焓差法在烟气—水直接接触换热填料塔高度计算的应用

焓差法在烟气—水直接接触换热填料塔高度计算的应用 焓差法在烟气—水直接接触换热填料塔高 度计算的应用 32应用能源技术2001年第6斯(总第72期) 焓差法在烟气一水直接 接触换热填料塔高度计算的应用 广东工业大学材料与能源学院柯秀芳 中国科学技术大学火灾科学国家实验室张仁元 摘要阐述了焓差法在烟气一水直接接触换热填料塔高度计算的应用及方法,并在水侧 热负荷和入塔烟气比蛤不变的务件下,对使用拉西环的填料塔高度进行了计算,给出塔高度与 离塔烟气温度的关系. 关键词填料塔焓差法计算 中图分类号:TKI72文献标识码:A文章编号:1009---323012001)O6—0.32__o3 O前言 填料塔是化工生产中一种重要的设备,除了 应用于分离或吸收过程外,还可应用于热量的传 递和交换.利用填料塔来进行热量交换,属于直 接接触或混台式换热.直接接触式换热是一种高 效的传热形式,冷热介质通过直接混合来实现热 量的传递.这种换热形式特别适合于换热介质分 别为气体和液体的换热过程.在填料塔内气,液 直接接触过程中,液体在填料面分散并形成液 膜,从而增大与气体的接触面积,极大地强化了换 热.填料塔作为直接接触换热设备,通常应用于 热力发电过程的水冷却过程以及化工生中的增减 湿过程.近年来,为了提高燃气供热设备的热效 率,人们将其应用于燃气热水装置,使气体燃料燃 烧后产生的高温烟气与被加热的水进行直接接触 换热,为生产或生活提供热水,其效率可达95% 以上.应用填料塔作为高温烟气与水直接接触换 热的设备,其传热过程不同于一般工业过程中气 体与液体的直接接触加热或冷却过程,其表现为 在烟气一水直接接触换热过程中,传热方向是从 气体传向液体,但由于烟气温度高,气液接触过程 中将发生液体向气体的质量传递即蒸发现象,从 而使烟气的湿度增加,若液体蒸发的这部分热量 ?收稿日期蛳l—l2 不重新回收,将会导致热效率的下降,达不到高效 换热的目的.为了回收离塔烟气中水蒸气所携带 的热量,必须保证换热塔有一定的高度.本文将 利用焓湿法对烟气一水直接接触换热填料塔的高 度进行计算,并对塔高度与热效率及烟气离塔温 度的关系进行了探讨. 1焓差法原理和应用方法 烟气与水在填料塔中进行逆流直接接触换热 时,热量从高温气体侧传向低温液体侧,但由于进 塔烟气处于不饱和状态,烟气进塔时传质过程是 由液体传向气体;随着烟气温度的降低,其湿度增 大,传质方向转变为气体传递给液体.因此,烟气 与水在填料塔逆流接触过程中,传质的方向是不 同的 对于烟气与进行逆流直接接触换热,尽管传 递推动力以温差为主,但湿度差的作用不可忽视. 如果仅仅以温度差为推动力,因此而得的塔高计 算方法一般是不准确的,而以包括温度和湿度两 种因素作为传递过程的焓差法,则可以更准确地 得出塔高度的计算方法. 在如图1所示的逆流填料塔内,取一微元塔 高dz,微元高度内的传递现象包括热量和质量传 递.从气相主体至气液相界面的传热速率为: 2001年第6期(总第72期)应用能源技术33 GI.tLi 圈1烟气一水逆祈,直接接触传热的日恩圈 一 GCudt=.(t一t)dz(1) 从气液相界面至气相主体传质速率为: GdH=(且一H)出(2) 从气液相界面至液相主体的传热速率为: 一 ,dt=钆(一)出(3) 根据能量守恒原理,气体热量减少应等于液 体热量的增加,在微元高度内的热平衡关系为: Cdl=d(LcL)(4) 如果假使液体的比热为常数,塔内蒸发或冷凝的 液量小于入塔的液量,则式(4)可简化为: Gdl=CLLdt,(5) 根据湿气体焓的定义,烟气的焓值可表示为气温 和湿度的关系: ,=Ct+roH(6) 于是,在微元塔高dz内,烟气的焙变为: dl=Cdt+dH(7) 利用式(1),(2)及(7)并列入b数:Le:as/ kaC,可以得到: Cdl=[(‘一)+(Le一1)(;一t)]出(8) 上式与式(3)相比,并利用式(5),则有 =一 考[1-(1_)](9) 式(9)代表了气液相界面焓与温度的关系,对 于空气与水接触的系统,通常k数可以近似等于 1,烟气的热物性与空气的热物性相似,在烟气与 水直接接触换热的系统中,数也可视为1.因 此,式(8)及(9)分别简化为: Gdl=(‘一f)也(1O) :一 (11)一 ti 式(10)及(11)即是焓差法计算烟气一水直接 接触换热填料塔高度的基本式子.为了计算填料 塔高度,将式(1o)进行积分:. :: f生:(12)一kH3Il一l一l, 式中,H——传递单元高度,米N『——传递单元 数. 传递单元高度可以由烟气的工况以及实测计 算得到的传质系数计算,大部分的填料都已有发 表;传递单元数的计算需要对积分式进行求积,常 用的方法有牛顿一科茨法,高斯法等.高法较为 简单而准确,在工程应用中,采用4,5点进行求 积,其精度可以满足. 要对式(12)进行积分,还必须求出与所取积 分基点焓值I相对应的气液相界面的熔值L.由 于在气液相界面上,气相处于饱和状态,于是,气 液相界面的温度与饱和水蒸汽压满足Autonme 式: logp10765一(13) 根据湿度定义,气液相界面的湿度可以写为: 且:My(14) 利用式(11)及(6),(13),(14),采用试算法可 以得出与积分基点焓值I对应的气液相界面的熔 值I.. 2焓差法在烟气一水直接接触换热 填料塔设计计算的应用 利用填料塔使高温烟气和水在塔内进行直接 接触换热,其目的是为了提高燃气热水装置的热 效率,填料塔的换热效率则对热水装置的整体热 效率水平起决定作用.在水侧热负荷以及燃烧工 况不变的情况下,烟气的离塔温度是影响填料塔 热效率的最主要因素,如图2所示,当离塔温度高 应用能源技术2001年第6期(总第72期) 于烟气中水蒸汽的露点温度时,填料塔的热效率 将急剧地下降,原因是烟气中的水蒸汽携带的热 量未被水所吸收.根据填料塔的传递理论,离塔 气体温度与气一液体接触的流程有关.由于太部 分填料的传热数据缺乏,本文在水测热负荷以及 进塔气体工况不变的条件下,仅对采用拉酉不的 填料塔在不同进塔及离塔气温的条件下进行塔高 的计算,计算结果拟合成如图3所示的曲线,从图 中可以看出,离塔气体温度越低,塔高越大;但填 ‘ - m 幽2 3结论 填料塔应用于燃气热水装置的高温烟气与水 的直接接触换热具有效率的高的特点,其热效率 与离塔烟气温度密切相关,一旦离塔气体温度高 于烟气中水蒸汽的露点,热效率将急剧下降,离塔 烟气的温度与塔高有关,采用焓差法可以简单而 准确地确定塔高度,计算表明,在水侧热负荷及烟 气工况不变的条件下,塔高度越大,离塔烟气温度 越低;为了减少塔高度,降低设备成本,可以采用 结构复杂且.对于勒辛环,鲍尔环这类形状复杂而高 效的填料,为了计算相应条件下的塔高度,需要进 行填料性能的热力测试以获得其传热数据. 1日 ‘自 一 1. 考12 ,. ._ .自 幽3 ,0’C时可凝蒸汽的玲凝潜热,/培f r温度,? 体积传热系数,kJlmh?? 下标: g气相 L固相 i相界面 参考文献 1王耐楹主鳊,现代填料塔技术,第1版,北京: 中国石化出版社,19988,PP.1,83 2冯拍华主鳊,化学工程手册第4册,第l版,北京: 化学I业出版社,1989.10.PP15—1,15—100 3Bakel”/I.J.,TheBritishGss珑出T~pemmmDirect CoE~ctWmerHeater,PmsemedattheInstitutionChe~ealEn— ir旧”g”um,]zmovafio~.inProo~Energyu础吐_啪, BBth.18tIISel~ember.1987 4[日]河村治等主躺,张克等译,化工数学,第1版, 北京:化学工业出版社,19808,PP.128,136 5赵振国着,冷却塔,第1版,北京:中国水力水电出 版社.1997.6,PP191—222