氟塑料换热器的试验研究

郭宁宁 曲明朋 姜晓义

（1.烟台龙源换热设备有限公司，山东 烟台 264000；2.荏原冷热系统（中国）有限公司，山东 烟台 264000）

0 引言

氟塑料换热器在国外已有数十年的工程应用历史，国内相关机构也从20世纪90年代开始研究氟塑料换热器，并对换热性能开展了卓有成效的工作[1-6]。针对国内部分供热企业供热不足及烟气中有废热资源可以利用的情况，将氟塑料换热器安装在脱硫塔后、烟囱前的烟道上，提取烟气低温废热资源，配合热泵，将低品位废热转换为高品位热源，可用于冬季供暖或加热生活热水用，图1为氟塑料换热器配合热泵在供热企业的应用原理图，工艺流程简洁，节能减排效用明显。

图1 氟塑料换热器配合热泵供热原理图

1 试验研究

为了保证产品的应用可靠性，本研究通过试验的方法，测试了氟塑料换热器的传热性能和抗腐蚀性能，为氟塑料换热器的推广应用提供设计依据。本试验分两种工况，分别测试氟塑料换热器的耐压、耐温、换热效果以及对灰尘的粘附特性。

工况一：换热管内通常温循环水，换热管外通蒸汽，模拟烟气冷却器。

工况二：换热管内通蒸汽，换热管外通常温循环水，模拟烟气加热器。

试验系统（图2）由蒸汽锅炉、氟塑料换热器（图3）、外部保温圆桶（图4）、循环水系统、检测系统等组成，流程图如图5、图6所示。

图2 试验系统

图3 氟塑料换热器

图4 外部保温圆桶

图3中的换热器选用聚四氟乙烯材质的光管管束，呈错列排布，与蒸汽呈90°交叉布置，逆流换热。换热器放置于一钢制圆筒内，考虑到试验系统可能产生的热损失，对钢制圆筒（见图4）外部做保温处理，圆筒是管外流体的承载区域，可流通循环水或者蒸汽。在圆筒的外壁竖直方向设置多组视镜，可以观察蒸汽在换热管外部凝结的情况。在出入口位置设置多组A级Pt100铂电阻和压力表测试相关参数。

图5 烟气冷却器流程图

图6 烟气加热器流程图

2 计算方法

（1）冷侧介质和热侧介质热交换平衡方程式[7]：

（2）传热速率方程：

（3）计算求得Q之后，反推得到换热系数K：

式中 Q——换热器整个传热面上的热流量，W；

K——总传热系数，W/m2·℃；

F——总传热面积，m2；

△tm——换热器的对数平均温差，℃；

mh、mc——热、冷侧介质的质量流量，kg/s；

cph、cpc——热、冷侧介质的定压比热，kJ/（kg·℃）；

T1、T2——热侧的进、出口温度，℃；

t1、t2——冷侧的进、出口温度，℃。

3 试验结果

3.1 试验过程中的假设

（1）换热管表面热阻恒定；（2）忽略系统热损失；（3）蒸汽在换热管间流速一致。

以上假设对换热器的试验计算结果产生了一定的影响，当应用于现场时需要根据实际运行结果确定相关因素的影响因子。

3.2 模拟烟气冷却器试验

模拟了烟气余热提取的情况，圆桶内通入高温蒸汽，通过蒸汽流量计控制入口流量，换热管内通循环水，通过电动阀控制循环水流量，试验过程中，等到工况稳定运行1 h后记录相关参数，每组工况记录5组数据，相关数据如表1所示。

3.3 模拟烟气加热器试验

模拟烟气再热的情况，圆桶内通入循环水，通过电动阀控制循环流量，换热管内通循环水高温蒸汽作为加热源，通过蒸汽流量计控制蒸汽流量，试验过程中，等到工况稳定运行1 h后记录相关参数，每组工况记录5组数据，相关数据如表2所示。

图7 压缩空气吹灰效果

3.4 不粘特性

由于放置换热器的钢制圆筒内部未做防腐，在模拟烟气加热器的试验运行3个月后，氟塑料换热管外表面积聚了一层水垢和灰尘。

图7是将换热器从壳体中吊出来后吹扫对比情况，左侧为原始附着烟尘情况，右侧是利用压缩空气吹扫换热管后的换热管表面状况，换热管在经过简单吹扫后，与未吹扫的部分产生明显对比，换热管不附着灰尘得到有力验证。

表1 水内汽外

表2 汽内水外

图8是换热器经过喷淋水清洁后的换热管表面，由图可以看出，表面光洁，无任何其他杂质，无灰尘附着，本身的不粘特性十分突出。

换热管在没有受到外部振动以及喷淋水冲洗的情况下处于静止状态，所以表面水垢不易脱落，但是由于换热管本身具有不粘的特性，只要对其外部进行一些辅助除尘，表面就恢复到原来的光滑程度。

图8 水清洗效果

4 结论

综合以上试验结果，得出以下结论：

（1）换热系数随着蒸汽温度的升高而升高。冷却蒸汽时的氟塑料换热器总换热系数在310 W/（m2·K）左右，加热蒸汽时的氟塑料换热器总换热系数在260 W/（m2·K）左右，由此推断，在同等条件下，烟气冷却器的换热系数比烟气加热器的换热系数高。

（2）换热管具有不粘特性，灰尘附着到管路上极易被清除掉，并且喷淋水清洗的效果要优于机械振动或风力除尘的效果。

（3）换热器在经过长时间的实际运行测试后，可耐高温、耐高压，循环试验后性能未出现明显变化。

（4）氟塑料换热器自身的特性配合热泵供热的技术方案是节能减排的一种新型技术应用，特点突出，应用前景广阔。

[参考文献]

[1] 贾力，陈铁兵，孙金栋.PTFE塑料空气预热器的传热分析[J].北京建筑工程学院学报，1999（1）：l-7.

[2] 黄晓宇，雷承勇，王恩禄，等.烟气横向冲刷错列管束对流冷凝换热试验研究[J].锅炉技术，2012（6）：5-8.

[3] 陈铁兵.耐腐蚀PTFE塑料空气预热器烟气冷凝换热的研究[D].北京：北京建筑工程学院，2000.

[4] 笪耀东，车德福，庄正宁，等.高水分烟气对流冷凝换热模拟实验研究[J].工业锅炉，2003（1）：12-15.

[5] 贾力，彭晓峰，孙金栋，等.烟道气的冷凝传热与脱硫的实验研究[J].应用基础与工程科学学报，2000（4）：387-393.

[6] 曹彦斌，艾效逸，郭全，等.伴随有水蒸气凝结的烟气对流换热的实验研究[J].工程热物理学报，2000（6）：729-733.

[7] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.