氟塑料換熱器及其數值模擬的研究進展

靳超然 甘露 劉舒巍 王濟平

摘 要：氟塑料換熱器以其耐腐蝕的特性，在低溫余熱回收領域有廣泛的應用前景。本文簡述了氟塑料換熱器改性及氟塑料換熱器數值模擬的研究進展。通過對氟塑料進行改性其傳熱系數可大幅增高，利用數值模擬技術，可對今后氟塑料換熱器的設計提供一定的參考依據。

關鍵詞：氟塑料換熱器;改性;數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.052

0 引言

電廠鍋爐排煙損失是鍋爐熱損失中最重要的一項，對這部分煙氣的余熱進行回收利用，鍋爐效率將大大提高。煙氣余熱多采用低溫省煤器等裝置進行回收利用。目前電廠多采用金屬材質的換熱器作為低溫省煤器，但是金屬換熱器存在低溫腐蝕等問題，對機組的安全穩定運行造成一定影響。氟塑料換熱器憑借其耐腐蝕、耐低溫、耐老化、不粘黏的特性，解決了金屬換熱器無法解決的問題，被廣泛關注。

1 氟塑料改性的研究進展

氟塑料是各類含氟聚合物的總稱，應用較多的是聚四氟乙烯（PTFE）。氟塑料換熱器從1966由美國杜邦公司首次研制，已經過了50多年的發展，被歐美國家廣泛使用。我國氟塑料換熱器的研究開始于20世紀70年代，眾多研究者對氟塑料換熱器的機械性能及傳熱效果進行了深入的研究，使其在我國也有極大發展。氟塑料換熱器雖然具有耐腐蝕等諸多特性，但是其價格相對較高，目前越來越多的研究者開始了氟塑料改性的研究，以期得到價格更低廉，傳熱性能和機械性能更優秀的材料。

范寒寒[1]將石墨作為填充材料，對聚全氟乙丙烯進行改性，研究發現在石墨含量小于10%的情況下，材料的拉伸強度隨石墨含量的增加而增加，通過換熱器實驗，其總傳熱系數達到了621.1W/（m2·K），單位體積總傳熱系數達到了1.40×10～5W/（m3·K），該材料在價格、機械性能和傳熱性能等方面具有一定的優勢。張燕[2]利用干濕法紡絲對聚偏氟乙烯（PVDF）改性，使換熱管形成孔隙，通過在孔隙中形成微小的對流，來提高傳熱系數，通過水-水傳熱實驗，其總傳熱系數高達1286 W/（m2·K）。

2 換熱器數值模擬的研究進展

隨著CFD技術的發展，數值模擬技術已經成為換熱器研究的重要手段之一。付磊等[3]利用商業數值模擬軟件建立了管殼式換熱器的模型，并對換熱器殼程流動及傳熱過程進行了模擬，得到了不同工況下管殼式換熱器殼程流體的流場及溫度場，分析了管殼式換熱器換熱效果的影響，對換熱器的設計優化提供了一定的方向。王慶鋒等[4]采用Fluent對管殼式換熱器進行了數值模擬，分析了換熱管形式、折流板結構對流動及傳熱的影響，研究表明波節管和波紋管與光管相比，換熱效果提高，但是壓降也隨之增大，換熱器殼程對流傳熱系數及壓降隨折流板間距的增大而減小，隨著折流板切率的增大分別呈現先增大后減小和減小的趨勢。

3 氟塑料換熱器數值模擬的研究進展

數值模擬技術具有易于重復，費用低廉的優點，在氟塑料換熱器的研究中也得到了一定的應用。

滿孝增[5]通過建立氟塑料換熱器的幾何模型，對氟塑料換熱管束的流動及傳熱進行了數值模擬，通過與計算值和實驗值進行對比，其換熱量誤差分別為4.7%、5.1%，其殼程壓降誤差分別為7.9%、5.8%，可以為以后的研究提供一定的參考。

趙國春[6]對聚偏氟乙烯管殼式換熱器建立了三維模型，利用數值軟件Fluent對聚偏氟乙烯換熱器殼程流場進行了模擬，分析了不同管束布置方式、管間距、折流板間距及殼程入口溫度對換熱器換熱性能的影響，得到了換熱效果與經濟性兼具的換熱器設計方案。

段俊陽[7]對氟塑料光管低溫省煤器進行了數值模擬，首先建立了單管的幾何模型，分析了不同入口煙氣流速、煙氣溫度對煙氣側傳熱及阻力的影響，不同入口水速、水溫對水側傳熱及阻力的影響，還分析了不同管束排列方式、管束橫向節距與縱向節距對傳熱及阻力的影響，為低溫省煤器的設計提供了參考。

4 結論

氟塑料換熱器具有耐腐蝕、耐低溫的特性，在低溫余熱利用領域具有廣闊的前景。通過對氟塑料換熱器進行改性可以顯著提高其傳熱系數，同時降低造價。利用數值模擬軟件可以更方便快捷的對氟塑料換熱器的傳熱及流動特性進行研究，為今后換熱器的設計優化提供參考。

參考文獻：

[1]范寒寒.石墨改性聚全氟乙丙烯導熱中空纖維及其換熱器的研制[D].天津大學，2012.

[2]張燕.基于PVDF微孔膜的界面聚合改性制備換熱管研究[D].天津工業大學，2017.

[3]付磊，唐克倫，文華斌等.管殼式換熱器流體流動與耦合傳熱的數值模擬[J].化工進展，2012，31（11）：2384-2389.

[4]王慶鋒，龐鑫，趙雙.管殼式換熱器傳熱效率影響因素及數值模擬分析[J].石油機械，2015（10）：102-107.

[5]滿孝增.氟塑料換熱管束傳熱與流動計算及數值模擬D].華北電力大學，2017.

[6]趙國春.聚偏氟乙烯換熱器換熱性能實驗研究與數值模擬[D].北京建筑大學，2015.

[7]段俊陽.燃煤鍋爐煙氣余熱回收系統的性能分析[D].華北電力大學，2016.

基金項目：燃煤電廠氟塑料相變凝聚提水（除塵）技術研究（2017-002-

YD-KJ-X）