燃?xì)忮仩t冷凝換熱器研究進(jìn)展

郭義文，王 謙，徐瑞聰

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450002）

燃?xì)忮仩t冷凝換熱器研究進(jìn)展

郭義文，王 謙，徐瑞聰

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450002）

冷凝換熱器作為燃?xì)忮仩t余熱回收的重要裝置，在提高能源利用效率和節(jié)能減排方面起到了非常重要的作用。從強(qiáng)化冷凝換熱器的防腐性能和提升冷凝換熱器的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)等方面入手，闡述了國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，指出了研發(fā)具有防腐功能的高效冷凝換熱器是未來研究的重點(diǎn)，可以從研制更高效的傳熱翅片，對(duì)冷凝換熱規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的研究開始。

冷凝換熱器；防腐性能；強(qiáng)化傳熱；余熱回收

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的不斷深化，西氣東輸工程的不斷推進(jìn)，節(jié)能減排政策的逐步實(shí)施，提高天然氣的利用水平，降低鍋爐排煙熱損失，提高其余熱利用效率，已經(jīng)成為節(jié)能環(huán)保工作中重要的研究課題。燃?xì)忮仩t因具有分布式、小型化的優(yōu)點(diǎn)，將逐漸成為燃?xì)夤峁┡仩t的主流。如果在燃?xì)忮仩t的尾部增設(shè)冷凝換熱器，將排煙溫度降到煙氣露點(diǎn)溫度以下，即可回收煙氣顯熱和煙氣冷凝水蒸氣的潛熱。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在燃?xì)忮仩t余熱回收裝置優(yōu)化方面開展了大量工作，比如增強(qiáng)冷凝換熱器的防腐性能，提升冷凝換熱器的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)。這些研究對(duì)于冷凝換熱器的優(yōu)化發(fā)展，提升冷凝換熱器的效率和節(jié)能降耗有著非常重要的意義。下面就從冷凝換熱器防腐和強(qiáng)化傳熱方面進(jìn)行相關(guān)闡述，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

1 增強(qiáng)冷凝換熱器的防腐性能

防腐鍍膜對(duì)冷凝換熱器的換熱性能有較大的影響，導(dǎo)熱性能好的材料防腐性能一般也比較差，所以，解決這個(gè)問題理想的辦法就是在冷凝換熱器表面鍍導(dǎo)熱性能好的防腐鍍層。吳媛媛等[1]研究了3種不同材料防腐層的冷凝換熱器的換熱性能，得出非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層冷凝換熱器有較好的換熱性能。由此可知，合理的鍍層選擇能有效增強(qiáng)冷凝換熱器的綜合性能。

Retschitzegger等[2]對(duì)生物質(zhì)鍋爐低溫腐蝕進(jìn)行了研究，指出可通過提高余熱鍋爐冷凝換熱器的給水溫度，或者在冷凝換熱器或經(jīng)濟(jì)器上添加防腐涂層來減少火管鍋爐的腐蝕。文獻(xiàn)[3]對(duì)具有PTFE涂層的冷凝換熱器的換熱性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)增大煙氣進(jìn)口溫度與壁面的溫差，或者冷卻水流量的增加，對(duì)傳熱加強(qiáng)有一定的作用。同時(shí)，冷卻水進(jìn)口溫度升高，會(huì)導(dǎo)致傳熱溫差減小，傳熱減弱。此外，二氧化硫濃度的增加會(huì)導(dǎo)致煙氣露點(diǎn)溫度的升高，對(duì)冷凝換熱有一定影響。通過對(duì)比復(fù)合材料涂層對(duì)流凝結(jié)換熱的影響，發(fā)現(xiàn)煙氣中水蒸氣含量比較高時(shí)，比水蒸氣含量比較低時(shí)的換熱性能強(qiáng)。陽利軍[4]研究了鍍層加涂層的復(fù)合表面處理技術(shù)與燃?xì)饫淠龘Q熱器的腐蝕問題。通過對(duì)比Ni-Cu-P、Ni-Mo-P和Ni-W-P三元合金鍍層及Ni-P鍍層的防腐性能，發(fā)現(xiàn)Ni-Cu-P鍍層的耐腐蝕性能最強(qiáng)，最適合做銅質(zhì)冷凝換熱器的保護(hù)鍍層。程延海[5]研究了換熱設(shè)備Ni-P鍍層與膜狀凝結(jié)問題，指出Ni-P鍍層的化學(xué)成分僅與主鹽和還原劑的濃度有關(guān)，與絡(luò)合劑濃度無關(guān)。同時(shí)，Ni-P鍍層具有明顯促進(jìn)珠狀凝結(jié)的效果，在凝結(jié)過程中表現(xiàn)為珠膜共存狀態(tài)，Ni-P鍍層對(duì)換熱器的換熱性能也有一定的提高作用。此外，對(duì)于鍍層管，增大非晶相含量可以提高其傳熱性能。

2 冷凝換熱器的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)

上述文獻(xiàn)表明，換熱器防腐性能的提升有助于保持燃?xì)忮仩t冷凝換熱器傳熱的穩(wěn)定性。而在強(qiáng)化傳熱方面，合理的換熱器設(shè)計(jì)也能夠有效提升冷凝換熱器的換熱性能。

Seok等[6]研究了不銹鋼冷凝換熱器不同表面粗糙度對(duì)冷凝傳熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明，不同的粗糙表面對(duì)換熱器傳熱系數(shù)的影響比較大，在研究范圍內(nèi)存在一個(gè)最佳的粗糙度。另外，親水性的表面能夠強(qiáng)化傳熱。Galashov等[7]通過對(duì)熱電廠余熱回收鍋爐換熱器設(shè)計(jì)方法的研究，指出應(yīng)用水蒸氣冷凝技術(shù)可以使煙氣排放溫度從加鍋爐前的100℃降低到40℃，聯(lián)合循環(huán)效率顯著提高。針對(duì)冷凝換熱器，Wang等[8]提出了一種新型左右對(duì)稱的內(nèi)翅片管。這種翅片管能夠有效降低徑向溫度梯度，減小不凝氣體層厚度，顯著提高煙氣冷凝中的水蒸氣含量，從而有效強(qiáng)化對(duì)流傳熱。

R?czka等[9]對(duì)煙氣中含有和不含有水蒸氣的冷凝換熱器的算法分別進(jìn)行研究，指出相比Colburn-Hobler算法，使用VDI算法可以更精確地計(jì)算出冷凝換熱器的傳熱面積，傳熱面積比原來減小了28%.

Li等[10]對(duì)高溫?zé)煔獾挠酂峄厥者M(jìn)行了研究，提出了FEC-HP方法。這種方法采用噴霧冷卻直接傳熱，間接避免了換熱器的低溫腐蝕和積垢，可有效回收煙氣中的水蒸氣，突破了煙氣余熱回收領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，達(dá)到了煙氣余熱回收的極限。

Bao等[11]研究了一種由納米多孔膜管束制成的運(yùn)輸膜式冷凝器。該研究可用于回收鍋爐煙氣中的水蒸氣及其潛熱，以提高鍋爐的整體運(yùn)行效率。

張春蕾[12]研制1 t鍋爐用冷凝換熱器樣機(jī)，發(fā)現(xiàn)該樣機(jī)可以提高9%的鍋爐運(yùn)行效率，燃?xì)忮仩t熱效率按低熱值計(jì)可達(dá)到103%，每天每噸鍋爐還產(chǎn)生約1 t的凝結(jié)水。測(cè)試樣機(jī)，發(fā)現(xiàn)供熱回水溫度和煙氣Re對(duì)換熱的影響規(guī)律。回水溫度從45.2℃降到32.5℃可使水的溫升提高43.78%，使換熱器吸熱量提高44.34%，使換熱器的傳熱系數(shù)提高31.67%.通過實(shí)驗(yàn)，得出換熱實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為：Nu＝0.679 9Re0.5J0.48.該式適用于Re＝288～370，J＝0.6～0.9.

張志宏[13-14]對(duì)盤管式冷凝換熱器傳熱和流動(dòng)性能進(jìn)行研究，采用數(shù)值模擬的方法比較了無冷凝的換熱器和盤管式冷凝式換熱器的熱效率，分析影響換熱器性能的主要因素。結(jié)果表明，換熱器流體流速和換熱器盤管間距均對(duì)換熱性能有較大影響，優(yōu)化換熱器性能可從換熱器本身和流體流動(dòng)2個(gè)方面著手。

鄂璟玉[15]通過分析燃?xì)忮仩t煙氣特征，研究直接冷凝技術(shù)和間接接觸冷凝技術(shù)對(duì)鍋爐系統(tǒng)熱利用率的影響，發(fā)現(xiàn)直接冷凝技術(shù)與間接接觸冷凝技術(shù)相比，可以實(shí)現(xiàn)水和煙氣的直接傳熱，有效提高熱效率，成本較低，同時(shí)，它可避免積塵，適用于水與煙氣溫差比較小的熱傳遞。因此，在設(shè)計(jì)冷凝換熱器時(shí)，應(yīng)該綜合考慮使用條件，選用合理的冷凝方式。

沈雅鈞等[16]對(duì)幾種不同形式翅片管的強(qiáng)化傳熱機(jī)理及其在冷凝中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)果表明，翅片管與光管相比，可通過破壞層流邊界層強(qiáng)化換熱，同樣負(fù)荷下所需的冷凝換熱器面積更小。此外，結(jié)垢問題并沒有更嚴(yán)重。

劉民科[17]通過對(duì)新型復(fù)合防腐表面冷凝換熱器煙氣側(cè)對(duì)流凝結(jié)換熱規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)煙氣在新型防腐復(fù)合表面凝結(jié)為珠狀凝結(jié)。實(shí)驗(yàn)得出煙氣受迫對(duì)流凝結(jié)換熱的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為：Nu＝2.658 6Re0.5J0.494.該式適用于Re＝4 797～6 815，J＝0.093～23.894.通過實(shí)驗(yàn)得出，煙氣側(cè)對(duì)流凝結(jié)換熱實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為：Nu＝1.848Re0.4J0.43.該式適用于Re＝142～367，J＝0.18～5.27，Re0.4J0.43＝4.86～17.6.

仝勇昂[18]研究天然氣煙氣冷凝換熱過程，發(fā)現(xiàn)較小的過量空氣系數(shù)對(duì)冷凝換熱具有促進(jìn)作用。此外，利用無量綱溫度Ln表征冷凝換熱過程，總結(jié)出煙氣側(cè)努謝爾數(shù)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為：Nu＝0.249 1Re0.7167Pr1/3Ln0.8203（6 000＜Re＜15 000，0.6＜Pr＜1.8）.

周帥[19]研究燃?xì)忮仩t煙氣余熱冷凝回收過程，發(fā)現(xiàn)排煙溫度分別為50℃、40℃和30℃時(shí)，煙氣中水蒸氣冷凝比例為28.78%，57.42%和75.51%.所以，為了提高余熱回收效率，應(yīng)使排煙溫度保持在50℃以下。

3 結(jié)論

由文中分析可以看出，目前，燃?xì)忮仩t冷凝換熱器的研究主要集中在增強(qiáng)冷凝換熱器的防腐性能和提升冷凝換熱器的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化技術(shù)兩大方面。當(dāng)前的研究工作表明，開發(fā)出具有防腐功能的高效冷凝換熱器是未來研究的重點(diǎn)，可以通過研發(fā)新型翅片，進(jìn)一步總結(jié)歸納換熱規(guī)律來對(duì)冷凝換熱器進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改良。

［1］吳媛媛，王隨林，潘樹源，等.不同防腐層煙氣冷凝換熱器性能實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤氣與熱力，2010，30（3）：20-24.

［2］RetschitzeggerS，BrunnerT，Obernberger I.Low-Temperature Corrosion in Biomass Boilers Fired with Chemically Untreated Wood Chipsand Bark［J］.Energyamp;Fuels，2015，29（6）：3913-3921.

［3］苗瑞環(huán).耐腐蝕煙氣冷凝換熱器換熱性能研究［D］.北京：北京建筑大學(xué)，2013.

［4］陽利軍.新型燃?xì)饫淠鞣栏垮儗拥难芯浚跠］.大連：大連理工大學(xué)，2008.

［5］程延海.改性換熱表面污垢形成及凝結(jié)傳熱研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

［6］Seok SC，Park JW，Jung J，et al.Effect of surface etching on condensing heat transfer［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2016，30（2）：871-877.

［7］Galashov N，Tsibulskiy S，Kiselev A.Application of Evaporative Cooling for the Condensation of Water Vapors from a Flue Gas Waste Heat Boilers CCP［J］.Heat and Mass Transfer in the System of Thermal Modes of Energy-Technical and Technological Equipment（Hmttsc-2016），2016（72）.

［8］Wang YG，Zhao QХ，Zhou QL，et al.Experimental and numerical studies on actual flue gas condensation heat transfer in a left-right symmetric internally finned tube［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，64（8）：10-20.

［9］Raczka P，Wojs K.Methods of Thermal Calculations for a Condensing Waste-Heat Exchanger［J］.Chemical and Process Engineering-Inzynieria Chemiczna I Procesowa，2014，35（4）：447-461.

［10］Li YZ，Yan M，Zhang LQ，et al.Method of flash evaporation and condensation-heat pump for deep cooling of coal-fired power plant flue gas：Latent heat and water recovery［J］.Applied Energy，2016，172：107-117.

［11］Bao A，Wang D，Lin CХ.Nanoporous membrane tube condensing heat transfer enhancement study［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2015，84：456-462.

［12］張春蕾.燃?xì)忮仩t冷凝換熱器的研究［D］.北京：北京建筑工程學(xué)院，2008.

［13］張志宏.盤管式冷凝換熱器的數(shù)值模擬及性能研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

［14］張志宏，柯堅(jiān)，于蘭英.間隙距離對(duì)冷凝式換熱器性能的影響［J］.科協(xié)論壇（下半月），2008（10）：9-10.

［15］鄂璟玉.論燃?xì)忮仩t冷凝換熱器［J］.農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2016，27（8）：58.

［16］沈雅鈞，崔肖潔，楊永華.翅片管強(qiáng)化傳熱技術(shù)在冷凝器中的應(yīng)用［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，28（4）：480-485.

［17］劉民科.煙氣凝結(jié)換熱器傳熱強(qiáng)化與工程應(yīng)用研究［D］.北京：北京建筑工程學(xué)院，2012.

［18］仝勇昂.燃?xì)忮仩t煙氣冷凝換熱實(shí)驗(yàn)研究及分析［D］.重慶：重慶大學(xué)，2015.

［19］周帥.燃?xì)忮仩t煙氣余熱冷凝回收研究與應(yīng)用［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

郭義文（1968—），男，河南夏邑人，二級(jí)技師，主要從事鍋爐系統(tǒng)節(jié)能方面的研究。王謙（1994—），男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事?lián)Q熱器節(jié)能方面的研究。徐瑞聰（1994—），女，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事制冷設(shè)備節(jié)能方面的研究。

〔編輯：白潔〕

TK229.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.018

2095-6835（2017）24-0018-03