常压流化床中螺纹埋管的双边传热.pdf

第19卷第3期 1989丰5月 东南 大 学学报 JOU R NALOFSOUTHEASTU NIV ERSTY V o l . 19N o . 3 M ay 1989 常压流化床中螺纹埋管的双边传热 胡达陆勇 热 能工程 研 究所 如匕伟文 南京电力专科学校 摘要 围绕燃煤流化床联 合循 环和 实际工业燃 煤流化床中空气理 管 受热面 过大的问题 , 本文详细研 究和分析了螺纹管在常压流化床 中的传热特性及 规律 . 针对螺纹管在流化床 中的特珠性 , 进行了两 项试验工 作 其一是 浏取单相气流冲剧螺纹管内外的传热规律 , 得到较合理的换 热关联 式;其 二 , 在截面积为 O . 285 x O . 28 5 m 2 的流化床中 , 研 究床 内时称布设的螺纹 管和 光管的换 热规律 . 试验结果较好地 反映了螺纹管和光管在流化床中的 传 热特性 。 关健词沸腾燃烧 , 传 热/ 螺纹管 , 流化床燃烧 流化床燃烧技术之所以在近几十年发展 迅猛 , 是因为它有许多优良的特点 煤种适应性 广 , 床内换热效果好 , 燃烧工 况稳定 , 较好地解决环保问题 . 随着流态化技术的发展和燃煤 流化床应用 的大型化 , 提高其系统的热效率已成为增强商用竞争力的关键 , 而 以空气埋管组 成的燃煤流化床系统是提高热效率的途径之一 然而 , 空气埋管在流化床中并没有得到广泛应用 . 因为床内空气埋管的壁温很高 , 对管 材的要求很严 , 而空气工质热容小 , 气侧换热系数低 , 需较多的受热面 , 结果使整个系统的 投资费用大大增加 , 影响了系统的经济性 . 显然 , 受热面的高效换热成了该系统实用化的关 键 . 大量资料表明 , 螺纹管对单相气流具有双面 强化传热的作用 , 它加工成形 方便 , 机械性 能优 良 , 是 一种很受重视的强化换热元件 . 本文探讨螺纹管在流化床中的换热规律 , 定性和 定量地确立螺纹管在床 内的传热特性 , 比较螺纹管和光管在流化床中换热 的差 异 , 为螺纹管 的实用化提供评估依据 . 1 螺纹管管 内传 热试验 鉴于目前对螺纹管传热规律的认识 , 本文有针对性地研究了布设在流化床中螺纹埋管的 单相气流换热规律 . 本文子蕊 98份年6月名7日收到 , ‘2 东南 大 学学报 1互 ’89 年 一 一 . 侧.. . .目. . 川. 目曰曰 传热试验系统如图1所示 , 它由 风洞和管路两个子系统组成 . 试验 管内外侧工质都是空气 , 管内空气 由送风机送至管路系统 , 经电加热 器加热流 经试验管内侧 , 再排入大 气,管外冷空气由引风机吸入后横 向冲刷直流风洞中的螺纹试验管 , 吸收热量 . 螺纹试验管测试点分布 如图2示 . 考虑到螺纹管本身的传 热和阻力性能及其在流化床中的特 殊性 , 选用 了图 3 所示的几何尺寸 e/d ‘ 0 . 038 , P / d ‘ 0 . 4 7 , 其材料为 ICr1 8Ni g T i . 试验数据 . 的读取 , 一般在试脸管进出口热电 偶的示值基本稳定后进行 . 护护二洲 洲 水银砚度刘 斌乙址言l 十片汀 赞触 瑟 ” 图1螺纹管单相气流传 热试验系统 甲昧 娇 I 甲 压孔P . 1 . 梦 ‘i 产滋. 弓 叻 “ 毋l 】月一‘ 俘,., ,O1翻I 二于舔蕊薪亏书豪书{濡 . 2 火笋 , 月一减 .0 00 月一 咖 图 2 螺纹试验管测 试点 分布 螺纹管管内外换热系数用间接法一W i l s o n 法求解 . 文献[ 1〕已证实了此法的可靠性 . 本文 在计算前 , 先校核了螺纹管 内外工质放吸热量的 平衡 , 结果表明管内外工质放吸热量存在偏差 , 原因是 风洞存在散热和试验管有轴向导热 . 在基本公式 叭 叭 呱 - 节节 丫丫\ 过业跳 图 dd 1 1 , _ . _ . 1月 ‘ 沙一 十 , 甲十怡十 一几一一 气1 八 ‘ 口 ‘ 口。 月 。 3 螺纹管结构尺 寸 二3 4m m 二4 0 m m P 16 m m 口 二1 。3 m m 中忽略管壁热阻枷和垢层热阻 r , 把管内放热 量作为试验换热值 , 把工质的平均温度作定性温度 , 则拟合出螺纹管内外的换热关联式 N u‘ 0 . 050 4R e 罗” ’ , P ro “2 N 。 0 . 85 57R e 合 ”Pr o ‘ 3 ” 3 公式应用范围 R e、一 S XIQ’一10 ’, R 。。一2 SXIO’5‘1 0 ’, 图4表示螺纹管和光管管 第3期 胡达等 常压流化床 中螺纹理 管的双边传热 少 九” 月气,10, 孟几义10 ” 如 . 已 沙 、 犷 图4 螺纹管和光管管内换 热 图5螺纹管和光管管外换 热图6试验总换 热系数 K ‘。 和公式位K ‘。比 较 内换热规律 , 图5表示管外换热规律 . 由两图可见 , 同样条件下螺纹管的N 。‘是 光管的 2 . 0 倍 , 螺纹管的N u。 是光管的1 . 5倍 , 所得结果证实了螺纹管是一种优 良的双而 强化传热管 . 螺纹管的内凸外凹结构 , 使其 内外壁面附近的空气边界层厚度减批气流扰动增强 , 起到了 强化传热的作用 。 图 6给 出了实验值与理论值的误差关系 . 2 常压流化床中传热研究 2 . 1 试脸介绍 图7是流化床试验系统 . 燃煤流化床本体总高5 . 9 7 m , 由沸腾段 、 过渡段和悬浮段三部 分构成 , 沸腾段炉内横截面积0 . 2 8 5 x o . 285m ’, 流化床的飞灰循环系统由旋风除尘器 、 L 阀 、 空 气喷射器和底饲喷嘴组成 , 其循环量用输送压差 来控制 . 螺纹管和光管作为床层内受热管 , 对称布设 在流化床上沸腾段中 , 呈水平U型 状 . 光管的材 料和内 、 外径尺寸与螺纹管相同 . 流化床所用煤种是京西无烟煤加歼石混煤 , 发热值Q二 二 16003 . 7k J/kg , 粒度 。smm . 试 验工况 r。一850 10 00o C , 流化数 1 . 43 . 0 , 循环倍率R 一。2 . 2 . 2 . 2 传热分析 粤 粤薪 薪 阴阴 盲盲盲盲盲盲盲盲盲盲盲盲盲盲盲盲盲盲洲洲洲洲洲卜-, , 尸 叫 叫尸尸 硬硬 { { { { { { { { { { { _ _ _ 、 . . . \\\\\\\\\\\\\\\ \\\\\\\\\\\\\\\ { { { { { { { { { { { 流不不 . . .目. . .. . . 侧侧侧侧侧 姗右右二床床 \\\ 尧尧尧尧尧尧尧 沪沪 \\\ 、、、、、、 、、、、、、 懊懊懊 .. .. . . . _ _ _ 吧吧 \\\\\\\\\\\ 、、、、、、 、、、、、、 添添添添添添添l l l 滋滋流流流流流流流流流流流流 二二竺竺竺 l} } }公 公 哭哭哭哭哭哭哭 轰轰 遥遥之之之之之之之之之之 匕匕匕I J‘ ‘巴 巴已 已 ] ] ] ] ] ] ] ] ] 拐坟管单相气流传热试验所得的关联式 2 是在冷却管内工质的条件下成立的 , 光管管内换 图 7 常压流化爪 传热试验系统 热式则在恒热流约束下成立 . 流化床埋管的工质是 吸热的 , 空气混度不断 _ L升 , 竹内速度场 和提度场都有别于冷却和恒热流下的分布 , 根据文献〔2〕对热流方向影响的讨论 , 建议用 东 南 少 学 学4没 1夕 sp 一年 T l/ 介 “ . ”来修正 空气受热后物性变化的影响 . 取工质平均温度为管内定性温度 , 床温为 管外定性沮变 , 床中螺纹管和光管管内换热系数 .计算 式 分别为 一 0 0 5。‘ 音 于 R , ” ’p 一 于 。”’ 4 一 0 02‘ 音 R “一p 一会 。 ” 5 5 螺纹管和光管的床侧换热系数分别为 。。一“‘ / “ 。 斌 、二 一点 “。一“‘ / “ 。 此 一 众 6 7 在本试验工 况下 , 必须考虑a 。 中幅射份额a ‘的作用. a‘的近似计算式为‘ 3 ] a , 印 。。a 。T 孟T备T 。 T二8 式中印二0 . 8 , 。。 0 . 5 9 . 由于a , 只与床温 、 床内粒子特性 、 壁温等因素有关 , 可 不考虑螺 纹管和光管结构上 的差异而同用8式计算 . 扣除辐射份额 a , 后的床侧换热系数为对流传 导换热系数 a, 。 一a 。一a , 9 它较好地反映了螺纹管和光管在床内换热的差别 . 2 . 3 试脸给果及讨论 对大量试验数据的处理结果表明 , 螺坟管和光管在流化床 中的换热存在明显 的差异 . 图8表示螺纹管和光管的床侧总换热系数与水埋管随流化速度的变化规律 . 山图可知 , 同样条件下空气埋管 a 。 高于水埋管 , 因为空气埋管壁 温远高于水埋管的温度 , 增加了床侧 辐射换热系数 . 壁温和辐射换热系数关 系见图9 . 、 ‘ - 擎 之” 、”、一_二___J 步价 空气。 ,07k‘. r ‘ 早l例 J J .l 户、” ;p . 矛日 。 斗 、公 o o p.“渔 。 诊 /矛 t . ,,8 0℃ 心.1 . 1 7m . 却找 - 一 3 .。 甲 / m 0 f . ‘,七 图8空气理管与水理管床侧换热规律 图9壁温和辐射换热系数的关 系 图10表示螺纹管和光管对流传导系数在不 同床温下与流化速度的变化关系 . 随着附增 加 , a, 。 逐渐降低 , a, 。 最大值的位置接近 于最小流化速度点 . 同样的流化工 况下 , 螺纹管 “伙 比光管高1 1一1 召倍 , 其厚因主要是螺纹管外表面凹槽结构削薄了流化床中颗粒和璧 第3期 胡达等 常压流化床中螺纹埋管的双边传热 面之间的传导气隙厚度 , 使螺纹管表面的气流湍动增强 . 此外 , 床温 的升高 , 也使受热管的 床侧对流传导系数增大 , 螺纹管和光管的换热差距拉大 . 从 图n 也可看出类似的规律 . 图1 1 还说明 , 班增加 , 在一定程度上减小了螺纹管和光管的差别 . ”。p ;日 诊 \ 丫p。,日 。 渗 、 . ’ ‘/亡 图10螺纹管和光管 a, 。随阿的 变化 图1 1螺纹管和光管a ,, 随t 。的 变化 图 12 是螺纹管和光管 a , / a 。 随 t。 的变化规 律 . 一般情况下 , 空气埋管a , / a 。已超过 3 0 , 辐射换热成了埋管床侧换热中的重要部分 . 本试 验条件下 , 光管 a , / a 。 比螺纹管大邱百左右 , 壁 温比螺纹管高8 0 1 00℃ , 这有利于螺纹管安全 运行 。 鑫 J 、、 犷 一二 兰 一二 声声 冲.1“瓜 。 尸 弓 “ 1 . 1 7mm 空气流皿o o.ks⋯ 2 . 4 经济性讨论 企一/℃ 就床侧总换热系数而言 , 螺纹管仅比光管约 图1 2辐好 份额与床温的关 系 高 4写 , 但从管内外总换热系数来看 , 螺纹管在 同样条件下比光管高 60 . 据此粗略估算 , 同样的温升和同样的吸热量 , 光管的布设面积 为1 0 om ’, 螺纹管只需布设 62 . 三 m ’, 经济性是显著的 . 当然 , 螺纹管管内阻力要大于光 管 , 这就需要对整个系统的经济性进行综合评估 , 它有待于今后继续研究 . 3 结论 1 螺纹管在流化床中换热的变化趋势与光管一致 . 2 螺纹管床侧总换热系数比光管约高4 , 床侧对流传导换热系数比光管高1 0 2 0 , 管内外总换热系数比光管高60 . 螺纹管在流化床 中具有双边强化的热作用 , 且效果明显 . 3 流化床中光管辐射份额比螺纹管多 5左右 , 壁温比螺纹管高 8 0 10 0℃ . 螺纹 管的壁温降低有利于安全运行 . 4螺纹管用于 流化床 中能较大幅度减少受热面积 , 降低投资成本 . 由于螺纹管内流 动阻力较光管大 , 实际应用时必须对整个系统进行经济性优化评估 . 参考文 献 工 叶赛银 . 南京工学院硕士论文 . 19 87 25 2 7 东南 大学 学报198 9年 美罗诺森WM . 传热学手册 。 科学出版社 , 198551 7 姚伟文 , 林蔼明 , 陆勇 . 大粒子增压流化床中埋管传热的研究 . 第二届沸腾炉 学术讨论会 , 198 5 1 1 ,曰,J 符号说 明 d ‘ 受热管 内径 m m d 。 受热管外径 z n m d , 颗粒平均粒径 m m 螺纹管槽深 m m A ‘ 管内面积 m , A 。 管外面积 m , P 螺纹槽间距 m m 尸r 普朗特数 R e 雷诺数 印管壁热阻 m ’ ℃/W r , 垢层热阻 m ’ ℃/W t。 床温 ℃ T l 工质绝对温度K 附流化速度 m/ s N u K ‘ .. .0 a a 口户。 久 〔b a o 努谢尔特数 管内外总换热系数W/m ’ ℃ 管 内换热系数W/m ’ ℃ 管外换热系数W/ m ’ ℃ 辐射换热系数 W /m ’ ℃ 对流传导换热系数W/m ’ ℃ 导热系数W / m ℃ 埋管壁面黑度 床内火炬黑度 斯蒂芬 一玻尔兹曼常数 ao 5 . 67 x 10一W/m ’ K ‘ 床绝对温度K 壁面绝对温度K 第3期 胡达等 常压流 化床中螺纹李 里管的 双 边传 热 67 Heat T r an sferon Tw o一si de Heli eal Tube i n theAm bientFl uidized Bed H u D a L u Y ong Th e rma l E nergy E n gin eering R e s ea reh In stitu te Y ao 牙 ei切e称 N an ji n g Coll egeo f Ele etrie Pow er Abstra et T o fo e u so n thePr oblem o fla rg ea ir 一 he ated su rfae e in the a etu al eoal flu idiz edb edan dAF B CCAmbie ntF luidiz ed B ed C o mbin ed Cyel e , this PaPerin ve stiga testheheat tr an sfe r m ee ha n ism an d the e ha r a eteristie so f helie al tubeinthe am bientfluidiz ed b ed ind eta il . In a ee o rdanee withthel z eat transfe r sPeeia lity o f helie a ltub e , tw o kind so f e x Pe rim en tsha ve m ade;o ne 15 o n the he at tran sferp rineip l eo f sin gle 一 Pha se fl o w in theheliealtube , a n d ar e asona bl e r elation ha sb ee no btain ed , the other 15 to e x Plo re the he at tra nsfe rregularity o f helie al an d smo o thtube swhieh ar e in sta lled sy m m etr ie a lly in the b ed with the eros s ar ea 0 . 285 只0 . 285m 2 . E x p e rime n tal re s u lts w ellrefleet the he at tr an sfe r Pr oPertie so fimm ersed tube s in the fluihiz cd b ed . Key wo rds fl u idiz ed eo mbu stio n , he attr a nsfe r / helie altub e , fluidiz edbed eo mbu stion 节