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氟塑料換熱器的試驗研究

時間:2018-05-03 14:59:11; 來源:1.煙台龍源換熱設備有限公司,山東 煙台 264000;2.荏原冷熱系統(中國)有限公司,山東 煙台 264000 作者:郭甯甯1 曲明朋2 姜曉義2

摘 要:國内部分熱力企業存在供熱不足的現象,氟塑料換熱器憑借耐腐蝕、表面不積灰的特性可以提取低溫煙氣餘熱,配合熱泵将低溫餘熱轉換為高品位的熱源,用于冬季補充供熱或者提供生活熱水,是節能減排的一種新型技術方案。試驗主要測試以聚四氟乙烯PTFE、PFA為主要材質制成的氟塑料換熱器的換熱性能和換熱管不積灰的特性,試驗結果為相關工業設計及改進提供基礎性數據,有利于産品的市場推廣。

關鍵詞:氟塑料換熱器;熱泵;聚四氟乙烯;餘熱回收;換熱器

0  引言

氟塑料換熱器在國外已有數十年的工程應用曆史,國内相關機構也從20世紀90年代開始研究氟塑料換熱器,并對換熱性能開展了卓有成效的工作[1-6]。針對國内部分供熱企業供熱不足及煙氣中有廢熱資源可以利用的情況,将氟塑料換熱器安裝在脫硫塔後、煙囪前的煙道上,提取煙氣低溫廢熱資源,配合熱泵,将低品位廢熱轉換為高品位熱源,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的應用原理圖,工藝流程簡潔,節能減排效用明顯。

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1  試驗研究

為了保證産品的應用可靠性,本研究通過試驗的方法,測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用提供設計依據。本試驗分兩種工況,分别測試氟塑料換熱器的耐壓、耐溫、換熱效果以及對灰塵的粘附特性。

工況一:換熱管内通常溫循環水,換熱管外通蒸汽,模拟煙氣冷卻器。

工況二:換熱管内通蒸汽,換熱管外通常溫循環水,模拟煙氣加熱器。

試驗系統(圖2)由蒸汽鍋爐、氟塑料換熱器(圖3)、外部保溫圓桶(圖4)、循環水系統、檢測系統等組成,流程圖如圖5、圖6所示。

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圖3中的換熱器選用聚四氟乙烯材質的光管管束,呈錯列排布,與蒸汽呈90°交叉布置,逆流換熱。換熱器放置于一鋼制圓筒内,考慮到試驗系統可能産生的熱損失,對鋼制圓筒(見圖4)外部做保溫處理,圓筒是管外流體的承載區域,可流通循環水或者蒸汽。在圓筒的外壁豎直方向設置多組視鏡,可以觀察蒸汽在換熱管外部凝結的情況。在出入口位置設置多組A級Pt100鉑電阻和壓力表測試相關參數。

QQ截圖20180503151732.png

2  計算方法

(1)冷側介質和熱側介質熱交換平衡方程式[7]:

         Q=mh·cph·(T1-T2)=mc·cpc·(t1-t2)

(2)傳熱速率方程:

              Q=K·F·△tm

(3)計算求得Q之後,反推得到換熱系數K:

式中   Q——換熱器整個傳熱面上的熱流量,W;

        K——總傳熱系數,W/m2·℃;

   F——總傳熱面積,m2;

   △tm——換熱器的對數平均溫差,℃;

   mh、mc——熱、冷側介質的質量流量,kg/s;

   cph、cpc——熱、冷側介質的定壓比熱,kJ/(kg·℃);

   T1、T2——熱側的進、出口溫度,℃;

   t1、t2——冷側的進、出口溫度,℃。

3  試驗結果

3.1  試驗過程中的假設

(1)換熱管表面熱阻恒定;(2)忽略系統熱損失;

(3)蒸汽在換熱管間流速一緻。

以上假設對換熱器的試驗計算結果産生了一定的影響,當應用于現場時需要根據實際運行結果确定相關因素的影響因子。

3.2  模拟煙氣冷卻器試驗

模拟了煙氣餘熱提取的情況,圓桶内通入高溫蒸汽,通過蒸汽流量計控制入口流量,換熱管内通循環水,通過電動閥控制循環水流量,試驗過程中,等到工況穩定運行1 h後記錄相關參數,每組工況記錄5組數據,相關數據如表1所示。

3.3  模拟煙氣加熱器試驗

模拟煙氣再熱的情況,圓桶内通入循環水,通過電動閥控制循環流量,換熱管内通循環水高溫蒸汽作為加熱源,通過蒸汽流量計控制蒸汽流量,試驗過程中,等到工況穩定運行1 h後記錄相關參數,每組工況記錄5組數據,相關數據如表2所示。

3.4  不粘特性

由于放置換熱器的鋼制圓筒内部未做防腐,在模拟煙氣加熱器的試驗運行3個月後,氟塑料換熱管外表面積聚了一層水垢和灰塵。

QQ截圖20180503151517.png

圖7是将換熱器從殼體中吊出來後吹掃對比情況,左側為原始附着煙塵情況,右側是利用壓縮空氣吹掃換熱管後的換熱管表面狀況,換熱管在經過簡單吹掃後,與未吹掃的部分産生明顯對比,換熱管不附着灰塵得到有力驗證。 

QQ截圖20180503151531.png

圖8是換熱器經過噴淋水清潔後的換熱管表面,由圖可以看出,表面光潔,無任何其他雜質,無灰塵附着,本身的不粘特性十分突出。

QQ截圖20180503151655.png

換熱管在沒有受到外部振動以及噴淋水沖洗的情況下處于靜止狀态,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,隻要對其外部進行一些輔助除塵,表面就恢複到原來的光滑程度。

4  結論

綜合以上試驗結果,得出以下結論:

(1)換熱系數随着蒸汽溫度的升高而升高。冷卻蒸汽時的氟塑料換熱器總換熱系數在310 W/(m2·K)左右,加熱蒸汽時的氟塑料換熱器總換熱系數在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比煙氣加熱器的換熱系數高。

(2)換熱管具有不粘特性,灰塵附着到管路上極易被清除掉,并且噴淋水清洗的效果要優于機械振動或風力除塵的效果。

(3)換熱器在經過長時間的實際運行測試後,可耐高溫、耐高壓,循環試驗後性能未出現明顯變化。

(4)氟塑料換熱器自身的特性配合熱泵供熱的技術方案是節能減排的一種新型技術應用,特點突出,應用前景廣闊。

[參考文獻]

[1] 賈力,陳鐵兵,孫金棟.PTFE塑料空氣預熱器的傳熱      

分析[J].北京建築工程學院學報,1999(1):l-7.

[2] 黃曉宇,雷承勇,王恩祿,等.煙氣橫向沖刷錯列管束對流冷凝換熱試驗研究[J].鍋爐技術,2012(6):5-8.

[3] 陳鐵兵.耐腐蝕PTFE塑料空氣預熱器煙氣冷凝換熱的研究[D].北京:北京建築工程學院,2000.

[4] 笪耀東,車德福,莊正甯,等.高水分煙氣對流冷凝換熱模拟實驗研究[J].工業鍋爐,2003(1):12-15.

[5] 賈力,彭曉峰,孫金棟,等.煙道氣的冷凝傳熱與脫硫的實驗研究[J].應用基礎與工程科學學報,2000(4):387-393.

[6] 曹彥斌,艾效逸,郭全,等.伴随有水蒸氣凝結的煙氣對流換熱的實驗研究[J].工程熱物理學報,2000(6):729-733.

[7] 楊世銘,陶文铨.傳熱學[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

收稿日期:2018-03-22

作者簡介:郭甯甯(1982—),男,山東煙台人,工程師,碩士,主要從事熱泵、分布式能源、氟塑料煙氣換熱器、省煤器等産品的設計研究工作。



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