不同防腐层烟气冷凝换热器性能实验研究

摘 要

摘要：对不同新型防腐层烟气冷凝换热器的换热性能进行实验研究，得到换热器表面防腐层对烟气冷凝换热器换热性能的影响规律，给出了3种不同防腐层换热器换热实验关联式。非晶态镍
摘要：对不同新型防腐层烟气冷凝换热器的换热性能进行实验研究，得到换热器表面防腐层对烟气冷凝换热器换热性能的影响规律，给出了3种不同防腐层换热器换热实验关联式。非晶态镍磷复合化学镀层再上涂有机涂层的冷凝换热器的换热性能较好。
关键词：烟气换热器；冷凝换热器；换热性能；防腐层
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
    在天然气燃烧设备尾部加装烟气冷凝换热器是提高天然气热能利用率的一个重要途径，但增加冷凝式换热器会使整个设备的体积增加。因此，寻求冷凝换热器强化传热的有效方法，是进行冷凝换热器优化设计、开发高效紧凑冷凝换热设备的途径。烟气冷凝换热器中烟气与冷表面的换热，既有烟气与换热面间对流换热时的显热交换，又有水蒸气透过气膜扩散传质并在气液界面上凝结放热时的潜热交换，是一个伴随有凝结的强迫对流传热传质过程。
    由于烟气中的部分有害气体会溶解到冷凝水中，形成酸性溶液(pH值约为3～5)，对换热器产生严重腐蚀。普通换热器的换热材料不适宜作冷凝换热材料，必须采用耐腐蚀的材料或耐腐蚀镀层[1～3]。
    本文对不同新型防腐镀层烟气冷凝换热器的换热性能进行实验研究，得到换热器表面镀层对烟气冷凝换热器的换热性能的影响规律，为烟气冷凝换热器的研究开发提供参考。
2 实验系统及原理
2.1 实验系统
    本实验所研究的冷凝换热器为肋片管式冷凝换热器，总尺寸为198mm×97mm×51mm，镀层分别为非晶态镍磷复合化学镀层、有机涂层、非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层。
   本实验台是在普通燃气热水器上加装冷凝换热器而成。实验系统由3部分组成：气(包括天然气、空气、烟气)系统、水系统和控制系统。实验系统见图1。
 

    气系统：使用可调节风量的鼓风机11鼓入空气，空气和燃气在预混段1内混合后进入燃烧器2燃烧，燃烧产生的烟气上升后先与冷却换热器4管内冷却水进行显热交换，然后继续上升与冷凝换热器7管内冷却水进行显热及潜热交换，最后烟气由烟道排出。烟气中的水蒸气冷凝后落入冷凝水收集盘6内，再由底部水管流入烧杯18中。
    水系统：本实验将冷却段和冷凝段的水路分开，让冷却水分两路分别进入冷却换热器4和冷凝换热器7。进入冷却换热器的水与烟气换热后流经电磁流量计19后流入水桶20中，用作生活热水。对于进入冷凝换热器的冷却水，通过调节三通阀14的回水量，即调节冷热水比例来调节冷却水进水温度，冷却水与烟气换热，部分通过三通阀14进行循环，部分流出，作为生活热水。在冷凝段的水路上，加设水箱定压，以消除水压不稳对进入冷凝换热器的冷却水流量的影响。
   控制系统：包括控制器、燃气阀、水阀及安全报警系统，具有自动点火和安全报警作用。燃气阀根据控制信号启停燃气供给；水阀与冷却段供水管道相连，当供水管道上阀门打开有水流经过控制器21时自动将其内水阀打开，燃烧器就会随之自动点火。
    为了减少系统的散热损失，在整个换热系统的外部包裹了一层玻璃棉，进行保温处理。
2.2 实验原理
    使用气体色谱分析仪对本实验所用天然气的组成进行分析，计算所需空气量以及产生的烟气量。
    冷凝换热器换热量包括烟气的显热和潜热放热量，烟气的显热热流量为：
    Фf,s=cp,fρfqV,f(tf,0-tf,1)    (1)
式中Фf,s——烟气的显热热流量，kW
    cp,f——烟气的比定压热容，kJ/(kg·K)
    ρf——烟气的密度，kg/m3
    qV,f——烟气的体积流量，m3/s
    tf,0——冷凝换热器进口烟气温度，℃
    tf,1——冷凝换热器出口烟气温度，℃
    烟气的潜热热流量为：
    Фf,h=rqm,c    (2)
式中Фf,h——烟气的潜热热流量，kW
    r——水蒸气的气化潜热，kJ/kg
    qm,c——冷凝水的质量流量，kg/s
    烟气在冷凝换热器内放出的总热流量为：
    Фf=Фf,s+Фf,h    (3)
式中Фf——烟气在冷凝换热器内放出的总热流量，kW
    冷凝换热器内冷却水吸收的热流量为：
    Фl=cp,lqm,l(tl,1-tl,0)    (4)
式中Ф-——冷凝换热器内冷却水吸收的热流量，kW
    cp,l——水的比定压热容，kJ/(kg·K)
    qm,l——冷却水的质量流量，kg/s
    tl,0——冷凝换热器进水温度，℃
    tl,1——冷凝换热器出水温度，℃
    为保证结果的正确性，实验中舍去冷凝换热器内冷却水吸收的热流量与烟气中。在冷凝换热器内放出的总热流量垂，二者相对误差大于10%的实验点，取二者的平均值作为冷凝换热器的总热流量Фtot。
烟气侧对流凝结表面传热系数为：
 
式中hz——烟气侧对流凝结表面传热系数，W/(m2·K)
    Фtot——冷凝换热器的总热流量，kW
    η——冷凝换热器肋壁换热效率
    A——冷凝换热器烟气侧总换热面积，m2
    △tf,w——烟气与冷凝换热器壁面的对数平均温差，℃
   烟气对流凝结换热努塞尔数Nu为：
   
式中Nu——努塞尔数，反映对流换热过程的强度
    de——冷凝换热器当量直径，m
    λf——烟气的热导率，W/(m·K)
烟气的雷诺数Re为：
 
式中Re——雷诺数，为流体惯性力与黏性力的比值，表示流态对对流换热的影响
    uf——烟气在冷凝换热器内的流动速度，m/s
    υf——烟气的运动黏度，m2/s
烟气的改进的雅各布数J为：
 
式中J——改进的雅各布数，反映了对流凝结换热过程中潜热换热量与显热换热量的相对大小
    ρv,0——烟气中水蒸气在冷凝换热器入口处的质量浓度，kg/m3
    ρv,w——冷凝换热器烟气侧壁面平均温度对应的饱和空气中水蒸气质量浓度，kg/m3
    tw——冷凝换热器烟气侧壁面平均温度，℃
3 实验结果与分析
3.1 烟气Re和J对烟气对流凝结换热的影响
    非晶态镍磷复合化学镀层冷凝换热器烟气的Re和J，对总换热Nu的影响见图2，有机涂层冷凝换热器烟气的Re和J对总换热Nu的影响见图3，非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层冷凝换热器烟气的Re和J对总换热№的影响见图4。

    由以上实验结果可以看到：对于同一种防腐层换热器，其烟气侧Nu均随J和Re增大而增大；对于不同防腐层换热器，Re相同时，Nu随J增大的速率不同，非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层的冷凝换热器Nu增加速率最大。
3.2 不同镀层对冷凝换热器换热性能的影响
对于分别镀有非晶态镍磷复合化学镀层、有机涂层、非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层的冷凝换热器，在烟气向上流动条件下，Re=196时不同防腐层冷凝换热器换热性能比较见图5，Re=188时不同防腐层冷凝换热器换热性能比较见图6，Re=170时不同防腐层冷凝换热器换热性能比较见图7，Re=165时不同防腐层冷凝换热器换热性能比较见图8。
 

    由以上实验结果可以看出：
    ① 3种不同防腐层的冷凝换热器中，非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层冷凝换热器换热能力最强，有机涂层冷凝换热器换热能力与非晶态镍磷复合化学镀层冷凝换热器换热能力相当。
    ② 非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层冷凝换热器比其他两种防腐层换热器盹高18%～25%。原因一方面是由于非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层冷凝换热器表面的有机涂层属于高分子聚合物，这种物质具有相当低的表面能，可以使表面张力较大的水在其上实现珠状凝结[4]，烟气在冷凝时在其表面形成珠状凝结，可使其换热能力增强；另一方面，非晶态镍磷复合化学镀层光滑、致密、平整，可减少有机涂层与材料间孔隙率，减小热阻，增强传热。
    ③ 有机涂层冷凝换热器换热能力在船大时，高于非晶态镍磷复合化学镀层冷凝换热器，是由于有机涂层可使烟气在其表面趋于珠状凝结，改善换热；在Re小时，换热能力低于非晶态镍磷复合化学镀层冷凝换热器，是由于形成的液珠在换热器肋片间搭液桥，使得有机涂层换热器换热能力较低；在Re由大到小的过程中，两者的换热能力相差不大，J越大，有机涂层冷凝换热器换热能力越强，回收的潜热量越多。
3.3 烟气侧对流凝结换热特征数关联式
    冷凝换热器换热的实验数据可整理成如下形式[5、6]：
Nu=CRenJm    (11)
实验数据关联式中各参数值见表1。
表1 不同镀层冷凝换热器实验关联式中的参数值
换热器种类
C
n
m
Re
J
非晶态镍磷复合
化学镀层
0.6384
0.5
0.69
160～200
1.0～2.4
有机涂层
0.6233
0.5
0.61
160～200
1.4～2.9
非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层
0.7722
0.5
0.67
160～200
0.8～2.4
4 结论
    本实验通过对不同防腐层冷凝换热器换热性能的测定得出，冷凝换热器换热性能不仅随Re和J的增大而增强，而且对于不同防腐层的冷凝换热器，其换热性能随Re和J的变化速率也不同；在相同工况下，3种不同防腐层的冷凝换热器的换热性能不同，非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层冷凝换热器换热能力最强，有机涂层冷凝换热器换热能力与非晶态镍磷复合化学镀层冷凝换热器换热能力相当。
参考文献：
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(本文作者：吴媛媛 王随林 潘树源 史永征 北京建筑工程学院 北京 100044)