不同防腐層煙氣冷凝換熱器性能實(shí)驗(yàn)研究

摘 要

摘要：對(duì)不同新型防腐層煙氣冷凝換熱器的換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到換熱器表面防腐層對(duì)煙氣冷凝換熱器換熱性能的影響規(guī)律，給出了3種不同防腐層換熱器換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。非晶態(tài)鎳
摘要：對(duì)不同新型防腐層煙氣冷凝換熱器的換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到換熱器表面防腐層對(duì)煙氣冷凝換熱器換熱性能的影響規(guī)律，給出了3種不同防腐層換熱器換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層再上涂有機(jī)涂層的冷凝換熱器的換熱性能較好。
關(guān)鍵詞：煙氣換熱器；冷凝換熱器；換熱性能；防腐層
Experimental Study on Performance of Flue Gas Condensing Heat Exchanger with Different Anticorrosive Coatings
WU Yuan-yuan，WANG Sui-lin，PAN Shu-yuan，SHI Yong-zheng
Abstract：Through experimental study on heat transfer performance of flue gas condensing heat exchanger with different new-type anticorrosive coatings，the influencing rule of surface anticorrosive coatings of heat exchanger on heat transfer performance of flue gas condensing heat exchanger is obtained. Three experimental correlations for heat transfer of flue gas condensing heat exchanger with different anticorrosive coatings are given. The condensing heat exchanger with amorphous Ni-P composite coating and organic coating has better heat transfer performance.
Key words：flue gas heat exchanger；condensing heat exchanger；heat transfer performance；anticorrosive coating
1 概述
    在天然氣燃燒設(shè)備尾部加裝煙氣冷凝換熱器是提高天然氣熱能利用率的一個(gè)重要途徑，但增加冷凝式換熱器會(huì)使整個(gè)設(shè)備的體積增加。因此，尋求冷凝換熱器強(qiáng)化傳熱的有效方法，是進(jìn)行冷凝換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)、開發(fā)高效緊湊冷凝換熱設(shè)備的途徑。煙氣冷凝換熱器中煙氣與冷表面的換熱，既有煙氣與換熱面間對(duì)流換熱時(shí)的顯熱交換，又有水蒸氣透過氣膜擴(kuò)散傳質(zhì)并在氣液界面上凝結(jié)放熱時(shí)的潛熱交換，是一個(gè)伴隨有凝結(jié)的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱傳質(zhì)過程。
    由于煙氣中的部分有害氣體會(huì)溶解到冷凝水中，形成酸性溶液(pH值約為3～5)，對(duì)換熱器產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。普通換熱器的換熱材料不適宜作冷凝換熱材料，必須采用耐腐蝕的材料或耐腐蝕鍍層[1～3]。
    本文對(duì)不同新型防腐鍍層煙氣冷凝換熱器的換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到換熱器表面鍍層對(duì)煙氣冷凝換熱器的換熱性能的影響規(guī)律，為煙氣冷凝換熱器的研究開發(fā)提供參考。
2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理
2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
    本實(shí)驗(yàn)所研究的冷凝換熱器為肋片管式冷凝換熱器，總尺寸為198mm×97mm×51mm，鍍層分別為非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層、有機(jī)涂層、非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層。
   本實(shí)驗(yàn)臺(tái)是在普通燃?xì)鉄崴魃霞友b冷凝換熱器而成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3部分組成：氣(包括天然氣、空氣、煙氣)系統(tǒng)、水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。
 

    氣系統(tǒng)：使用可調(diào)節(jié)風(fēng)量的鼓風(fēng)機(jī)11鼓入空氣，空氣和燃?xì)庠陬A(yù)混段1內(nèi)混合后進(jìn)入燃燒器2燃燒，燃燒產(chǎn)生的煙氣上升后先與冷卻換熱器4管內(nèi)冷卻水進(jìn)行顯熱交換，然后繼續(xù)上升與冷凝換熱器7管內(nèi)冷卻水進(jìn)行顯熱及潛熱交換，最后煙氣由煙道排出。煙氣中的水蒸氣冷凝后落入冷凝水收集盤6內(nèi)，再由底部水管流入燒杯18中。
    水系統(tǒng)：本實(shí)驗(yàn)將冷卻段和冷凝段的水路分開，讓冷卻水分兩路分別進(jìn)入冷卻換熱器4和冷凝換熱器7。進(jìn)入冷卻換熱器的水與煙氣換熱后流經(jīng)電磁流量計(jì)19后流入水桶20中，用作生活熱水。對(duì)于進(jìn)入冷凝換熱器的冷卻水，通過調(diào)節(jié)三通閥14的回水量，即調(diào)節(jié)冷熱水比例來調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)水溫度，冷卻水與煙氣換熱，部分通過三通閥14進(jìn)行循環(huán)，部分流出，作為生活熱水。在冷凝段的水路上，加設(shè)水箱定壓，以消除水壓不穩(wěn)對(duì)進(jìn)入冷凝換熱器的冷卻水流量的影響。
   控制系統(tǒng)：包括控制器、燃?xì)忾y、水閥及安全報(bào)警系統(tǒng)，具有自動(dòng)點(diǎn)火和安全報(bào)警作用。燃?xì)忾y根據(jù)控制信號(hào)啟停燃?xì)夤┙o；水閥與冷卻段供水管道相連，當(dāng)供水管道上閥門打開有水流經(jīng)過控制器21時(shí)自動(dòng)將其內(nèi)水閥打開，燃燒器就會(huì)隨之自動(dòng)點(diǎn)火。
    為了減少系統(tǒng)的散熱損失，在整個(gè)換熱系統(tǒng)的外部包裹了一層玻璃棉，進(jìn)行保溫處理。
2.2 實(shí)驗(yàn)原理
    使用氣體色譜分析儀對(duì)本實(shí)驗(yàn)所用天然氣的組成進(jìn)行分析，計(jì)算所需空氣量以及產(chǎn)生的煙氣量。
    冷凝換熱器換熱量包括煙氣的顯熱和潛熱放熱量，煙氣的顯熱熱流量為：
    Фf,s=cp,fρfqV,f(tf,0-tf,1)    (1)
式中Фf,s——煙氣的顯熱熱流量，kW
    cp,f——煙氣的比定壓熱容，kJ/(kg·K)
    ρf——煙氣的密度，kg/m3
    qV,f——煙氣的體積流量，m3/s
    tf,0——冷凝換熱器進(jìn)口煙氣溫度，℃
    tf,1——冷凝換熱器出口煙氣溫度，℃
    煙氣的潛熱熱流量為：
    Фf,h=rqm,c    (2)
式中Фf,h——煙氣的潛熱熱流量，kW
    r——水蒸氣的氣化潛熱，kJ/kg
    qm,c——冷凝水的質(zhì)量流量，kg/s
    煙氣在冷凝換熱器內(nèi)放出的總熱流量為：
    Фf=Фf,s+Фf,h    (3)
式中Фf——煙氣在冷凝換熱器內(nèi)放出的總熱流量，kW
    冷凝換熱器內(nèi)冷卻水吸收的熱流量為：
    Фl=cp,lqm,l(tl,1-tl,0)    (4)
式中Ф-——冷凝換熱器內(nèi)冷卻水吸收的熱流量，kW
    cp,l——水的比定壓熱容，kJ/(kg·K)
    qm,l——冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s
    tl,0——冷凝換熱器進(jìn)水溫度，℃
    tl,1——冷凝換熱器出水溫度，℃
    為保證結(jié)果的正確性，實(shí)驗(yàn)中舍去冷凝換熱器內(nèi)冷卻水吸收的熱流量與煙氣中。在冷凝換熱器內(nèi)放出的總熱流量垂，二者相對(duì)誤差大于10%的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，取二者的平均值作為冷凝換熱器的總熱流量Фtot。
煙氣側(cè)對(duì)流凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：
 
式中hz——煙氣側(cè)對(duì)流凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)
    Фtot——冷凝換熱器的總熱流量，kW
    η——冷凝換熱器肋壁換熱效率
    A——冷凝換熱器煙氣側(cè)總換熱面積，m2
    △tf,w——煙氣與冷凝換熱器壁面的對(duì)數(shù)平均溫差，℃
   煙氣對(duì)流凝結(jié)換熱努塞爾數(shù)Nu為：
   
式中Nu——努塞爾數(shù)，反映對(duì)流換熱過程的強(qiáng)度
    de——冷凝換熱器當(dāng)量直徑，m
    λf——煙氣的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
煙氣的雷諾數(shù)Re為：
 
式中Re——雷諾數(shù)，為流體慣性力與黏性力的比值，表示流態(tài)對(duì)對(duì)流換熱的影響
    uf——煙氣在冷凝換熱器內(nèi)的流動(dòng)速度，m/s
    υf——煙氣的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s
煙氣的改進(jìn)的雅各布數(shù)J為：
 
式中J——改進(jìn)的雅各布數(shù)，反映了對(duì)流凝結(jié)換熱過程中潛熱換熱量與顯熱換熱量的相對(duì)大小
    ρv,0——煙氣中水蒸氣在冷凝換熱器入口處的質(zhì)量濃度，kg/m3
    ρv,w——冷凝換熱器煙氣側(cè)壁面平均溫度對(duì)應(yīng)的飽和空氣中水蒸氣質(zhì)量濃度，kg/m3
    tw——冷凝換熱器煙氣側(cè)壁面平均溫度，℃
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 煙氣Re和J對(duì)煙氣對(duì)流凝結(jié)換熱的影響
    非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層冷凝換熱器煙氣的Re和J，對(duì)總換熱Nu的影響見圖2，有機(jī)涂層冷凝換熱器煙氣的Re和J對(duì)總換熱Nu的影響見圖3，非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層冷凝換熱器煙氣的Re和J對(duì)總換熱№的影響見圖4。

    由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到：對(duì)于同一種防腐層換熱器，其煙氣側(cè)Nu均隨J和Re增大而增大；對(duì)于不同防腐層換熱器，Re相同時(shí)，Nu隨J增大的速率不同，非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層的冷凝換熱器Nu增加速率最大。
3.2 不同鍍層對(duì)冷凝換熱器換熱性能的影響
對(duì)于分別鍍有非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層、有機(jī)涂層、非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層的冷凝換熱器，在煙氣向上流動(dòng)條件下，Re=196時(shí)不同防腐層冷凝換熱器換熱性能比較見圖5，Re=188時(shí)不同防腐層冷凝換熱器換熱性能比較見圖6，Re=170時(shí)不同防腐層冷凝換熱器換熱性能比較見圖7，Re=165時(shí)不同防腐層冷凝換熱器換熱性能比較見圖8。
 

    由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：
    ① 3種不同防腐層的冷凝換熱器中，非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層冷凝換熱器換熱能力最強(qiáng)，有機(jī)涂層冷凝換熱器換熱能力與非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層冷凝換熱器換熱能力相當(dāng)。
    ② 非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層冷凝換熱器比其他兩種防腐層換熱器盹高18%～25%。原因一方面是由于非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層冷凝換熱器表面的有機(jī)涂層屬于高分子聚合物，這種物質(zhì)具有相當(dāng)?shù)偷谋砻婺埽梢允贡砻鎻埩^大的水在其上實(shí)現(xiàn)珠狀凝結(jié)[4]，煙氣在冷凝時(shí)在其表面形成珠狀凝結(jié)，可使其換熱能力增強(qiáng)；另一方面，非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層光滑、致密、平整，可減少有機(jī)涂層與材料間孔隙率，減小熱阻，增強(qiáng)傳熱。
    ③ 有機(jī)涂層冷凝換熱器換熱能力在船大時(shí)，高于非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層冷凝換熱器，是由于有機(jī)涂層可使煙氣在其表面趨于珠狀凝結(jié)，改善換熱；在Re小時(shí)，換熱能力低于非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層冷凝換熱器，是由于形成的液珠在換熱器肋片間搭液橋，使得有機(jī)涂層換熱器換熱能力較低；在Re由大到小的過程中，兩者的換熱能力相差不大，J越大，有機(jī)涂層冷凝換熱器換熱能力越強(qiáng)，回收的潛熱量越多。
3.3 煙氣側(cè)對(duì)流凝結(jié)換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式
    冷凝換熱器換熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可整理成如下形式[5、6]：
Nu=CRenJm    (11)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)式中各參數(shù)值見表1。
表1 不同鍍層冷凝換熱器實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式中的參數(shù)值
換熱器種類
C
n
m
Re
J
非晶態(tài)鎳磷復(fù)合
化學(xué)鍍層
0.6384
0.5
0.69
160～200
1.0～2.4
有機(jī)涂層
0.6233
0.5
0.61
160～200
1.4～2.9
非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層
0.7722
0.5
0.67
160～200
0.8～2.4
4 結(jié)論
    本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)不同防腐層冷凝換熱器換熱性能的測(cè)定得出，冷凝換熱器換熱性能不僅隨Re和J的增大而增強(qiáng)，而且對(duì)于不同防腐層的冷凝換熱器，其換熱性能隨Re和J的變化速率也不同；在相同工況下，3種不同防腐層的冷凝換熱器的換熱性能不同，非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層+有機(jī)涂層冷凝換熱器換熱能力最強(qiáng)，有機(jī)涂層冷凝換熱器換熱能力與非晶態(tài)鎳磷復(fù)合化學(xué)鍍層冷凝換熱器換熱能力相當(dāng)。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：吳媛媛 王隨林 潘樹源 史永征 北京建筑工程學(xué)院 北京 100044)