混合气体水平管外对流冷凝换热机理研究

【摘要】： 为了提高锅炉热效率,必须充分回收烟气余热。天然气燃烧后烟气中含有大量的水蒸汽,因此烟气余热主要分为两类:烟气显热和水蒸汽潜热。回收烟气余热时在冷凝换热器内发生的是一个包括传热、传质及相变的复杂物理过程。本文通过理论分析和实验研究,探讨水平光管外混合气体对流凝结换热的机理和传热特性。 首先,本文分析了混合气体在水平管外对流冷凝换热的特点,对混合气体的对流传热与传质过程进行理论分析,运用修正的双膜理论与Nusselt凝结理论相结合的方法,分析水平单管外凝结换热情况并建立数学模型,利用数值模拟软件和Matlab进行求解。 其次,设计搭建天然气锅炉烟气余热回收装置实验系统,研究烟气流量、烟气进口温度、冷却水进口温度、水蒸汽含量等因素对对流冷凝换热的影响,并与理论计算结果进行比较,二者一致性较好。 综合理论分析与实验研究结果,得到以下结果:对于水蒸汽质量含量在7%-12%之间的混合气体(天然气燃烧后的烟气),冷却水管表面液膜厚度在10-6m至10-5m之间,是一个相当薄的膜层,液相导热热阻在整个换热的过程中基本可以忽略,因此含少量凝结性气体的混合气体在管外发生对流凝结换热时,混合气体流动方向对换热基本无影响。 另外,区别于单相对流换热准则关联式,利用无量纲温度量Ln将水管壁面温度、水蒸汽含量(对应于露点温度)以及混合气体进口温度对凝结换热的影响加入关联式,得到混合气体对流冷凝换热总的准则关联式Nu = 4.6031Re 0.49011 Pr1/3 Ln0.77501,该关联式在实验工况范围内与实验结果吻合较好,误差在20%以内。