热管分体式气-气加热器换热特性试验研究

刘国峰，李永田

(1.廊坊新奥节能服务有限公司，河北 廊坊 065000；2.济南岳华节能设备有限公司，山东 济南 250307)

热管分体式气-气加热器换热特性试验研究

刘国峰1，李永田2

(1.廊坊新奥节能服务有限公司，河北 廊坊 065000；2.济南岳华节能设备有限公司，山东 济南 250307)

热管分体式气-气加热器(Heat Pipe Gas-Gas Heater，简称HGGH)是一类被广泛应用的气体热交换设备。为了研究流体掠过管束的传热特征，利用相似原理进行模化试验，通过多次测量试验模型的换热系数,并对换热系数拟合，推导出流体掠过管束的换热准则关联式，为HGGH的市场推广提供了可靠的技术支撑。

相似理论；换热系数；准则关联式；气-气加热器

0 引言

据统计，湿法烟气脱硫技术占80%左右[1-2]，经湿法FGD处理后，造成石膏雨明显[3]，一般需配套GGH来实现烟气合理扩散[4]。HGGH是利用相变优化技术，实现能量的空间“搬运”，相对于有机载体分体式换热器有相对节能优势。为了研究FGD的换热特性，推导流体掠管换热准则关联式，采取调整原烟气进口温度，多次测量试验模型的对流换热系数，并进行数理统计整理。

1 试验假设及方法

1.1 试验假设及规定

φ=(1-ηC)CPh×Vh×(th2-th1)=

式中：ηC为散热系数，无量纲。

1.2 测试的工艺流程

利用相似原理的特性来指导模化试验，模化试验是指不同于实物几何尺度的模型来研究实际装置中所进行的物理过程的试验[5]。目前，原烟气温度一般在 120℃以上, 经过FGD后，日本、欧洲一些国家执行净烟气排放在80℃ 以上[6]。试验工艺流程由燃烧烟气发生器、烟气调节室、FGD吸收塔、HGGH、烟道系统、试验测量设备等构成[7]。试验工艺流程见图1。

图1 试验流程

2 数据处理

2.1 烟气流量测定

模化试验过程，流量记录周期为30min。在连续5日的运行过程中，从试验数据记录结果看(见表1)，烟气流动状态平稳。

表1 烟气流量

项 目脱硫前脱硫后备注流量/m3·h-12025．642055．10测定均值流量/m3·h-11932．311932．31雾化前值

2.2 烟气流速

利用风速仪直接读取烟气流速，并多次测量，将数据进行回归处理，以多组数据的评价值代替真实流速。测量值波动在测量系统误差范围内，分别为7.65s、8.36m/s。

2.3 烟气各组分测定

利用定电位电解法测量烟气中的SO2浓度[8]。利用氧化锆分析仪测量烟气含氧量，进而计算O2含量[9]。水蒸汽测定：未脱硫烟气因温度较高，烟道中的雾化水被气化，无冷凝水析出，为未饱和烟气，可利用干湿球法测得含水量。经过脱硫塔洗涤脱硫的烟气为过饱和烟气，采取冷凝法测得。

利用烟气分析仪可直接测得烟气中的CO2百分含量，烟气中的N2百分含量可以通过烟气总量减掉其他组分的百分含量求得。

将测得体积百分含量进行汇总，见表2。

表2 体积含量百分数 %

2.4 温度数据测定

2.4.1 烟气温度测定

在蒸发管束进出口的平稳气流段各设置三个测点；在冷凝管束进出口的平稳气流段各设置三个测点，合计12个测温点，每30Min记录一次。 用T1-T12表示，见表3。

表3 测温点布置

蒸发管束冷凝管束进口T1T2T3T7T8T9出口T4T5T6T10T11T12

2.4.2 热交换单元壁温测定

对HGGH蒸发管束热交换单元温度测点进行编号：B1、B2……B8；对冷凝管束，对HGGH的冷凝管束热交换单元温度测点进行编号：A1、A2……A8，另外，A5-B5、A8-B8为空管的对照组。其中，记录各测点的温度值(已进行均值处理)，见表4。

表4 温度记录 ℃

除B1-A1、B6-A6及对照组外，其余各热交换单元有不同程度缺陷，并确定A2-B2热交换单元为异常组。

3 准则关联式的推导

3.1 换热器结构参数

为描述试验模型的换热特征数据，对HGGH热交换器的结构尺寸汇总如下，结果见表5。

3.2 对流换热系数计算

(1)混合烟气比热计算

烟气脱硫前后的定性温度分别63.875℃与115.275℃，查取该温度下烟气各组分的近似比热[10]，结果见表6。

表5 HGGH热交换器的特征尺寸

项 目冷凝管束蒸发管束换热管直径/m0．0250．025横向间距/m0．0660．066纵向间距/m0．0570．057有效换热面积/m27．6307．630

表6 组分比热容 kJ·kg-1·k-1

结合表2、表6数据，求取原烟气的体积比容ChP为：

ChP=CPSO2×VhSO2=CPO2×VhO2+CPCO2

×VhCO2+CPH2O×VhH2O+CPN2×VhN2

=1.16kJ/(m3·k)

结合表2、表6数据，求取净烟气的体积比容CCP为：

ChP=CPSO2×VCSO2=CPO2×VCO2+CPCO2

×VhCO2+CPH2O×VhH2O+CPN2×VCN2

=1.203kJ/(m3·℃)

(2)对流换热系数计算

根据换热平衡方程式(1)、(2)，并带入相应数值得：

3.3 导出准则关联式

两侧取对数，解方程组，求得m、C。

m=0.83126；C=0.03338

求得准则关联式为：Nu=0.03338×Re0.83126；经过多次测量，经数据处理，求得近似换热准则关联式：Nu=0.03×Re0.82。

4 结语

(1)HGGH一定程度上克服了蓄热式GGH的不足，适用于湿法烟气脱硫系统中原烟气对净烟气的加热，对比同类设备具有一定竞争优势。

(2)HGGH的湿法脱硫烟气加热系统中，掠管近似换热准则关联式：Nu=0.03×Re0.82。

(3)以原烟气和净烟气的进出温度差替代传热温差，忽略了边界层温度，存在计算误差。 不足之处，研究介质单一，换热准则关联式无法适用于其他气体。热管的制造应采取自动化充装，提高分体式热管换热设备的一次充装成功率。

[1]魏书洲, 张国新, 郝 剑,等. 脱硫吸收塔流场优化及研究[J].华北电力技术,2016(2):65-70.

[2]陆建伟,李 辉,陈 彪.1000MW机组无旁路烟气脱硫运行研究[J].电力科技与环保,2012,28(6):28-30.

[3]李付晓, 潘卫国 ,丁红蕾,等.石膏雨危害及其控制技术[J].电站系统工程,2015(3):55-56.

[4]姜正雄,魏 宇.燃煤电厂石灰石 - 石膏湿法烟气脱硫技术概述[J].装备机械,2012(2)::60-65.

[5]杨世铭,陶文铨.传热学(第四版)[M].北京:高等教育出版社,20109.

[6]张 华,何 强,陈振宇,等.湿法烟气脱硫中GGH对污染物扩散影响初探[J].电力环境保护,2005, 21(2):1-3.

[7]李永田,热管分体式气-气加热器换热试验研究[J].环境与可持续发展,2017, 41(1):98-101.

[8]汪 楠,王同健,许 亮,等.定电位电解法测定烟道气SO2过程中的干扰和对策[J] .城市环境与城市生态保,2009(4):45-47,51.

[9]李 健,张彬文. 烟气含氧量测量方法研究[J] .自动化仪器仪表,2016,23(2):11-12.

[10]胡 芃,陈则韶.量热技术和热物性测定[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社,2009.

Study of split-type heat pipe of Gas-Gas Heater heat transfer experiment

Split-typeHeatPipeGas-GasHeaterisakindofwidelyusedgasheatexchangeequipment.Inordertostudytheheattransfercharacteristicsoffluidpassingtubebundle,usingthesimilarprincipleformodelingexperiment,throughrepeatedlytestingtheheattransfercoefficientofthemodel,andmatchingtheheatexchangecoefficient,deducedtheheattransfercorrelationequationsofthefluidpassingthetubebundle,forprovidingareliabletechnicalsupportoftheHGGHmarketpromotion.

similartheory;heattransfercoefficient;correlationequations;HGGH

TK39

B

1674-8069(2017)06-028-03

2017-07-20；

2017-08-06

刘国峰(1975-)，吉林农安人，从事工业节能及冷热电三联供项目管理。E-mail:kkklyt@163.com