlley work、eU嬲懿pectedThe tempe均nlre reduced t0 below 40，which、析U姐跚re the latent heat ofVapori2而强c趾be recovered adequatelyne conde璐i119 heat甑ch缸ge飓usedh砒g boile悠n recoVcr more h
22、eat、)l，hen也e he妇g backwaters tempemture islowerK砖w0Ird：cond髓sing boil懿，c伽曲ined heat懿changcr也e衄al e伍ciencynueg丛conde璐ation山东大学硕士论文主要符号表换热系数，W(m2)普朗特数重力加速度，nl，s2动力粘度，Pas厚度，m圆管半径，m导热系数，w(m)速度，一s热量，J热效率增加值过量空气系数温度，摩尔质量，k咖01质量，蚝拥，J努塞尔特准则数雷诺数汽化潜热，kJ俺密度，蚵定压比热，圳g)圆管直径，m圆管外径，m压力，Pa气体常数，J细olK)体积，Nm3含湿量，gl(g绝对
23、温度，K质量分数，妩。J 。传热系数，W(m2)V贴7尸勺J以p足矿吃rr彳七yQ厅ng刁万广名；=以卸口，M协E砧g山东大学硕士论文11我国能源利用状况第一章绪论111我国能源利用现状及节能形势近年来，随着我国经济的持续高速发展，对能源的需求量日益增加。根据国家统计局的统计数据，我国2011年全年能源消费总量达348亿吨标准煤，比上年增长70，能源生产量为318亿吨标准煤，石油对外依存度达到56-3。能源消耗总量逐年增大、对外依存度高企促使我国在各行各业大力推进节能减排。在“十一五“时期，我国把节能作为调整经济结构、转交发展方式的重要突破口，采取了一系列政策措施，使单位国内生产总值能耗累计下
24、降了1906，以能源消费年均66的增速支持了国民经济年均1 12的增速，能源消费弹性系数由“十五“时期的104下降到059。然而我国能源消耗总量则由246亿吨标准煤上升至325亿吨标准煤，且与发达国家相比，能源加工、转换、贮运和终端利用综合效率仍然较低，到2007年时该效率为33，而西方发达国家在20世纪90年代初已达41。能源消耗大户一各类燃烧设备的平均热效率还相当低，发达国家的火电厂能源利用效率一般为35q0，工业锅炉为80：我国则依次为30以下和60一70，我国燃用煤炭、石油、天然气的平均热效率都比发达国家低。提高资源利用率，节能减排是势在必行的。在我国，工业是最重要的能源消耗领域，工业
25、能耗量约占能耗总量的70，显然，只有解决好工业设备节能的问题才能从根本上缓解我国能源耗量大，资源供应紧张的问题n21。化石能源无节制的使用不仅带来能源危机，同时还对大气、水体、土壤等生态圈带来多种破坏影响，造成了严重的环境污染，是环境污染的主要根源【31，已危及自身生存环境。由于大量燃用化石燃料，带来了温室效应、酸雨、臭氧层破坏、大气粉尘污染以及生态环境破坏等严峻的环境危机，都亟待解决，而节约能源，减少化石能源的使用，可以从根本上缓解此类闯题。面对日趋紧张的能源供应紧张形势和保护环境的迫切需求，我国能源战略调整为积极开源节流，坚持节约优先。保护环境，建立稳定、经济、清洁、安全的能源供应体系H3
26、。我国的经济发展也在由过去的以能源、资源消耗为基础的粗放山东大学硕士论文型模式向着资源节约型和环境友好型的模式转变。112我国天然气消费我国是世界上为数不多的以煤炭为主要能源的国家之一，煤炭消费占能源消费总量的70以上，远高于世界平均水平的296随1，我国煤炭消费量占世界煤炭消费量的482。煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物，是工业革命以来人类使用的主要能源之一，我国煤炭采储量大，价格相对石油、天然气低廉，在生产生活中得到广泛应用隋3。然而大量燃用煤炭产生的S02、NO。和烟尘等大气污染物在我国引发了严重的环境污染问题，在世界十大污染最严重的城市
27、中，我国占了四个口1。我国90的二氧化硫排放和大气中70的烟尘，是由燃煤产生的，燃煤给生态环境带来严重损害，也给我们带来了巨大的环境压力。2009年我国一次能源消费构成如图11所示。图中可以看出，我国的能源结构不够合理，化石能源中较为清洁的石油和天然气所占的比例过小，对环境污染较重的煤炭所占比例过大；石油在我国一次能源消费中的比例约18，低于33的世界平均水平。天然气在我国一次能源消费中的比例目前仅约为4，更是远远低于24的世界平均水平和27的美国水平。图卜1 2009年我国一次能源消费比例许多城市治理大气污染的经验表明，改善大气污染状况的根本途径是优化一次能源消费结构。燃烧天然气几乎不排放烟
28、尘和SO。；氮氧化合物排放量较燃煤降低45、较燃油降低63；C0：排放量比燃煤少52、比燃油少26。同时，天然气在工厂供热、居民集中供暖的应用上节能效益明显。大、中型燃煤锅炉房，2山东大学硕士论文运行时的平均热效率仅为75，小型燃煤锅炉运行效率更低；火力发电厂平均热效率约为33，集中供热的热效率约为837，能源转换总效率约为38；而燃气锅炉由于自动控制水平高等原因，其热效率平均可达85以上阳1。实行能源结构调整，提高天然气等清洁能源的使用比例，减少煤炭的使用比例，是我国节约能源、保护环境、实现可持续发展战略目标所采取的重要措施，同时也是大中城市开展环境保护和节约能源的重要课题。对于城市生产生活
29、用热锅炉，国家鼓励使用燃气锅炉替代中小型燃煤锅炉，在我国的很多城市，煤炭正逐步被天然气等更为清洁的能源替代【9】。近年来我国天然气消耗量持续快速增加，2001年到2010年我国天然气消耗量如图12所示【4】，我国天然气消耗量由2000年的245亿立方米迅速增长至2010年的1090亿立方米，年平均增长幅度达161。为保证天然气供应，我国先后实施了陕甘宁天然气进京、西气东输、进口液化天然气LNG项目等大型能源工程，此外拟从中亚、俄罗斯等邻国进口管道天然气。预计2015年我国天然气利用规模超过2000亿立方米，在能源消费结构中的比例提高到7左右【10】。120桨100恹80莩i：200守拶守守守图
30、卜2 2000年到2010年我国天然气消费总量在推广使用天然气的同时需要节约用气，而研究和开发天然气高效利用的新技术、新设备并将天然气高效利用技术设备投入实际运行是目前合理天然气的当务之急。12冷凝式锅炉传统锅炉在设计时，为了防止锅炉尾部受热面的低温腐蚀，都将排烟温度设计的很高。由于可利用烟气潜热的冷凝式锅炉在我国发展较晚，因而大多数燃气锅炉属于传统燃气锅炉，无烟气冷凝装置，排烟温度一般在150250左右，实山东大学硕士论文际热效率一般在90以下。如果将锅炉排烟温度降至烟气露点以下，烟气中的水蒸气就会凝结而放出汽化潜热。将排烟温度降至足够低温时，烟气中水蒸气大量冷凝释放出汽化潜热，如果以燃料低
31、位发热量C!dW为基准，锅炉的热效率可能会达到loo以上的锅炉称为冷凝式锅炉(condensing bioler)【11121。换个说法，冷凝式锅炉就通过将排烟温度降至烟气露点以下，烟气中的水蒸气冷凝，其汽化潜热可以被回收，这样可以大大提高锅炉的热效率。在设计理念上，冷凝式锅炉与一般锅炉差别巨大，传统锅炉设计中，为了避免尾部受热面发生低温结露腐蚀，锅炉的设计排烟温度会远高于烟气的露点温度，也就是选择的排烟温度牺牲了水蒸气的潜热，而冷凝式锅炉则恰好要利用这部分水蒸气的热量。在国外，把能够利用烟气中水蒸气潜热的锅炉统称为冷凝式锅炉。冷凝式锅炉将排烟温度降至很低，可以充分回收利用烟气中的显热和水蒸气
32、的汽化潜热，使锅炉热效率大幅提高的同时，烟气中的酸性气体和烟尘等有害物质浓度也大幅降低，减轻对大气的污染n羽。冷凝式锅炉的利用跟锅炉燃用的燃料密切相关。对于不同燃料，燃烧产生的水蒸气理论值为“钔：1kg煤(山西阳泉无烟煤)燃烧产生036kg水蒸气，1kg燃油产生129kg水蒸气，1kg天然气产生165kg水蒸气。可以看出，冷凝式锅炉燃用气体或者液体燃料时的由于烟气中水蒸气的含量高，节能效果更为显著。大量实验表明，当燃用天然气时，冷凝式锅炉的热效率比传统锅炉热效率提高10。15旧。对于西方发达国家，能源利用结构中天然气占比重大，因而冷凝式锅炉首先在西方发达国家得到研究和应用。121冷凝式锅炉在国
33、外的发展历史及现状1971年，法国煤气公司(Gaz de France)和液化工业公司(LIndustrialde chauffage)最早对冷凝式锅炉进行了研究n酊。并于1972年就已安装了数个示范系统，多年来运行良好。随后德国、瑞士、英国、瑞典、美国的欧美多家公司相继设计出了燃气装置的排烟冷凝回收系统，冷凝式锅炉技术逐渐成熟。随着更多成熟的产品问世，冷凝式锅炉在西方发达国家的采暖等方面得到了越来越广泛的应用n帕。如今，国外冷凝式供热锅炉的生产与应用已经具有一定的4山东大学硕士论文规模。荷兰于20世纪70年开始研制冷凝式锅炉，到1995年时，住宅用户中已有230万台冷凝式锅炉在使用，其余建筑
34、15万台，每年可节约天然气20亿立方米；法国到2000年时冷凝式锅炉已经占到全部供热锅炉的一半以上；英国随着北海油气田的开发，用煤量下降，燃气量大增，一半以上的住宅用燃气供热，冷凝式锅炉的应用也随之得到广泛应用；德国研制出自动化程度很高的2肚1392kw的各种功率的冷凝式锅炉并用于生产生活中：俄罗斯在积极研制5005000kw的单体或模块化燃气冷凝式锅炉；美国大规模使用冷凝式锅炉较欧洲晚，但发展到现在冷凝式锅炉系统的各种技术也已经比较成熟n如。122冷凝式锅炉的国内应用现状在我国，由于20世纪90年代之前我国天然气用量少，天然气用于锅炉很少，冷凝式锅炉的研究和应用不多。近年来，随着国家鼓励发展
35、天然气政策的推行，很多科研单位设计生产了冷凝热能回收装置，应用于了实际的工程，取得了比较好的效果。车得福、林宗虎等n钉对燃气锅炉烟气余热冷凝回收的可行性、潜力蛸鸯i及经济性作了大量研究。123冷凝式锅炉的分类及形式根据冷凝式锅炉的特点，我们将其按如下方法分类n酗：按燃用的燃料不同，可以分为燃煤、燃油和燃气冷凝式锅炉；锄铂按该类锅炉冷凝式热交换器的类型，可以分为安装接触型换热器的、安装间壁式换热器的以及同时安装接触型和间壁型换热器的冷凝式锅炉。安装接触型换热器的冷凝式锅炉根据燃料不同又可细分为安装接触型换热器的燃煤、燃油和燃气冷凝式锅炉，图卜3所示为法国煤气公司设计的安装接触型换热器的燃气冷凝式
36、锅炉，图卜4所示为国内工程师吴天仰设计的一种整体式冷凝锅炉；安装间壁型换热器的冷凝式锅炉可分为安装间壁型换热器的燃煤、燃油和燃气冷凝式锅炉等，图卜5为荷兰Remeha公司生产的间壁式冷凝锅炉；同时安装接触型和间壁型换热器的冷凝式锅炉根据燃料不同细分为同时安装接触型和间壁型换热器的燃煤、燃油和燃气冷凝式锅炉n耵。山东大学硕士论文6图卜3法国煤气公司设计的冷凝式锅炉系统卜锅炉本体2一喷淋式换热器3一供暖系统循环回路4-二次热媒循环回路5一泵7658 9 10 ll 12图卜4国内工程师设计的冷凝式天然气锅炉卜燃烧器2一燃烧室3一炉膛4一对流受热面5一出水管6一锅炉壳体7一排汽管8一排烟管道9弯头1
37、0进水管1l一排烟口12一换热器13一圆锥体14-连管山东大学硕士论文图卜5荷兰Remeha公司生产的间壁式冷凝锅炉l一铸铁换热器(主换热器)2一铝制换热器1600为紊流【39】。本文主要考虑层流过程。211纯净饱和蒸汽层流膜状凝结分析解早在1916年，Nusselt就建立数学模型，重点考虑膜状凝结过程的主要热阻一液膜层的导热热阻进行推导，通过对数学模型进行简化，创造性地推导出纯蒸气层流膜状凝结的数学分析解，给出导热系数、汽化潜热、竖壁长度、动力粘度以及蒸汽、壁面温度等参数对该凝结换热的影响，为后人运用理论推导凝结换热树立了典范【39删。图21是纯饱和蒸汽在竖壁上或竖直圆管上的膜状凝结示意图。
38、xl图21竖壁上纯饱和蒸汽膜层流状凝结示意图Nusselt在分析中做了一些合理的简化，主要有：(1)纯净饱和水蒸气层流膜状凝结；(2)物性为常数；(3)蒸气静止，气液截面上没有对液膜的粘滞应力；山东大学硕士论文(4)液膜的惯性力忽略不计：(5)汽液截面上无温差；(6)液膜内只有导热，无对流传热：(7)液膜的过冷度忽略，不计液膜降温放热；(8)蒸气密度相对于冷凝液密度忽略不计，不计浮力的影响；(9)液膜表面无波动。根据上述假定，Nusselt推导出纯蒸气在竖壁上z处的局部表面传热系数办，和整个竖壁上的平均表面传热系数与液膜导热系数届、饱和温度、壁面温度f。、液膜的动力粘度77l、水蒸气汽化潜热7
39、、以及竖壁上液体重力方向的距离x和竖壁长度三之间的关系：炉老l4忙43踽14Nusselt还研究了单根水平圆管外侧水蒸气的层流膜状凝结，膜状凝结示意图如图22。(21)堆，(22)单根圆管图22水平圆管外饱和蒸汽膜状凝结示意图通过推导，得到水平圆管上层流膜状凝结的平均换热系数hH与水平管直径之间的关系式：山东大学硕士论文m5蓑矧4 协3)212修正的NusseIt分析解随着人们对凝结传热研究的深入，在分析的过程中考虑了套iusselt忽略的次要因素，对N-usselt分析解进行了不同方面地修正。当饱和蒸汽作层流膜状凝结时，事实上全部冷凝液都是过冷的，为此Bromely考虑凝结液体过冷的实际情况
40、，得出修正的竖壁上层流膜状凝结的平均换热系数hBr： 删肌3盟半筹产l，4c24)式中的0375cp(ts即为考虑冷凝液过冷度的修正，(岛一A)为考虑蒸汽密度影响的修正。R0hsenow W M不仅考虑了冷凝液是过冷的，而且还考虑了液膜内的温度是非线性的，选取冷凝模型微元段做能量积分方程，将温度的试探函数带入后连续迭代得出纯蒸气在竖壁上的层流膜状凝结的平均换热系数表达式。Sp煳w和Gregg考虑了液膜的动量变化及能量对流，并认为蒸气冷凝放热同时以导热和对流方式进行传递，为此，他们进一步对套Jllssen分析解进行了修正，他们的研究仅比Nusselt推导的式22高出1，说明了液膜较薄时，惯性力与
41、能量对流影响很小，可以忽略。MMCh阻考虑蒸气阻力的影响推导出了他的修正解。他还研究了水平圆管外壁面温度f。均匀时蒸气的冷凝情况，分析凝结液动量变化和能量对流的影响，求解汽一液界面上的能量方程和单根水平管的液膜边界层方程，得到 抛8喘l，4像5)对比式23和式25，可以看出凝结液的动量变化和能量对流对冷凝传热影响较小。当水平圆管有多排管束时，对于下部的管束，MMCh认为随着凝结液向下流动，下部管子上的液膜比最上层厚，同时液体在流动过程中会降温过冷，流至下层的过冷液体会促进蒸气凝结，基于上述考虑，推导得出第n根水平管子的层流膜状冷凝换热系数hn和第1根水平管子换热系数hl之比，见式26：鲁=去塾
42、+。华圳3，3H 协6，14山东大学硕士论文式中D=lC”+，+砂+，上标“+”表示该参数为相似分析法得出的无量纲参数。实验表明，当蒸气层流膜状凝结时，由于表面张力等影响，实际的竖壁层流膜状凝结平均换热系数b比理论值大约20，因此用式27计算更加合理。删3盟艺筹产巡l，4 协7)22烟气冷凝传热数学模型及分析解221烟气冷凝传热传质分析当蒸气中含有不凝性气体时，会对冷凝换热造成很大的影响，即使水蒸气中只含质量分数为1的不凝性气体，也会使传热系数降低69】。燃气锅炉产生的烟气中，水蒸气的体积分数一般仅为15也0，不凝性气体占据绝大多数，因此烟气的冷凝换热过程与纯蒸气的冷凝换热有所不同。烟气在冷凝
43、换热器内的换热过程可以分为烟气的显热放热和水蒸气的冷凝放热两部分。为了方便后续章节中进行换热器的设计分析，考虑将这两个换热过程作为一个整体的换热过程来分析，通过建立竖壁上和水平圆管外壁上的冷凝传熟数学模型，推导得到一个整体的换热系数啪1。烟气的换热热阻除了壁面上的冷凝下来的液膜的热阻外，还存在着不凝性气体边界层的热阻，并且由于烟气中不凝性气体占据大多数份额，不凝性气体边界层的熟阻占据主导地位。凝结过程中，在靠近液膜表面的烟气侧，随着水蒸气的不断凝结，水蒸气的分压力会持续减小，凝结变得越来越困难。同时水蒸气在管壁上冷凝之前必须扩散穿过气液表面的不凝性气体边界层。因此烟气的冷凝放热同时存在着传质的
44、阻力的增大和传热动力的不断下降，凝结过程不断被削弱。因此烟气的冷凝放热与纯蒸气的冷凝放热相比不同之处有：(1)随着烟气的不断放热，凝结表面各处的凝结温度不同；(2)不凝性边界层对水蒸气的传热传质都会造成影响，凝结过程除传热外，还有传质的影响删。本章首先对烟气在竖直管壁上的冷凝换热情况进行分析，根据竖直管壁上和山东大学硕士论文水平管壁上的重力关系推导水平管壁上冷凝传热系数的分析解。222烟气在竖直管外冷凝传热数学模型及分析解以卜iusselt纯蒸气在竖壁上层流膜状凝结理论分析的数学模型为基础，根据烟气冷凝的特点，建立如下冷凝模型：l 2 3图2-3烟气在竖壁或竖直圆管外壁冷凝换热数学模型1管壁2
45、一液膜层3气体边界层沿竖壁向下为x轴，沿液膜厚度增加方向为y轴，对该模型做如下假设：(1)系统处于稳态，混合气体不流动；(2)物性参数为常数；(3)壁面温度恒定；(4)液膜的惯性力可忽略不计；(5)气液界面无温差，液膜温度等于饱和温度；(6)烟气中的水蒸气单向扩散至壁面，冷凝放热，同时干烟气和水蒸气一起以导热方式对恒温壁面放热：(7)根据C01bumHougen模型，冷凝换热的主要热阻集中在不凝性气体层，在烟气中，不凝性气体占绝大份额，因此忽略冷凝液膜热阻。按照图21，取重力方向为x轴，管子径向为y轴，建立如下边界层微分方程组：山东大学硕士论文宴+宴：o (2-8)一+=O 【Z-8)孤却 。
46、 。夕。罢+V一去+店+刁等 c2别夕i+V剖=一专+店+，7西 【2。9)戤 dy 锻 秽掰罢+V考=口等 协掰面押面跏矿 心1w本章所用符号的下标w表示壁面、，表示液体，g表示烟气，倒表示水或水蒸气处于饱和状态。式28210分别称为连续性方程、动量方程和能量方程。根据假定条件(4)，式2-9左侧可以忽略，勿出可以按y=6处的液膜表面蒸汽的压力梯度计算。同时考虑假定条件(1)，则有咖出=Ag，气体密度远小于液体，因此相对于届g，凤g可以忽略，同时考虑假定条件(5)，可将前方程组28210简化得到：仍鲁+房g：o (2-11)仍萨+房950 1堕：o (2-12)砂式212和213的边界条件是
47、：y=0时，=0，f=0；y=磊时，鲁=o，f=。将边界条件带入式212和213中分别积分两次，可以得到液膜内的速度分布函数材和温度分布函数f：“=三_星(历J，一05y2) (213)|if=”(f埘一。)考 (2-14)利用速度分布公式213，通过竖壁上x处的1m宽度或lm圆管弧长的冷凝液的质量流量2。、凝结液膜质量流量在出内的增量分别为：17山东大学硕士论文=警 (215)丸=华 协根据假定条件(6)，做如图2-4所示，工处微元体热平衡可得 附吼训】电+掣出=乃警出(2-在式217中，同时存在假设的液膜层厚度4和气体边界层厚度以，为了进行计算需要消掉其中一个。lr dq皿 do-图24微元体的质量平衡和热平衡由于假设气体为滞止状态，根据质量扩散方程和单向传质模型公式，可得质量流量与水蒸气气体常数尺砑、水蒸气在烟气中扩散率D、大气压风、水蒸气饱和分压力p奠锄及水蒸气实际分压力p鼻碍的关系式”嚣专h等出=华 协式218给出液膜层厚度4和气体边界层厚度以之间的关系联立式217和式2-18，消掉气体边界层厚度以，有 鼢(勺+以老“训争糊=乃譬出(2-19)ln塑塑 。疗 叼山东大学硕士论文令
