郭寧寧 曲明朋 姜曉義
(1.煙臺(tái)龍?jiān)磽Q熱設(shè)備有限公司,山東 煙臺(tái) 264000;2.荏原冷熱系統(tǒng)(中國)有限公司,山東 煙臺(tái) 264000)
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(jī)構(gòu)也從20世紀(jì)90年代開始研究氟塑料換熱器,并對(duì)換熱性能開展了卓有成效的工作[1-6]。針對(duì)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(jiǎn)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
為了保證產(chǎn)品的應(yīng)用可靠性,本研究通過試驗(yàn)的方法,測(cè)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(jì)依據(jù)。本試驗(yàn)分兩種工況,分別測(cè)試氟塑料換熱器的耐壓、耐溫、換熱效果以及對(duì)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(yàn)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(cè)系統(tǒng)等組成,流程圖如圖5、圖6所示。
圖2 試驗(yàn)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(cuò)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(yàn)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的熱損失,對(duì)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(jí)Pt100鉑電阻和壓力表測(cè)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
(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(jì)算求得Q之后,反推得到換熱系數(shù)K:
式中 Q——換熱器整個(gè)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(duì)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(jìn)、出口溫度,℃;
t1、t2——冷側(cè)的進(jìn)、出口溫度,℃。
(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(duì)換熱器的試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響,當(dāng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果確定相關(guān)因素的影響因子。
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(jì)控制入口流量,換熱管內(nèi)通循環(huán)水,通過電動(dòng)閥控制循環(huán)水流量,試驗(yàn)過程中,等到工況穩(wěn)定運(yùn)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。
模擬煙氣再熱的情況,圓桶內(nèi)通入循環(huán)水,通過電動(dòng)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(jì)控制蒸汽流量,試驗(yàn)過程中,等到工況穩(wěn)定運(yùn)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
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(yàn)運(yùn)行3個(gè)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(duì)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(jiǎn)單吹掃后,與未吹掃的部分產(chǎn)生明顯對(duì)比,換熱管不附著灰塵得到有力驗(yàn)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(dòng)以及噴淋水沖洗的情況下處于靜止?fàn)顟B(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(duì)其外部進(jìn)行一些輔助除塵,表面就恢復(fù)到原來的光滑程度。
圖8 水清洗效果
綜合以上試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(jī)械振動(dòng)或風(fēng)力除塵的效果。
(3)換熱器在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試后,可耐高溫、耐高壓,循環(huán)試驗(yàn)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(diǎn)突出,應(yīng)用前景廣闊。
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