【正文】 畢業(yè)設(shè)計（論文） 混合氣體煙氣翅片管外換熱研究畢業(yè)論文目錄中文摘要 IABSTRACT II第1章 緒論 1 1 1 2 5 8 理論研究 9 實驗研究 10 11 11 12第2章 實驗系統(tǒng) 14 14 14 15 18 24 25第3章 實驗數(shù)據(jù)處理 27 27 28 29 34第4章 凝結(jié)換熱的影響因素分析 35 35 38 41 44 47 50第5章 結(jié)論 51致謝 52參考文獻 53I畢業(yè)設(shè)計（論文） 正文 1第1章 緒論自然界中可供工業(yè)生產(chǎn)使用的燃料資源主要是煤、石油和天然氣。不同的生產(chǎn)部門，對所用燃料的性質(zhì)往往提出不同的要求。各種煤都是由某些結(jié)構(gòu)極其復雜的有機化合物組成的。根據(jù)元素分析值，主要成分有碳、氫、氧、氮、硫以及灰分和水分。硫在燃料中是一種極為有害的物質(zhì)，燃料后生成的SO2和SO3能危害人體健康，造成大氣污染，在加熱爐中能造成金屬的氧化和脫碳，在鍋爐中能引起鍋爐換熱面的腐蝕。煤中的灰分是一種有害成分，它直接關(guān)系到冶金焦炭的灰分含量從而影響高爐冶練的技術(shù)經(jīng)濟指標?；曳趾扛叩拿?，降低了煤的發(fā)熱量，容易造成不完全燃料并給設(shè)備維護和操作帶來困難。作為固體燃料，煤炭的燃燒需經(jīng)受熱、蒸發(fā)、熱分解使其上方可燃氣體的濃度達到燃燒的極限，才能持續(xù)不斷燃料。因此，燃料較難控制，效率較低，且灰分比較多。石油是一種天然的液體燃料，也叫原油。它是一種黑褐色的粘稠液體，由各種不同族和不同分子量的碳氫化合物混合組成，它們主要是一些烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和烯烴。此外，還含有少量的硫化物、氧化物、氮化物、水分和礦物雜質(zhì)［1］。鍋爐中常用的重油是從原油中提煉出來的。重油的燃料由閃點、燃點和著火點三個要素。當重油被加熱時，在油的表面上出現(xiàn)油蒸氣。油溫越高油蒸氣越多，因此油表面附近空氣中的油蒸氣的濃度也就越大。當空氣中的蒸汽濃度大到遇到點火小火焰能使其發(fā)生閃火現(xiàn)象時的油溫就是閃點。閃火只是瞬間的現(xiàn)象，它不會繼續(xù)燃料。如果油溫超過閃點，使油的蒸發(fā)速度加快，以致閃火后能繼續(xù)燃料而不熄滅，就達到了燃點；繼續(xù)提高油溫，油表面的蒸汽會自己燃燒起來，即自燃，則達到的油的著火點。石油與煤相比，其燃燒較容易控制，基本上無灰分。天然氣是一種優(yōu)質(zhì)氣體燃料，它的產(chǎn)地或在石油產(chǎn)區(qū)，或為單純的天然氣田。天然氣的主要成分是甲烷，其次為乙烷等飽和碳氫化合物。天然氣中還含有少量的CO2 、N2 、H2S，CO等。天然氣發(fā)熱量很高，一般為3500050000kJ/m3［2］。天然氣燃燒不需要蒸發(fā)或熔化，速度快；且燃燒產(chǎn)物中不含灰分，著火溫度低，燃燒最容易控制。由于世界上煤、石油、天然氣等化石燃料資源儲量有限，能源短缺，各國都在積極進行新能源的開發(fā)和化石燃料的高效潔凈利用工作，以解決能源緊張局面。與此同時，還積極開展余熱回收及節(jié)能工作。余熱回收裝置離不開換熱器，而且余熱換熱器學在較小的傳熱溫差下工作，通常要求采取有效的強化傳熱技術(shù)，以提高傳熱量，減小換熱器的體積和質(zhì)量。各種工業(yè)設(shè)備對強化傳熱的具體要求各不相同，但歸納起來，應用強化傳熱技術(shù)總的可以達到下列任一目的：a): 減小初設(shè)計的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；b)：提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；c)：使換熱器能在較低溫差下工作；d)：減少換熱器阻力，以減少換熱器的動力消耗。上述目的要求是相互制約的，要同時達到這些目的是不可能的。因此，在采用強化傳熱技術(shù)前，必須先明確要達到的主要目的和任務以及達到這一主要目的所能提供的現(xiàn)有條件，然后通過選擇比較，才能確定一種合用的強化傳熱技術(shù)［3］。要使傳熱器中傳熱過程強化，亦即要提高換熱器在單位體積、單位時間內(nèi)的換熱量，可以通過3種途徑來實現(xiàn)，即：增大平均傳熱溫差、增加換熱面積和提高傳熱系數(shù)。增大平均傳熱溫差的方法有兩種。一種是在冷、熱流體的進口和出口溫度一定時利用不同的換熱面布置來改變平均傳熱溫差。如果換熱面的布置使冷、熱流體同向流動，則這種布置的平均傳熱溫差最小。因而，各類換熱器的換熱面都力求采用逆流或接近于逆流的布置。對于已做逆流布置的換熱器，就不可能再用改變換熱面布置的方法來增大平均傳熱溫差。另一種方法是擴大冷、熱流體進出口溫度的差別，以增大平均傳熱溫差。但是，實際工程中，冷、熱流體的種類及溫度常受生產(chǎn)要求及經(jīng)濟性等限制，不能隨意變動。根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟比較，當溫度大于473K時，飽和水蒸氣就不宜作為加熱工質(zhì)，此時應采用礦物油、氯苯和聯(lián)苯混合物作為加熱工質(zhì)。此外，加熱工質(zhì)溫度的選擇還受到被加熱物料性質(zhì)的限制，也不可能選得過高。因此，在化學工業(yè)中，通過增大平均傳熱溫差來強化傳熱的效果是有限的。通過增加換熱面積以強化傳熱是增加換熱量的一種有效途徑。采用小直徑管子和擴展表面換熱面均可增大換熱面積。管徑愈小，耐壓愈高，因而在同樣金屬重量下總表面積愈大。采用擴展表面換熱面后，例如采用肋片管等，由于增加了肋片，也增大了換熱面積。因此，在換熱器中采用各種肋片管、螺紋管等擴展表面換熱面，是提高單位體積內(nèi)換熱面積的有效方法。肋片應加在換熱器中傳熱較差的一側(cè)，這樣對增強傳熱效果最好。在高溫、高壓下工作的換熱面，一般采用較為簡單的擴展表面換熱面。例如，在高溫、高壓下運行的鍋爐過熱器、省煤器等，一般采用形狀簡單的肋片管、銷釘管和鰭片管等擴展表面換熱面。由于這些管束布置緊湊程度遠低于板肋式及板式換熱器的情況，所以仍可采用有足夠強度的耐高溫、高壓的厚壁管子。采用擴展表面換熱面后，不僅增加了換熱面積，若幾何參數(shù)選擇合適，同時能提高換熱器中的傳熱系數(shù)。但同時也會帶來流動阻力增大等問題。所以，在選用或開發(fā)擴展表面換熱面時應綜合考慮其優(yōu)缺點。提高換熱器的傳熱系數(shù)以增加換熱量，是強化傳熱的重要途徑，也是當前研究強化傳熱的重點。當換熱器的平均溫差和換熱面積給定時，提高換熱器中傳熱系數(shù)將是增大換熱量的唯一方法。無相變的單相流體的熱阻主要在層流底層，要強化傳熱過程應著重設(shè)法減薄層流底層的厚度；對于有相變的沸騰傳熱過程，提高換熱系數(shù)的主要方法為增加換熱面止的汽化核心及生成汽泡的頻率；凝結(jié)傳熱過程的強化應從減薄凝結(jié)液厚度著手。所以，應用強化傳熱技術(shù)時，必須根據(jù)換熱器的具體情況分別采用適用的有效措施。由以上討論可見，采用增大平均傳熱溫差以強化傳熱的途徑，其應用范圍有限；采用增加換熱面積以強化傳熱的途徑是有效的，但同樣受到各種條件的限制，換熱面積不能增加過多；此外，在增加換熱面積的同時往往也改變了換熱面的傳熱系數(shù)，因而這一途徑實際上與采用提高傳熱系數(shù)以強化傳熱的途徑是密切相關(guān)的。強化傳熱技術(shù)還可從其他角度進行分類，如下所述：從被強化的傳熱過程來分，可分為導熱過程的強化、單相對流換熱過程的強化、沸騰傳熱過程的強化、凝結(jié)傳熱過程的強化和輻射過程的強化。從提高傳熱系數(shù)的各種強化傳熱技術(shù)來分，則可分為有功強化傳熱技術(shù)和無功強化傳熱技術(shù)兩類，前者也稱為主動強化技術(shù)、有源強化技術(shù)，后者也被稱為被動強化技術(shù)、無源強化技術(shù)。有功強化傳熱技術(shù)需要應用外部能量來達到強化傳熱的目的；無功強化傳熱技術(shù)則無需應用外部能量即能達到強化傳熱的目的。有功強化傳熱技術(shù)包括機械強化法、振動強化法、靜電場法和抽壓法等；無功強化傳熱技術(shù)包括表面特殊處理法、粗糙表面法、擴展表面法、裝設(shè)強化元件法、加入擾動流體法等。上述強化傳熱技術(shù)也可綜合應用，以得到較好的強化傳熱效果，這種強化傳熱技術(shù)稱為復合強化傳熱技術(shù)。凝結(jié)是蒸氣受冷卻或在加壓條件下放出潛熱形成液相的過程。在凝結(jié)過程中會放出熱量，即汽化熱。將蒸汽冷卻到低于飽和溫度，使蒸汽形成微小液滴時，就發(fā)生凝結(jié)。凝結(jié)是自然界和工業(yè)過程中最常見的傳熱方式之一，在動力、能源、化工、石油等工業(yè)系統(tǒng)中應用大量具有不同冷凝方式的冷凝器。實際的凝結(jié)過程根據(jù)換熱方式的不同可分為：膜狀凝結(jié)、均勻凝結(jié)、珠狀凝結(jié)、直接接觸式凝結(jié)、不混合工質(zhì)的凝結(jié)［4］。膜狀凝結(jié)是工業(yè)設(shè)備中最重要的一種凝結(jié)方式，一般發(fā)生在易于濕潤的冷卻壁面上。膜狀凝結(jié)時，由蒸汽凝結(jié)而成的液體在冷卻壁面上形成一層連續(xù)流動液膜。均勻凝結(jié)時，蒸汽凝結(jié)成微小液滴，懸浮在汽相中，形成霧狀流體，又稱霧狀凝結(jié)。發(fā)生均勻凝結(jié)的必要條件是蒸汽溫度低于飽和溫度。例如，飽和蒸汽流過一漸擴管道時，由于蒸汽壓力沿流程逐漸升高，就會形成蒸汽溫度低于飽和溫度的條件，因而會發(fā)生均勻凝結(jié)。均勻凝結(jié)是自然界中最常見的一種凝結(jié)現(xiàn)象。珠狀凝結(jié)發(fā)生在不易潤濕的冷卻壁面上，此時凝結(jié)液在冷卻壁面上形成液珠，液珠并不連成液膜，隨著凝結(jié)過程的進行液珠逐漸長大，到一定尺寸后液珠隨機地沿壁滾下。珠狀凝結(jié)時，大部分冷卻壁面直接與蒸汽接觸，不存在凝結(jié)液膜引起的附加熱阻，因而有較高的換熱系數(shù)，一般凝結(jié)換熱系數(shù)可比膜狀高510倍以上。直接接觸式凝結(jié)過程發(fā)生于蒸汽和冷液體直接接觸時?？梢栽诶湟后w噴入蒸汽中時發(fā)生，也可以在蒸汽噴入冷液體中時發(fā)生。不混合工質(zhì)凝結(jié)發(fā)生在當多種蒸汽混合物凝結(jié)成各種不混合液體時。在這些凝結(jié)方式中，膜狀凝結(jié)的研究較為廣泛和深入，在工業(yè)設(shè)備中也最為常見。冷凝式鍋爐能夠回收的水蒸氣凝結(jié)熱的多少與燃料的種類和供熱系統(tǒng)水溫高低有關(guān)。對燃煤鍋爐來說，煙氣中水蒸氣的份額并不大，即使將這部分水蒸氣全部凝結(jié)下來，放出的熱量也不能使熱效率提高很多。但對天然氣鍋爐來說，情況就完全不同了。因為氣體燃料的高位發(fā)熱量與低們發(fā)熱量相差最大，液體燃料次之，固體燃料最小，因此使用氣體燃料的鍋爐熱效率提高的最多。另一方面，在燃料耗量不變的情況下，供熱系統(tǒng)的回水溫度越低，可以從冷凝式熱交換器中得到的熱量就越多。因為回水溫度越低，煙氣中水蒸氣越易冷凝。水蒸氣的冷凝溫度取決于燃料的化學成分、煙氣中CO2的含量和燃燒時的過量空氣系數(shù)等因素。實測表明，煙氣中CO2的含量高，露點溫度也高。煙氣的露點溫度因燃料不同而不同。另外，在冷凝煙氣中水蒸氣的同時，也可以方便地除去煙氣中的有害物質(zhì)，因此對保護環(huán)境也具有重要意義。物質(zhì)升高溫度必須吸收熱量，降低溫度會放出熱量。但這是指物質(zhì)的“態(tài)”不發(fā)生改變的情形。這種物質(zhì)在同一種形態(tài)下由于溫度升高或降低而吸收或放出的熱量稱為顯熱。將物質(zhì)在相轉(zhuǎn)變時所吸收或放出的熱量稱為潛熱。鍋爐中燃料的燃燒產(chǎn)物——煙氣是水蒸氣與雙原子氣體、三原子氣體及固體顆粒的混合物。一般情況下，沿煙氣行程，隨著熱交換的進行、煙氣溫度的降低，煙氣中的上述各種成分僅放出顯熱，將熱量傳給工質(zhì)。但當受熱面壁溫降低到對應水蒸氣分壓力的飽和溫度以下時，煙氣開始有水蒸氣在冷壁面處凝結(jié)下來。當主流煙氣的溫度也達到對應水蒸氣分壓力的飽和溫度時，大量的水蒸氣就會凝結(jié)下來，從而放出大量的汽化潛熱。煙氣中的熱量以顯熱和潛熱兩種形式存在，因此鍋爐的排煙熱損失由煙氣的顯熱損失和潛熱損失組成。顯熱損失取決于煙氣的溫度和煙氣組成成分的熱容量。潛熱損失取決于煙