翅片换热器中天然气烟气的冷凝传热

　　究。

　　翅片换热器中天然气烟气的冷凝传热崔永章1，钱申贤（1.山东建筑工程学院空调工程系，山东济南2500142.北京建筑工程学院城市建设系，北京100044）因子与雷诺数之间函数关系，为天然气冷凝热水器的冷凝换热器提供设计参考。

　　0前言天然气是优质的洁净燃料，其主要成分是甲烷，是具有较低C/H分子比的燃料，燃烧后烟气中含有较高比例的水蒸汽。当过剩空气系数α=1 .1～1 .8，纯甲烷燃烧后烟气中水蒸气的体积份额约为9 ～16 ，烟气露点温度约为50～60℃。在保证完全燃烧和顺畅排烟的情况下降低烟气温度，可以回收部分烟气显热和大部分水蒸汽的潜热，实验测定冷凝热水器与普通热水器相比其热效率可提高20 以上，大大降低燃气耗费，是一种新型节能产品。可降低排烟温度的燃气用具主要是生产低温热水的家用燃气快速热水器，因此有必要对其换热器中的冷凝换热器进行研究。

　　目前家用燃气热水器主要是由铜管、铜片经机械胀管后挂锡所形成的翅片换热器。

　　冬天热水器热水温度一般不超过55℃，而夏天更低，故大部分时间换热器表面温度远低于天然气的烟气露点温度，而此时烟气中大部分水蒸气在冷凝换热器上会发生冷凝，释放出水蒸气的潜热，而充分回收燃气释放的热量。冷凝液的状态对冷凝换热器传热性能具有较大影响，实验观察只要不发生冷凝液的搭桥，冷凝液对冷凝换热影响不大。根据烟气与冷凝液滴落方向，换热器分为同向和异向换热器，其中同向换热器烟气流动方向与冷凝液的滴落方向相同，烟气流动的绕流阻力与液滴重力方向相同，因此有利于冷凝液滴落和冷凝换热。烟气冷凝冷却传热过程见图1.冷凝液的主要成分是碳酸根和硫酸根，硫酸根来源于天然气中的硫化氢。本研究用天然气是陕甘宁天然气，成分分析分析不到硫化氢，冷凝液呈中性，观察换热器也见不到腐蚀存在。如天然气中含有硫化氢，冷凝液会对换热器的挂锡表面产生腐蚀，国外一般采用管外镀碳化硅，或用6月山东建筑工程学院学报铝片、不锈钢等材料。排放冷凝液的管道一般为塑料管，由于城市污水呈碱性，因此可以直接排。

　　由于烟气在换热器表面流动较复杂，且冷凝液滴大小不一，仅能通过实验来确定冷凝换热器的换热性能。另外为使家用天然气快速热水器的紧凑，冷凝换热器设计成一排是可以达到要求的低排烟温度，因此本文对单排同向冷凝铜材翅片换热器进行实验研究。

　　1冷凝翅片换热器实验系统为了获得冷凝翅片换热器的传热性能和必要的结构参数，设计图2所示测试系统。需要冷凝的烟气来自于一台天然气热水器（全自动10L、万和牌），其采用鼓风燃烧，风压可以满足增加冷凝换热器后排烟需要。热烟气经半圆形保温弯道，自上而下进入冷凝翅片换热器。在热水器高负荷下，为保证冷凝翅片换热器能处于冷凝换热状态，加设一冷却翅片换热器，来降低高负荷下冷凝翅片换热器烟气进口温度，该冷却翅片换热器的冷却水来自于一普通热水器，水温高于60℃，以防止烟气在冷却换热器中发生冷凝现象。由于热烟气温度场不均匀，为准确测定进出口温度在冷凝换热器的进出口加设30 cm长连接通道，进出口温度分别采用5只Pt100热电阻和多路温度巡检仪进行连续测量。烟气流量通过测定燃气流量、燃气成分和过剩空气系数共同确定。

　　由于冷凝翅片换热器水温升仅有2～3℃，故水进出口温度采用分度值为0 .1℃的玻璃精密温度计（0～50℃），本实验进水温度范围是12～20℃。考虑到冷凝换热的重要参数之一是冷凝液表面温度，实验中用数字温度计测量收集的冷凝水温度，其分度值是0 .1℃。水量采用精度为2g的电子称进行称量。

　　实验对象是翅片换热器，结构见图3.

　　2冷凝翅片换热器实验数据处理当翅片换热器壁面温度低于烟气露点温度时，烟气中大部分水蒸气发生冷凝，因此冷凝过程中烟气成分发生变化。冷凝液量是由水蒸气的对流传质过程决定的。

　　2 .1传热过程对流换热、对流传质的总传热量是：山东建筑工程学院学报2000年式中：右边项表示对流换热传热量，第二项表示对流传质传热量。η为翅片换热器效率为烟气温度T为冷凝液膜与烟气的界面温度A为翅片换热器外表面积α为烟气侧对流换热系数h）为水蒸气的焓。

　　冷凝液量其中式中：w为相界面处水蒸气的质量分率w为进出口水蒸气的平均质量分率p为操作压力）为水蒸气的饱和压力M为干烟气和水蒸气的分子量G为对流传质系数。

　　冷凝液膜传热量而冷凝液膜热阻仅占总热阻很小一部分，根据努谢尔特理论冷凝换热系数冷凝换热当量直径式中：A是翅片管束的光管表面积， A是翅片管束的翅片表面积， d是翅片管束的管径， L是翅片管束的翅片高度， T是翅片外表面温度。

　　水侧对流换热量水侧对流换热系数通过管壁的导热量式中：l是水管的管长λ是翅片导热系数δ是翅片厚度。

　　2 .2数据处理（1）已知量①燃气成分、燃气耗量②烟气中二氧化碳、氧气含量，以及烟气进出口温度③水流量、水进出口温度④翅片管束结构尺寸，如翅片间距、管径。

　　⑤冷凝液量及温度T（2）数据处理过程①燃气燃烧计算得到理论烟气量。

　　②计算燃烧的过剩空气系数，得到实际烟气量（分别计算干烟气和水蒸气），以及进出口烟气的物性参数和状态。

　　③确定水吸收热量，作为冷凝翅片管束的换热量Q.

　　④计算冷凝换热的折算对流换热系数α＊，以及翅片效率η和冷凝换热器效率η⑤假定一翅片管束外壁温度T wo，则冷凝液表面温度T（假设冷凝液膜温度是线形变化）。

　　⑥以冷凝液温度T为定性温度，利用公式（3）计算冷凝换热当量直径d和翅片管束外壁温度T′wo.利用公式（6）、（7）计算T⑦计算翅片管束的水力直径d ，确定烟气流动雷诺数Re.

　　⑧由公式（1）计算对流换热系数αo，进而计算Nu和传热因子J =⑨由公式（2）计算对流传质系数G ，进而计算Sh和传质因子J⑩根据N组计算结果，采用一元线形回归分别得到J、J与Re关系式。

　　3冷凝翅片管束实验结果与logRe关系图（1）图4、5是将实验数据以传热因子J、传质因子J与雷诺数Re之间散点图，经过一元线性回归得到冷凝换热关系式。

　　对流换热（显热换热）关系式：对流传质（潜热换热）关系式：（2）冷凝换热中显热换热、潜热换热与总换热量的关系如图6 ，由图可见潜热换热占75 左右，说明冷凝换热以潜热换热为主，冷凝换热器的设计应尽可能提高潜热换热。实验结果也发现提高烟气流动雷诺数有利于冷凝换热，而增大翅片间距不利于冷凝换热，因此应采用紧凑换热器。

　　而显热换热在低负荷下变化不大，在高负荷下占比例大是由于烟气的温度高而相对提高。

　　（3）从实验结果看，天然气的烟气冷凝传热与传质不严格遵循刘易斯关系，这与文献中提到的空气除湿相同。

　　山东建筑工程学院学报2000年崔永章。冷凝式热水器热交换器研究[ D] .北京：北京建筑工程学院， 1999.