氟塑料換熱器的試驗研究

郭寧寧 曲明朋 姜曉義

（1.煙臺龍源換熱設(shè)備有限公司，山東 煙臺 264000；2.荏原冷熱系統(tǒng)（中國）有限公司，山東 煙臺 264000）

0 引言

氟塑料換熱器在國外已有數(shù)十年的工程應(yīng)用歷史，國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)也從20世紀90年代開始研究氟塑料換熱器，并對換熱性能開展了卓有成效的工作[1-6]。針對國內(nèi)部分供熱企業(yè)供熱不足及煙氣中有廢熱資源可以利用的情況，將氟塑料換熱器安裝在脫硫塔后、煙囪前的煙道上，提取煙氣低溫廢熱資源，配合熱泵，將低品位廢熱轉(zhuǎn)換為高品位熱源，可用于冬季供暖或加熱生活熱水用，圖1為氟塑料換熱器配合熱泵在供熱企業(yè)的應(yīng)用原理圖，工藝流程簡潔，節(jié)能減排效用明顯。

圖1 氟塑料換熱器配合熱泵供熱原理圖

1 試驗研究

為了保證產(chǎn)品的應(yīng)用可靠性，本研究通過試驗的方法，測試了氟塑料換熱器的傳熱性能和抗腐蝕性能，為氟塑料換熱器的推廣應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)。本試驗分兩種工況，分別測試氟塑料換熱器的耐壓、耐溫、換熱效果以及對灰塵的粘附特性。

工況一：換熱管內(nèi)通常溫循環(huán)水，換熱管外通蒸汽，模擬煙氣冷卻器。

工況二：換熱管內(nèi)通蒸汽，換熱管外通常溫循環(huán)水，模擬煙氣加熱器。

試驗系統(tǒng)（圖2）由蒸汽鍋爐、氟塑料換熱器（圖3）、外部保溫圓桶（圖4）、循環(huán)水系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等組成，流程圖如圖5、圖6所示。

圖2 試驗系統(tǒng)

圖3 氟塑料換熱器

圖4 外部保溫圓桶

圖3中的換熱器選用聚四氟乙烯材質(zhì)的光管管束，呈錯列排布，與蒸汽呈90°交叉布置，逆流換熱。換熱器放置于一鋼制圓筒內(nèi)，考慮到試驗系統(tǒng)可能產(chǎn)生的熱損失，對鋼制圓筒（見圖4）外部做保溫處理，圓筒是管外流體的承載區(qū)域，可流通循環(huán)水或者蒸汽。在圓筒的外壁豎直方向設(shè)置多組視鏡，可以觀察蒸汽在換熱管外部凝結(jié)的情況。在出入口位置設(shè)置多組A級Pt100鉑電阻和壓力表測試相關(guān)參數(shù)。

圖5 煙氣冷卻器流程圖

圖6 煙氣加熱器流程圖

2 計算方法

（1）冷側(cè)介質(zhì)和熱側(cè)介質(zhì)熱交換平衡方程式[7]：

（2）傳熱速率方程：

（3）計算求得Q之后，反推得到換熱系數(shù)K：

式中 Q——換熱器整個傳熱面上的熱流量，W；

K——總傳熱系數(shù)，W/m2·℃；

F——總傳熱面積，m2；

△tm——換熱器的對數(shù)平均溫差，℃；

mh、mc——熱、冷側(cè)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；

cph、cpc——熱、冷側(cè)介質(zhì)的定壓比熱，kJ/（kg·℃）；

T1、T2——熱側(cè)的進、出口溫度，℃；

t1、t2——冷側(cè)的進、出口溫度，℃。

3 試驗結(jié)果

3.1 試驗過程中的假設(shè)

（1）換熱管表面熱阻恒定；（2）忽略系統(tǒng)熱損失；（3）蒸汽在換熱管間流速一致。

以上假設(shè)對換熱器的試驗計算結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響，當應(yīng)用于現(xiàn)場時需要根據(jù)實際運行結(jié)果確定相關(guān)因素的影響因子。

3.2 模擬煙氣冷卻器試驗

模擬了煙氣余熱提取的情況，圓桶內(nèi)通入高溫蒸汽，通過蒸汽流量計控制入口流量，換熱管內(nèi)通循環(huán)水，通過電動閥控制循環(huán)水流量，試驗過程中，等到工況穩(wěn)定運行1 h后記錄相關(guān)參數(shù)，每組工況記錄5組數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

3.3 模擬煙氣加熱器試驗

模擬煙氣再熱的情況，圓桶內(nèi)通入循環(huán)水，通過電動閥控制循環(huán)流量，換熱管內(nèi)通循環(huán)水高溫蒸汽作為加熱源，通過蒸汽流量計控制蒸汽流量，試驗過程中，等到工況穩(wěn)定運行1 h后記錄相關(guān)參數(shù)，每組工況記錄5組數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖7 壓縮空氣吹灰效果

3.4 不粘特性

由于放置換熱器的鋼制圓筒內(nèi)部未做防腐，在模擬煙氣加熱器的試驗運行3個月后，氟塑料換熱管外表面積聚了一層水垢和灰塵。

圖7是將換熱器從殼體中吊出來后吹掃對比情況，左側(cè)為原始附著煙塵情況，右側(cè)是利用壓縮空氣吹掃換熱管后的換熱管表面狀況，換熱管在經(jīng)過簡單吹掃后，與未吹掃的部分產(chǎn)生明顯對比，換熱管不附著灰塵得到有力驗證。

表1 水內(nèi)汽外

表2 汽內(nèi)水外

圖8是換熱器經(jīng)過噴淋水清潔后的換熱管表面，由圖可以看出，表面光潔，無任何其他雜質(zhì)，無灰塵附著，本身的不粘特性十分突出。

換熱管在沒有受到外部振動以及噴淋水沖洗的情況下處于靜止狀態(tài)，所以表面水垢不易脫落，但是由于換熱管本身具有不粘的特性，只要對其外部進行一些輔助除塵，表面就恢復到原來的光滑程度。

圖8 水清洗效果

4 結(jié)論

綜合以上試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）換熱系數(shù)隨著蒸汽溫度的升高而升高。冷卻蒸汽時的氟塑料換熱器總換熱系數(shù)在310 W/（m2·K）左右，加熱蒸汽時的氟塑料換熱器總換熱系數(shù)在260 W/（m2·K）左右，由此推斷，在同等條件下，煙氣冷卻器的換熱系數(shù)比煙氣加熱器的換熱系數(shù)高。

（2）換熱管具有不粘特性，灰塵附著到管路上極易被清除掉，并且噴淋水清洗的效果要優(yōu)于機械振動或風力除塵的效果。

（3）換熱器在經(jīng)過長時間的實際運行測試后，可耐高溫、耐高壓，循環(huán)試驗后性能未出現(xiàn)明顯變化。

（4）氟塑料換熱器自身的特性配合熱泵供熱的技術(shù)方案是節(jié)能減排的一種新型技術(shù)應(yīng)用，特點突出，應(yīng)用前景廣闊。

[參考文獻]

[1] 賈力，陳鐵兵，孫金棟.PTFE塑料空氣預(yù)熱器的傳熱分析[J].北京建筑工程學院學報，1999（1）：l-7.

[2] 黃曉宇，雷承勇，王恩祿，等.煙氣橫向沖刷錯列管束對流冷凝換熱試驗研究[J].鍋爐技術(shù)，2012（6）：5-8.

[3] 陳鐵兵.耐腐蝕PTFE塑料空氣預(yù)熱器煙氣冷凝換熱的研究[D].北京：北京建筑工程學院，2000.

[4] 笪耀東，車德福，莊正寧，等.高水分煙氣對流冷凝換熱模擬實驗研究[J].工業(yè)鍋爐，2003（1）：12-15.

[5] 賈力，彭曉峰，孫金棟，等.煙道氣的冷凝傳熱與脫硫的實驗研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學學報，2000（4）：387-393.

[6] 曹彥斌，艾效逸，郭全，等.伴隨有水蒸氣凝結(jié)的煙氣對流換熱的實驗研究[J].工程熱物理學報，2000（6）：729-733.

[7] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.