王健，李傳凱，鄭軍如，何新土

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108；2.上海齊耀熱能工程有限公司，上海201108）

搪瓷板式空氣預熱器傳熱和阻力特性測試

王健1,2，李傳凱1,2，鄭軍如1,2，何新土1,2

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108；2.上海齊耀熱能工程有限公司，上海201108）

通過采用熱風爐模擬工業(yè)產(chǎn)生的煙氣，對一種搪瓷板式空氣預熱器進行換熱和阻力性能實驗。應用等雷諾數(shù)法的改進方法即直接公式推導法擬合出該型空預器的換熱關聯(lián)式，應用相似原理擬合出該型空預器的阻力關聯(lián)式。此研究可為搪瓷板式空氣預熱器的工業(yè)化設計和選型提供參考和依據(jù)。

搪瓷板式空氣預熱器；傳熱關聯(lián)式；阻力關聯(lián)式

搪瓷板式空氣預熱器是一種充分利用煙氣余熱，加熱助燃空氣的抗腐蝕節(jié)能設備。搪瓷板式空氣預熱器既繼承了板式空氣預熱器傳熱系數(shù)高、占地面積小、重量輕、壓降小和對數(shù)平均溫差大的特點，又繼承了搪瓷表面光滑不易積灰和耐低溫腐蝕的特點[1-3]。搪瓷板式空氣預熱器的核心部件是涂搪的換熱板片，板片的型式和搪瓷的質(zhì)量影響著空預器的換熱性能和阻力大小。

石化企業(yè)對鍋爐熱效率的要求不斷提高，甚至需要將排煙溫度降低到100℃以下，這就使得空氣預熱器無法避開低溫酸露點腐蝕的問題，板式空氣預熱器作為余熱回收的一種新型設備，在石油煉化行業(yè)中得到越來越廣泛的使用，焊接型搪瓷換熱元件能夠從根本上解決空預器換熱元件腐蝕、積灰、漏風等問題，延長設備的檢修周期，從而降低設備的運行成本，提高石化企業(yè)的綜合效益。

本文以試驗為基礎，通過不同的試驗工況，找出換熱系數(shù)和雷諾數(shù)的關系、壓降和雷諾數(shù)的關系，同時擬合出搪瓷板式空氣預熱器的傳熱和阻力關聯(lián)式，為工業(yè)化設計選型提供參考和依據(jù)。

1 實驗方案

為更接近加熱爐實際使用工況，本實驗采用實際比例的搪瓷板式空氣預熱器，其外形尺寸長1 546 mm，寬1 260 mm，高1 320mm，建立大型試驗臺，如圖1和圖2所示。該搪瓷板式空氣預熱器是一種整體灌封式的全搪瓷通道板式換熱器，它包括多個相互平行的板管，每個板管由兩個板片左右對焊而成，然后將板管的內(nèi)表面和外表面全部搪瓷，其中內(nèi)部為空氣通道，外側為煙氣通道，空氣左進右出，煙氣上下進出。搪瓷空預器的其它相關尺寸如表1所示。

圖1 搪瓷板式空氣預熱器

圖2 搪瓷板式空氣預熱器試驗臺

表1 搪瓷空預器尺寸

本試驗介質(zhì)為空氣和煙氣，流量7 000～25 000 m3/h，流速2～12m/s，溫度10～310℃。煙氣由熱風爐產(chǎn)生，該熱風爐采用旋流式燃燒器，燃料為柴油。為適應實驗工況燃燒器布置了點火燃油噴嘴和大火燃油噴嘴，其中點火燃油噴嘴采用壓力機械霧化，霧化壓力為0.65MPa，大火燃油噴嘴采用空氣介質(zhì)霧化，霧化壓力為0.6MPa。

試驗裝置系統(tǒng)圖如圖3所示，主要包括搪瓷空預器測試元件、鼓風機、文丘里流量計、熱風爐、燃燒器、油泵、儲油罐、空壓機、測溫測壓儀表、連接管道、閥門、在線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)、熄火保護和報警聯(lián)鎖等。

圖3 試驗裝置系統(tǒng)示意圖

實驗時由鼓風機產(chǎn)生的冷風進入空預器的空氣進口，經(jīng)過加熱后的空氣一部分給燃燒器配風，一部分與熱風爐產(chǎn)生的熱煙氣混合進入空預器的煙氣進口，同時空預器的空氣側有一條旁路用來調(diào)節(jié)煙氣量和空氣量的比。

2 試驗原理及數(shù)據(jù)處理方法

燃燒產(chǎn)生的熱煙氣與空預器出口的部分熱空氣混合后進入空預器的煙氣側。試驗過程通過調(diào)節(jié)風機出口閥門，熱空氣出口閥門，燃燒器配風閥門和燃油管路閥門來改變搪瓷空預器的實驗工況，各測試工況穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)?？疹A器各進出口均布置3處測溫點和3處測壓點，每個工況以記錄數(shù)據(jù)的平均值為準。

2.1 傳熱關聯(lián)式

本試驗換熱設備煙氣側和空氣側的幾何通道相似，同時換熱過程中沒有相變，因此擬合傳熱公式采用等雷諾數(shù)法的改進方法即直接公式推導法。本實驗中空氣側和煙氣側分別用下標1、2標示?？諝鈧群蜔煔鈧鹊膿Q熱準則關系式分別為：

由于

將式（3）、（4）代入式（1）、（2）得

再由倒數(shù)方程得

令L=Re2/Re1，上式可改寫為：

對式（7）兩邊取對數(shù)得

式（8）是一個線性方程，通過試驗得到一系列數(shù)據(jù)，采用平均雷諾數(shù)求出的m值作為初值代入公式（7），并對其進行線性回歸得到c、m值，再使用迭代法求出最終的c和m值。通過努塞爾方程可得到空氣側和煙氣側的對流換熱系數(shù)。

2.2 阻力關聯(lián)式

本試驗中搪瓷板式空氣預熱器描述其流體阻力特性的方程為歐拉方程：

其中

將式（10）代入式（9），并兩邊取對數(shù)得

式（11）是一個線性方程，通過試驗得到一系列數(shù)據(jù)，對其進行線性回歸即可得到c1、n值。

3 試驗數(shù)據(jù)及結果分析

根據(jù)本試驗數(shù)據(jù)如表2所示，擬合出的努塞爾準則關系式為：

表2 試驗數(shù)據(jù)1

根據(jù)本試驗數(shù)據(jù)如表3所示，擬合出的歐拉準則關系式為：

表3 試驗數(shù)據(jù)2

將表2和表3中的數(shù)據(jù)繪制成圖4和圖5。圖4所示為雷諾數(shù)和換熱系數(shù)的關系，隨著雷諾數(shù)的增大，由于板片間介質(zhì)流動的擾度增大，換熱增強，換熱系數(shù)增大。圖5所示為雷諾數(shù)和壓降的關系，隨著雷諾數(shù)的增大，搪瓷板式空預器壓降增大。因此搪瓷板式空氣預熱器的選型設計時，要根據(jù)實際使用工況，選擇最合適的空預器型號。

圖4 雷諾數(shù)與換熱系數(shù)關系圖

由管內(nèi)湍流強制對流傳熱關聯(lián)式Nu= 0.023Re0.8Prn與擬合出的搪瓷板式空氣預熱器的換熱關聯(lián)式比較可知，在流速及其它條件相同的情況下，搪瓷板式空氣預熱器的換熱系數(shù)比管式的高1.8～2.6倍。

圖5 雷諾數(shù)與壓降關系圖

由圖5可看出，在雷諾數(shù)相等時，煙氣側的壓降均高于空氣側，原因是煙氣側的運動黏度要高于空氣側的運動黏度，造成煙氣側的流速低，而實驗中煙氣和空氣的密度相差不大。因此雷諾數(shù)相同時煙氣側的壓降要大。

布置為錯列的管式空氣預熱器與本試驗采用的搪瓷板式空氣預熱器在空氣流量為15 000m3/h，空氣進口溫度為14℃，煙氣流量為15 070m3/h，煙氣進口溫度為300℃的工況下比較，當與搪瓷板式空預器體積相同時，管式空預器采用φ40×1.5，橫向間距60mm，縱向間距40mm，每排40根，共16排，單根管長為1 500mm，煙氣側換熱面積為120 m2，空氣側換熱面積為111m2。

試驗用搪瓷板式空預器可將空氣溫度提高到131℃，將煙氣溫度降到194℃，其總換熱系數(shù)為37.2W/m2·K，煙氣側壓降為118 Pa，空氣側壓降為123 Pa。管式空預器可將空氣溫度提高到81℃，將煙氣溫度降到240℃，其總換熱系數(shù)為13.5W/m2·K，煙氣側壓降為116 Pa，空氣側壓降為52 Pa。

當與搪瓷板式空預器達到相同換熱效果時，管式空預器采用φ40×1.5，橫向間距60mm，縱向間距40mm，每排40根，共31排，單根管長為1 500mm，煙氣側換熱面積為234m2，空氣側換熱面積為216 m2；其總換熱系數(shù)為15.9 W/m2·K，煙氣側壓降為211 Pa，空氣側壓降為121 Pa。

由以上比較可知搪瓷板式空預器的換熱系數(shù)比管式的高約2倍，體積比管式的小一半，板式空氣預熱器的煙氣側阻力比同樣流道長度的管式空氣預熱器小2/5～3/5，空氣側阻力與同樣流道長度的管式空氣預熱相當。

4 結論

通過試驗測試了搪瓷板式空氣預熱器的冷熱介質(zhì)在不同流速和不同溫度下的換熱性能和阻力大小，得到以下結論：

（1）隨著雷諾數(shù)的增大，使介質(zhì)流速增大，搪瓷板式空預器的換熱性能提高，壓降增大；

（2）通過直接公式推導法擬合出搪瓷板式空預器的換熱和阻力公式，進一步證明板式空預器的換熱性能優(yōu)于普通管式空預器，為空預器板型的設計和選取提供參考依據(jù)；

（3）搪瓷對空預器換熱性能的影響不大。

[1]閻西祥，董紹平.煉油加熱爐空氣預熱器的發(fā)展及趨勢[J].工業(yè)爐，2013，35（4）：20-21.

[2]楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[3]趙啟杰.搪瓷材料在燃油鍋爐低溫腐蝕防治方面的應用[J].工業(yè)科技，2011，40（4）：52-53.

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Heat Transfer and Resistance Characteristic Test of Enamel Panel Preheater

WANG Jian1,2,LIChuankai1,2,ZHENG Junru1,2,HE Xintu1,2
（1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute,Shanghai201108,China; 2.ShanghaiQiyao Thermal Energy Engineering Co.,Ltd,Shanghai 201108,China）

The heat transfer and resistance performance testofa kind of enamel panel air preheaterwas conducted via adopting gas generated from simulation of industrial flue gas in hot air stove.Heat transfer correlation formula and resistance correlation formula were obtained in this experiment.The heat transfer correlation formula was derived from the improved method of equivalent Reynolds that is direct formula derivation method.The resistance correlation formula was derived from similar principle.This investigation will provide reference and basis for industrial design and selection of this enamelpanel air preheater.

enamel panel preheater;heat transfer correlation formula;resistance correlation formula

TK124

A

1001-6988（2016）05-0045-04

2016-06-16

王健（1987—），男，工程師，主要從事工業(yè)爐和余熱回收系統(tǒng)設計等.