王　帥　 吳　新　 李　詩　 籍曉洋　 趙長遂

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室, 南京 210096)

防腐鍍(涂)層管束表面對流凝結(jié)換熱特性

王帥 吳新 李詩 籍曉洋 趙長遂

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室, 南京 210096)

摘要:為了考察低溫?zé)煔庥酂峄厥者^程中防腐鍍(涂)層管束表面的耐蝕性能和維持珠狀凝結(jié)的能力,分別對紫銅管和Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層和聚四氟乙烯(PTFE)涂層管表面的腐蝕過程和含濕氣體(水蒸氣和空氣混合,水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～16%)橫掠這4種單排水平管束的對流凝結(jié)換熱過程進行了實驗研究及分析.結(jié)果表明:Ni-P鍍層和Ni-P-Cu鍍層管表面耐蝕性能明顯優(yōu)于紫銅管,PTFE涂層管表面具有最佳的耐蝕性能;Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層管束凝結(jié)換熱系數(shù)比銅管管束分別提高5%～35%,14%～61%和10%～48%,具有明顯促進珠狀凝結(jié)的能力,Ni-P-Cu鍍層管束具有最佳的凝結(jié)換熱效果.在低溫?zé)煔庥酂峄厥盏膶嶋H應(yīng)用中,當(dāng)煙氣的腐蝕性較大時,優(yōu)先選擇PTFE涂層換熱管束;當(dāng)煙氣的腐蝕性較小時,則首選換熱效果最好的Ni-P-Cu鍍層換熱管束.對實驗數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析,得到了含濕氣體橫掠這4種單排水平管束的對流凝結(jié)復(fù)合換熱實驗關(guān)聯(lián)式,關(guān)聯(lián)式預(yù)測值與實驗值的相對誤差在±15%以內(nèi),因而關(guān)聯(lián)式具有較高的準(zhǔn)確性.

關(guān)鍵詞:凝結(jié);對流;傳熱;腐蝕;余熱回收

傳統(tǒng)鍋爐排煙溫度一般為130～180 ℃,煙氣中水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～20%(取決于燃料類型),并且存在少量SO2,H2S,HCl等酸性氣體.降低鍋爐的排煙溫度和回收煙氣中水蒸氣的顯熱和潛熱,不僅提高了鍋爐的熱效率,同時凝結(jié)液也回收了煙氣中部分酸性氣體,具有節(jié)能與環(huán)保雙重功效[1].但排煙溫度過低,會造成換熱器換熱效果差和換熱面的低溫腐蝕,因此低溫?zé)煔獾挠酂峄厥招枰鉀Q換熱溫差低和換熱器低溫腐蝕2個難題.各國研究者致力于促進換熱表面珠狀凝結(jié)來增強換熱效果,并尋找長時間維持珠狀凝結(jié)和抑制低溫腐蝕的換熱表面.

珠狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)比常見的膜狀凝結(jié)高幾十倍,但是珠狀凝結(jié)換熱過程非常復(fù)雜,影響珠狀凝結(jié)換熱效果的因素很多,眾多研究者進行了大量的研究工作.Chung等[2]、Hu等[3]和Bisetto等[4]分別研究了不凝氣體、接觸角和表面過冷度等因素對珠狀凝結(jié)換熱的影響.文獻[5-6]分別用眾數(shù)平衡理論和隨機分形模型研究了冷凝壁面液滴的分布.

工業(yè)上常用的冷凝器材質(zhì)一般為金屬,表面能較高,不易實現(xiàn)珠狀凝結(jié),因此必須采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砑夹g(shù)降低金屬表面能.目前能實現(xiàn)珠狀凝結(jié)的表面材料有含憎水基的有機促進劑、金屬及其化合物和有機高分子聚合物等三大類.程延海等[7]和馬學(xué)虎等[8]分別用化學(xué)鍍Ni-P技術(shù)和聚四氟乙烯涂層技術(shù)對換熱表面進行了處理,實現(xiàn)了較長時間穩(wěn)定的珠狀凝結(jié).Dehbi[9]總結(jié)了6個研究者的實驗原始數(shù)據(jù),歸納得出了不凝結(jié)氣體存在時對流凝結(jié)換熱系數(shù)的實驗關(guān)聯(lián)式.為了考察珠狀凝結(jié)表面耐蝕性能,Xu等[10]和Liu等[11]分別對化學(xué)鍍Ni-P和Ni-P-Cu鍍層表面進行了腐蝕實驗研究,結(jié)果表明2種鍍層都具有明顯的耐蝕性能.

由于珠狀凝結(jié)換熱過程的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性,至今幾乎沒有珠狀凝結(jié)在工業(yè)化方面的成功應(yīng)用;并且對含有不凝氣體的冷凝式換熱器的設(shè)計,目前都是根據(jù)Colburn-Hougen方法進行設(shè)計,計算繁瑣,誤差較大.因此,本文采用化學(xué)鍍Ni-P,Ni-P-Cu鍍層和聚四氟乙烯涂層技術(shù)對單排水平紫銅管束進行了處理,用含濕氣體(空氣和水蒸氣混合)模擬實際煙氣,研究了不同管表面的耐蝕性能及不同管束對流凝結(jié)換熱特性,得到了對流凝結(jié)復(fù)合換熱努塞爾數(shù)Nu的實驗關(guān)聯(lián)式,為冷凝式換熱器設(shè)計和低溫?zé)煔獾挠酂峄厥仗峁┲笇?dǎo).

1實驗方法及流程

1.1材料

化學(xué)鍍Ni-P鍍層,深圳市迪斯恩科技有限公司提供,鍍層厚度為20μm,鍍層磷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.94%.化學(xué)鍍Ni-P-Cu鍍層,廣州貽順化工有限公司提供,鍍層厚度為20μm,鍍層銅元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.99%.聚四氟乙烯(PTFE)涂層,南京大邦防腐技術(shù)有限公司提供,涂層厚度為20μm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.25W/(m·K).紫銅管,青島宏泰金屬制品有限公司提供,銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.71%,管外徑為15.88mm,壁厚為1mm.腐蝕介質(zhì)為硫酸和NaCl的混合溶液,混合溶液中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%,硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%,模擬實際煙氣的腐蝕環(huán)境.

1.2不同紫銅基鍍(涂)層管表面耐蝕性能實驗

采用能譜儀(EDX)分別測定紫銅管和Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層、PTFE涂層管腐蝕前表面的成分.制備NaCl和硫酸的混合溶液,采用浸泡法對10cm長的紫銅管、Ni-P鍍層管、Ni-P-Cu鍍層管和PTFE涂層管進行抗酸腐蝕性能實驗.為了消除管內(nèi)壁對腐蝕實驗結(jié)果的影響,管子兩端加耐腐蝕的密封塞.采用稱重法測定不同管表面的腐蝕速度,腐蝕時間為168h,每12h稱重一次.腐蝕完成后用EDX分別測定紫銅管和Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層、PTFE涂層管腐蝕后表面的成分.根據(jù)實驗結(jié)果分析不同鍍(涂)層耐蝕性能的機理.

1.3鍍(涂)層管束對流凝結(jié)換熱性能實驗

對流凝結(jié)換熱實驗流程如圖1所示,實驗系統(tǒng)主要由含濕氣體發(fā)生系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)組成.實驗段水平布置單排20根換熱管,管間距為28mm,單根管有效換熱長度為200mm.

圖1　對流凝結(jié)換熱實驗流程圖

冷空氣由空氣壓縮機壓縮吹入,經(jīng)U形管壓力計測定入口壓力，進入電加熱器,升溫后與直流式蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽混合成含濕氣體,用XMT-3000B智能PID溫度控制器調(diào)節(jié)電加熱器,使含濕氣體溫度穩(wěn)定在120 ℃.直流式蒸汽發(fā)生器能產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的低壓蒸汽,最大功率為6kW,功率的大小根據(jù)給水量進行手動控制,給水來自實驗自制的水箱,由蠕動泵穩(wěn)定送入.蒸汽出口處布置熱電偶,可監(jiān)測蒸汽溫度.實驗段前置帶有均流板的梯形箱,以加強含濕氣體的擾動,保證進入實驗段的氣體流動均勻.含濕氣體在實驗段橫掠單排水平管束,冷卻水在管束內(nèi)流動,進行逆流換熱.含濕氣體經(jīng)實驗段冷卻后,溫度明顯降低,通過塑料風(fēng)管排入大氣,冷卻水換熱后進入水箱循環(huán)利用.實驗中用HMT337溫濕度變送器測量實驗段含濕氣體進、出口含濕量;含濕氣體進、出口溫度和冷卻水進、出口溫度均采用標(biāo)定精度為0.5級的銅-康銅熱電偶精確測量.混合前空氣流量、冷卻水流量均用轉(zhuǎn)子流量計測量;單位時間的凝結(jié)水量通過電子天平多次稱重測定取平均值.采用DC-16數(shù)據(jù)采集器對濕空氣進出口溫度、冷卻水進出口溫度、空氣流量、冷卻水流量以及空氣進口壓力等參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C進行處理.為了盡量減少系統(tǒng)的熱量散失,整個實驗系統(tǒng)均用保溫棉進行保溫.

2數(shù)據(jù)測量及處理

2.1不同鍍(涂)層管表面耐蝕性能實驗數(shù)據(jù)處理

將10cm長的不同紫銅基鍍(涂)層管浸泡在溫度為25 ℃的腐蝕介質(zhì)中,168h后用電子天平稱量浸泡前、后試樣的質(zhì)量,腐蝕速度Vcor為

(1)

式中,m1為浸泡前試樣質(zhì)量,mg;m2為浸泡后試樣質(zhì)量,mg;A為腐蝕面積,dm2;t為腐蝕時間,d.

2.2鍍(涂)層管束對流凝結(jié)換熱實驗數(shù)據(jù)處理

含濕氣體與冷卻水的熱量傳遞包括含濕氣體在露點前的無相變對流換熱(顯熱換熱)和水蒸氣達到飽和狀態(tài)后的相變換熱(潛熱換熱).

冷卻水吸熱量Q1為

Q1=Cp1qm1(T2-T1)

(2)

含濕氣體側(cè)換熱量Qa為

Qa=qa(h′-h″)

(3)

式中,qa為含濕氣體中干空氣的質(zhì)量流量,kg/s;h′,h″為濕空氣進、出口焓值,J/kg.由于測量誤差存在,冷卻水吸熱量和含濕氣體側(cè)換熱量有偏差,所以實驗段總換熱量Q=(Ql+Qa)/2.

潛熱換熱量為

Ql=mchl

(4)

式中,mc為凝結(jié)水質(zhì)量,kg;h1為凝結(jié)水的比焓,kJ/kg.

管束凝結(jié)換熱系數(shù)hc為

(5)

(6)

由于鍍(涂)層厚度單位為微米級,所以管束外壁面面積計算可以忽略鍍(涂)層的厚度,便于簡化計算.管外含濕氣體與管內(nèi)冷卻水之間總換熱系數(shù)K為

(7)

式中,Δtm為管束內(nèi)外側(cè)流體之間的對數(shù)平均溫差,

(8)

式中,t1,t2為管外含濕氣體進、出口溫度.

管內(nèi)對流換熱系數(shù)hi計算選用Gnielinski公式[12]，即

(9)

f=(1.82lgRel-1.64)-2

(10)

式中,Nui為管內(nèi)對流換熱努賽爾數(shù);Re1為冷卻水雷諾數(shù);Pr1,Prw分別為冷卻水定性溫度和平均管內(nèi)壁溫度時的普朗特數(shù);di為管內(nèi)徑；L為管長.管內(nèi)對流換熱系數(shù)由下式計算:

(11)

通過外推法得到管外對流凝結(jié)復(fù)合換熱系數(shù)ho為

(12)

式中,λw為紫銅管的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);λdc為鍍(涂)層的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);do為換熱管外徑,m;δ為鍍層(涂層)的厚度,m.

3實驗結(jié)果與討論

3.1不同紫銅基鍍(涂)層管表面耐蝕性能分析

圖2為不同紫銅基鍍(涂)層管表面腐蝕損失量隨時間的變化.由圖可見,銅管在腐蝕介質(zhì)中腐蝕最為嚴(yán)重,腐蝕速度為84.2mg/(dm2·d).腐蝕后銅管表面發(fā)黑,腐蝕前后EDX成分分析表明,銅管表面銅元素含量明顯降低,氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到35.79%.這是因為氯離子具有很強的穿透能力,滲入銅管表面,與銅發(fā)生發(fā)應(yīng),使氯離子溶解在腐蝕介質(zhì)中.

圖2　腐蝕損失量隨時間的變化曲線

從圖2還可以看出,Ni-P鍍層管、Ni-P-Cu鍍層管和PTFE涂層管表面耐蝕性能明顯優(yōu)于紫銅管;腐蝕實驗結(jié)束后這3種管表面均未有明顯的腐蝕斑點.Ni-P鍍層管表面腐蝕速度為13.8mg/(dm2·d);腐蝕前后EDX成分分析表明,鎳元素含量降低,磷元素含量升高,未出現(xiàn)銅元素;主要原因是氯離子能夠排擠掉Ni-P鍍層管表面鈍化膜中的氧,與Ni生成易溶解的氯化鎳,磷的反應(yīng)產(chǎn)物次亞磷酸根離子與水反應(yīng)形成穩(wěn)定的吸附層,從而使表面鎳不斷溶解,磷含量相對升高[13].Ni-P-Cu鍍層管表面腐蝕速度為11.5mg/(dm2·d),耐蝕性能略優(yōu)于Ni-P鍍層管,腐蝕前后EDX成分分析表明,鎳元素含量和銅元素含量略有降低.Ni-P-Cu鍍層管表面在腐蝕介質(zhì)中有鈍化膜出現(xiàn),自腐蝕電流密度小于Ni-P鍍層管,耐蝕性能更好[14].PTFE涂層管表面腐蝕速度為5.2mg/(dm2·d),具有最優(yōu)異的耐蝕性能,腐蝕前后表面成分沒有明顯變化.這是因為PTFE阻斷了銅管表面與腐蝕介質(zhì)的接觸,而PTFE分子中氟原子幾乎覆蓋了整個碳鏈骨架,使PTFE具有超強的耐蝕性能.

3.2含濕氣體橫掠鍍(涂)層管束換熱性能分析

3.2.1鍍(涂)層管束凝結(jié)換熱特性

含濕氣體水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%,10%,13%和16%時，Cu、Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層管束的凝結(jié)換熱特性見圖3.從圖中可以看出,含濕氣體雷諾數(shù)越大,凝結(jié)換熱效果越好;Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層管束凝結(jié)換熱系數(shù)hc比銅管管束分別提高5%～35%,14%～61%和10%～48%,3種管束凝結(jié)換熱效果均優(yōu)于銅管管束.

從圖3中還可以看出,含濕氣體水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,凝結(jié)換熱效果越好.主要原因是水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,水蒸氣分壓力越大,露點溫度越高,越有利于凝結(jié)換熱;其次,水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,導(dǎo)致不凝結(jié)氣體含量相對降低和近壁處不凝氣體層厚度減薄,水蒸氣更易穿過不凝氣體層到達凝結(jié)壁面.當(dāng)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于13%時,隨著含濕氣體雷諾數(shù)增大,凝結(jié)換熱系數(shù)增加越來越快;當(dāng)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%,含濕氣體雷諾數(shù)大于900時,凝結(jié)換熱系數(shù)增加越來越慢.這是因為水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時,影響水蒸氣凝結(jié)速率的主要因素是水蒸氣量,含濕氣體流量越大,水蒸氣在壁面凝結(jié)越快;而當(dāng)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%,含濕氣體雷諾數(shù)大于900時,影響水蒸氣凝結(jié)速率的主要因素是凝結(jié)面積,凝結(jié)面積接近飽和導(dǎo)致凝結(jié)換熱系數(shù)增加越來越慢.

鍍層對凝結(jié)換熱性能的改善與鍍層的非晶結(jié)構(gòu)和表面自由能有關(guān),非晶相含量越大,表面自由能越低,凝結(jié)換熱效果越好[7].圖4為Cu、Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層表面的XRD衍射曲線.從圖中可以看出,Cu在2θ=43°,50°和74°附近出現(xiàn)明顯且尖銳的衍射峰,分別對應(yīng)于Cu(111),Cu(200)和Cu(220)晶面,最強衍射峰的半高寬為0.283°,因此Cu為典型的晶體結(jié)構(gòu);Ni-P和Ni-P-Cu鍍層沒有出現(xiàn)明顯且尖銳的衍射峰,只是在2θ=45°附近有一個近似對稱分布的漫散射的饅頭峰,饅頭峰的半高寬分別為4.411°和4.544°,因此這2種鍍層原子在空間的排列呈現(xiàn)無序狀態(tài),均為非晶結(jié)構(gòu).Cu為晶體結(jié)構(gòu),表面自由能較高,為可潤濕的換熱表面,凝結(jié)形態(tài)主要為膜狀凝結(jié);Ni-P和Ni-P-Cu鍍層均為非晶結(jié)構(gòu),表面自由能較低,為不可潤濕的換熱表面,凝結(jié)形態(tài)主要為珠狀凝結(jié),因此Ni-P和Ni-P-Cu鍍層管束換熱效果均優(yōu)于銅管管束.

(a) 水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%

(b) 水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%

(c) 水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%

(d) 水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%

圖4　不同鍍(涂)層的XRD衍射曲線

從圖4中還可以看出,PTFE涂層只在2θ=18°附近出現(xiàn)相對明顯的衍射峰,對應(yīng)PTFE(100)晶面,衍射峰的半寬高為0.285°,因此PTFE涂層也為晶體結(jié)構(gòu),主要原因是PTFE的無分支對稱主鏈結(jié)構(gòu)使得其具有高度的結(jié)晶性.但是PTFE中氟原子的電負性極大,加之四氟乙烯單體具有完美的對稱性而使PTFE表面自由能較低,較低的表面自由能可以增大液體在固體表面的接觸角,顯著地促進換熱表面珠狀凝結(jié),因此,PTFE涂層換熱效果也明顯優(yōu)于Cu.

圖5為含濕氣體水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%和雷諾數(shù)為735時銅管管束和Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層、PTFE涂層管束管外的凝結(jié)狀態(tài).圖5中凝結(jié)狀態(tài)是同一實驗工況下由數(shù)碼相機從實驗段的可視化窗口拍攝得到的.從圖中可以看出,銅管管外凝結(jié)狀態(tài)主要為膜狀凝結(jié),而Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層管管外凝結(jié)以珠狀凝結(jié)為主,與圖4得出的結(jié)論一致.含濕氣體水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%和雷諾數(shù)為735時,多次測量取平均值可以得到銅管管束和Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層、PTFE涂層管束的凝結(jié)水產(chǎn)率分別為23.97,24.33,25.77和25.05g/min.Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層管束的凝結(jié)水產(chǎn)率高于Ni-P鍍層管束,銅管束凝結(jié)水產(chǎn)率最低.與Ni-P鍍層相比,Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層液滴的脫落直徑更小,脫落頻率更快,因此表面自由能更低.實驗結(jié)果表明,Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層管束表面能明顯地促進珠狀凝結(jié),Ni-P-Cu鍍層管束具有最佳的凝結(jié)換熱效果.

對鍍(涂)層熱阻數(shù)量級進行了分析,結(jié)果表明,PTFE涂層由于導(dǎo)熱系數(shù)為0.25W/(m·K),涂層熱阻比紫銅管壁熱阻大一個數(shù)量級;Ni-P,Ni-P-Cu鍍層導(dǎo)熱系數(shù)分別為68和83.48W/(m·K),熱阻比紫銅管壁熱阻小一個數(shù)量級.因此,Ni-P-Cu鍍層中銅元素的加入,比Ni-P鍍層增強了鍍層的導(dǎo)熱性能,換熱熱阻降低,換熱效果增強,且Ni-P-Cu鍍層低的表面自由能更容易促進換熱表面珠狀凝結(jié).Ni-P-Cu鍍層熱阻比PTFE涂層的熱阻小了2個數(shù)量級,因此,Ni-P-Cu鍍層具有最佳的凝結(jié)換熱性能.

圖5　不同管束管外凝結(jié)狀態(tài)

在低溫?zé)煔庥酂峄厥盏膶嶋H應(yīng)用中,煙氣的腐蝕性較大時,應(yīng)優(yōu)先選擇PTFE涂層換熱管束;當(dāng)煙氣的腐蝕性較小時,則應(yīng)首選換熱效果最好的Ni-P-Cu鍍層換熱管束.

3.2.2鍍(涂)層管束對流凝結(jié)復(fù)合換熱特性

含濕氣體橫掠銅管管束和Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層、PTFE涂層管束對流凝結(jié)復(fù)合換熱系數(shù)ho與含濕氣體雷諾數(shù)的關(guān)系如圖6所示.含濕氣體中水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,對流凝結(jié)復(fù)合換熱系數(shù)也越大;Ni-P-Cu鍍層管束對流凝結(jié)復(fù)合換熱系數(shù)最大,其次是PTFE涂層管束和Ni-P鍍層管束,銅管管束的對流凝結(jié)復(fù)合換熱效果最差.

如圖6(d)所示,當(dāng)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%,含濕氣體雷諾數(shù)大于900時,對流凝結(jié)復(fù)合換熱系數(shù)增加越來越慢,與凝結(jié)換熱系數(shù)變化趨勢一致.主要原因是水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時,潛熱換熱量明顯高于顯熱換熱量,即含濕氣體凝結(jié)換熱系數(shù)遠大于對流換熱系數(shù),凝結(jié)換熱系數(shù)占主導(dǎo),使得對流凝結(jié)復(fù)合換熱系數(shù)和凝結(jié)換熱系數(shù)變化趨勢一致.

3.2.3鍍(涂)層管束對流凝結(jié)換熱實驗關(guān)聯(lián)式

對含有不凝氣體的冷凝式換熱器,目前都是根據(jù)Colburn-Hougen方法進行設(shè)計,計算過程非常繁瑣,且誤差較大.笪耀東等[15]根據(jù)Colburn-Hougen模型進行理論推導(dǎo),得到了衡量對流凝結(jié)復(fù)合換熱效果的一個無量綱準(zhǔn)則數(shù)Ln:

(a) 水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%

(b) 水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%

(c) 水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%

(d) 水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%

(13)

式中,Tsat,Pv為水蒸氣分壓力Pv對應(yīng)的飽和溫度;Tw為壁面溫度;Tg為混合氣體主流溫度.本文根據(jù)含濕氣體水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%,10%,13%和16%時橫掠單排水平銅管管束和Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層、PTFE涂層管束對流凝結(jié)復(fù)合換熱實驗結(jié)果,按照如下無量綱準(zhǔn)則方程式進行多元線性回歸:

(14)

根據(jù)管束強制對流實驗關(guān)聯(lián)式的形式,取m=1/3.單排水平銅管管束對流凝結(jié)復(fù)合換熱努賽爾數(shù)NuCu的實驗關(guān)聯(lián)式為

(15)

單排水平Ni-P鍍層管束對流凝結(jié)復(fù)合換熱努賽爾數(shù)NuNi-P的實驗關(guān)聯(lián)式為

(16)

單排水平Ni-P-Cu鍍層管束對流凝結(jié)復(fù)合換熱努賽爾數(shù)NuNi-P-Cu的實驗關(guān)聯(lián)式為

(17)

單排水平PTFE涂層管束對流凝結(jié)復(fù)合換熱努賽爾數(shù)NuPTFE的實驗關(guān)聯(lián)式為

(18)

實驗關(guān)聯(lián)式(15)～(18)的適用條件為Re=600～1 250,水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～16%.由圖7可以看出,采用實驗關(guān)聯(lián)式(15)～(18)的預(yù)測值Nupre與實驗值Nuexp的相對誤差小于±15%,因而實驗關(guān)聯(lián)式具有較高的準(zhǔn)確性.

圖7　對流凝結(jié)復(fù)合換熱系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式預(yù)測值與實驗值

4結(jié)論

1) 銅管表面腐蝕速度為84.2mg/(dm2·d),Ni-P鍍層管、Ni-P-Cu鍍層管和PTFE涂層管表面耐蝕性能明顯優(yōu)于銅管,腐蝕速度分別為13.8,11.5和5.2mg/(dm2·d),PTFE涂層管表面具有最佳的耐蝕性能.

2) 銅管管外凝結(jié)狀態(tài)主要為膜狀凝結(jié),而Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層管外主要以珠狀凝結(jié)為主;Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層和PTFE涂層管束凝結(jié)換熱系數(shù)比銅管管束分別提高5%～35%,14%～61%和10%～48%,Ni-P-Cu鍍層管束具有最佳的凝結(jié)換熱效果.

3) 含濕氣體中水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,銅管管束和Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層、PTFE涂層管束凝結(jié)換熱系數(shù)及對流凝結(jié)復(fù)合換熱系數(shù)也越大.

4) 在低溫?zé)煔庥酂峄厥盏膶嶋H應(yīng)用中,當(dāng)煙氣的腐蝕性較大時,優(yōu)先選擇PTFE涂層換熱管束;當(dāng)煙氣的腐蝕性較小時,則首選換熱效果最好的Ni-P-Cu鍍層換熱管束.

參考文獻 (References)

[1]李慧君,王樹眾,張斌,等.冷凝式燃氣鍋爐煙氣余熱回收可行性經(jīng)濟分析[J].工業(yè)鍋爐,2003(2):1-4,12.DOI:10.3969/j.issn.1004-8774.2003.02.001.

LiHuijun,WangShuzhong,ZhangBin,etal.Economicanalysisofthefeasibilityofreclaimingresidualheatoffluegasofacondensationboilerburninggas[J]. Industrial Boiler, 2003(2): 1-4, 12.DOI:10.3969/j.issn.1004-8774.2003.02.001. (inChinese)

[2]ChungBJ,KimS,ChanKM.Anexperimentalinvestigationoffilmcondensationofflowingmixturesofsteamandaironaverticalflatplate[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2004, 31(5): 703-710.DOI:10.1016/S0735-1933(04)00057-0.

[3]HuHW,TangGH.Theoreticalinvestigationofstabledropwisecondensationheattransferonahorizontaltube[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 62: 671-679.DOI:10.1016/j.applthermaleng.2013.10.022.

[4]BisettoA,BortolinS,delColD.Experimentalanalysisofsteamcondensationoverconventionalandsuperhydrophilicverticalsurfaces[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2015, 68: 216-227.DOI:10.1016/j.expthermflusci.2015.04.019.

[5]Abu-OrabiM.Modelingofheattransferindropwisecondensation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1998, 41(1): 81-87.DOI: 10.1016/s0017-9310(97)00094-x.

[6]吳玉庭,楊春信,袁修干,等.限制熱阻對珠狀凝結(jié)換熱的影響[J].化工學(xué)報,2001,52(10):869-901.

WuYuting,YangChunxin,YuanXiugan,etal.Effectofconstrictionresistanceondropwisecondensationheattransfer[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2001, 52(10): 869-901. (inChinese)

[7]程延海,朱真才,韓正銅,等.鍍層換熱表面凝結(jié)傳熱實驗研究[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(8):27-31.

ChengYanhai,ZhuZhencai,HanZhengtong,etal.Experimentalstudyoncondensationheattransferofdepositheatexchangesurface[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(8): 27-31. (inChinese)

[8]馬學(xué)虎,徐敦頎,林紀(jì)方.實現(xiàn)滴狀冷凝的超薄聚合物表面冷凝傳熱的研究[J].化工學(xué)報,1993,44(2):165-170.

MaXuehu,XuDunqi,LinJifang.Dropwisecondensationonsuperthinpolymersurface[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 1993, 44(2): 165-170. (inChinese)

[9]DehbiA.Ageneralizedcorrelationforsteamcondensationratesinthepresenceofairunderturbulentfreeconvection[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 86: 1-15.DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.02.034.

[10]XuXQ,MiaoJ,BaiZQ,etal.ThecorrosionbehaviorofelectrolessNi-PcoatinginCl-/H2Senvironment[J]. Applied Surface Science, 2012, 258(22): 8802-8806.DOI:10.1016/j.apsusc.2012.05.094.

[11]LiuGC,YangLJ,WangLD,etal.CorrosionbehaviorofelectrolessdepositedNi-Cu-Pcoatinginfluegascondensate[J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 204(21/22): 3382-3386.DOI:10.1016/j.surfcoat.2010.03.056.

[12]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社,2006:246-249.

[13]陳元彩,袁叔貴,蕭繼闖.鋁基化學(xué)鍍鎳磷合金層耐蝕性及其機理[J].電鍍與涂飾,1994,13(1):16-21.

ChenYuancai,YuanShugui,XiaoJichuang.CorrosionresistanceofNi-Palloyelectrolessdepositonaluminiumanditsmechanism[J]. Electroplating & Finishing, 1994, 13(1): 16-21. (inChinese)

[14]陽利軍,劉貴昌,王隨林,等.Ni-Cu-P合金鍍層在燃氣冷凝換熱器上的應(yīng)用[J].電化學(xué),2008,14(3):325-329.

YangLijun,LiuGuichang,WangSuilin,etal.ApplicationsofelectrolessdepositionNi-Cu-Pcoatingonthegascondensingexchanger[J]. Electrochemistry, 2008, 14(3): 325-329. (inChinese)

[15]笪耀東,車得福,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):12-15,34.

DaYaodong,CheDefu,ZhuangZhengning,etal.Anexperimentalstudyonforcedconvection-condensationheattransferofthefluegaswithhighmoisture[J]. Industrial Boiler, 2003 (1): 12-15,34. (inChinese)

Convectioncondensationheattransfercharacteristicsondifferentantisepticpipesurfaces

WangShuaiWuXinLiShiJiXiaoyangZhaoChangsui

(KeyLaboratoryofEnergyThermalConversionandControlofMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:To investigate the corrosion resistance and condensation characteristics on different antiseptic pipe surfaces during flue gas heat recovery, the corrosion tests on the surfaces of copper pipes, Ni-P, Ni-P-Cu and polytetrafluoroethylene(PTFE) coating pipes and the convection condensation heat transfer experiments on the four pipes during flue gas heat recovery were conducted. In the heat transfer experiments, water vapor mass fraction of wet flue gas was ranged from 6% to 16%. The mixture of air and water vapor was adopted to simulate the actual flue gas and the cooling water flowed in pipes. It is found that the corrosion resistance of Ni-P and Ni-P-Cu coating pipes is superior to that of copper pipes, and PTFE coating pipes have the optimal corrosion resistance. Besides, compared with copper pipes, the condensation heat transfer coefficients of Ni-P, Ni-P-Cu and PTFE coating pipes increase by 5% to 35%, 14% to 61%, and 10% to 48%, respectively. Ni-P-Cu coating pipe surfaces achieved optimal condensation heat transfer. In the practical application of flue gas heat recovery, while the corrosivity of flue gas is serious, PTFE coating pipes should be given preference. However, when it is slight, Ni-P-Cu coating pipes are the first choice. Based on multiple linear regression analysis of the experimental data, empirical correlations of convection condensation heat transfer of the four pipes during flue gas heat recovery are obtained. The relative errors between the values from the empirical correlations and the experimental measurements are within ±15%, which proves that the empirical correlations possess high accuracy.

Key words:condensation; convection; heat transfer; corrosion; heat recovery

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.011

收稿日期:2015-10-20.

作者簡介:王帥(1989—),男,碩士生;吳新(聯(lián)系人),男,副教授,wuxin@seu.edu.cn.

基金項目:“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2012BAA02B01-02).

中圖分類號:TK11

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)02-0289-08

引用本文: 王帥,吳新,李詩,等.防腐鍍(涂)層管束表面對流凝結(jié)換熱特性[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,46(2):289-296.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.011.