氟塑料换热器及其数值模拟的研究进展

2019-10-14靳超然甘露刘舒巍王济平

山东工业技术 2019年4期

关键词：改性数值模拟

靳超然甘露刘舒巍王济平

摘要：氟塑料换热器以其耐腐蚀的特性，在低温余热回收领域有广泛的应用前景。本文简述了氟塑料换热器改性及氟塑料换热器数值模拟的研究进展。通过对氟塑料进行改性其传热系数可大幅增高，利用数值模拟技术，可对今后氟塑料换热器的设计提供一定的参考依据。

关键词：氟塑料换热器;改性;数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.052

0 引言

电厂锅炉排烟损失是锅炉热损失中最重要的一项，对这部分烟气的余热进行回收利用，锅炉效率将大大提高。烟气余热多采用低温省煤器等装置进行回收利用。目前电厂多采用金属材质的换热器作为低温省煤器，但是金属换热器存在低温腐蚀等问题，对机组的安全稳定运行造成一定影响。氟塑料换热器凭借其耐腐蚀、耐低温、耐老化、不粘黏的特性，解决了金属换热器无法解决的问题，被广泛关注。

1 氟塑料改性的研究进展

氟塑料是各类含氟聚合物的总称，应用较多的是聚四氟乙烯（PTFE）。氟塑料换热器从1966由美国杜邦公司首次研制，已经过了50多年的发展，被欧美国家广泛使用。我国氟塑料换热器的研究开始于20世纪70年代，众多研究者对氟塑料换热器的机械性能及传热效果进行了深入的研究，使其在我国也有极大发展。氟塑料换热器虽然具有耐腐蚀等诸多特性，但是其价格相对较高，目前越来越多的研究者开始了氟塑料改性的研究，以期得到价格更低廉，传热性能和机械性能更优秀的材料。

范寒寒[1]将石墨作为填充材料，对聚全氟乙丙烯进行改性，研究发现在石墨含量小于10%的情况下，材料的拉伸强度随石墨含量的增加而增加，通过换热器实验，其总传热系数达到了621.1W/（m2·K），单位体积总传热系数达到了1.40×10～5W/（m3·K），该材料在价格、机械性能和传热性能等方面具有一定的优势。张燕[2]利用干湿法纺丝对聚偏氟乙烯（PVDF）改性，使换热管形成孔隙，通过在孔隙中形成微小的对流，来提高传热系数，通过水-水传热实验，其总传热系数高达1286 W/（m2·K）。

2 换热器数值模拟的研究进展

随着CFD技术的发展，数值模拟技术已经成为换热器研究的重要手段之一。付磊等[3]利用商业数值模拟软件建立了管壳式换热器的模型，并对换热器壳程流动及传热过程进行了模拟，得到了不同工况下管壳式换热器壳程流体的流场及温度场，分析了管壳式换热器换热效果的影响，对换热器的设计优化提供了一定的方向。王庆锋等[4]采用Fluent对管壳式换热器进行了数值模拟，分析了換热管形式、折流板结构对流动及传热的影响，研究表明波节管和波纹管与光管相比，换热效果提高，但是压降也随之增大，换热器壳程对流传热系数及压降随折流板间距的增大而减小，随着折流板切率的增大分别呈现先增大后减小和减小的趋势。

3 氟塑料换热器数值模拟的研究进展

数值模拟技术具有易于重复，费用低廉的优点，在氟塑料换热器的研究中也得到了一定的应用。

满孝增[5]通过建立氟塑料换热器的几何模型，对氟塑料换热管束的流动及传热进行了数值模拟，通过与计算值和实验值进行对比，其换热量误差分别为4.7%、5.1%，其壳程压降误差分别为7.9%、5.8%，可以为以后的研究提供一定的参考。

赵国春[6]对聚偏氟乙烯管壳式换热器建立了三维模型，利用数值软件Fluent对聚偏氟乙烯换热器壳程流场进行了模拟，分析了不同管束布置方式、管间距、折流板间距及壳程入口温度对换热器换热性能的影响，得到了换热效果与经济性兼具的换热器设计方案。

段俊阳[7]对氟塑料光管低温省煤器进行了数值模拟，首先建立了单管的几何模型，分析了不同入口烟气流速、烟气温度对烟气侧传热及阻力的影响，不同入口水速、水温对水侧传热及阻力的影响，还分析了不同管束排列方式、管束横向节距与纵向节距对传热及阻力的影响，为低温省煤器的设计提供了参考。

4 结论

氟塑料换热器具有耐腐蚀、耐低温的特性，在低温余热利用领域具有广阔的前景。通过对氟塑料换热器进行改性可以显著提高其传热系数，同时降低造价。利用数值模拟软件可以更方便快捷的对氟塑料换热器的传热及流动特性进行研究，为今后换热器的设计优化提供参考。

参考文献：

[1]范寒寒.石墨改性聚全氟乙丙烯导热中空纤维及其换热器的研制[D].天津大学，2012.

[2]张燕.基于PVDF微孔膜的界面聚合改性制备换热管研究[D].天津工业大学，2017.

[3]付磊，唐克伦，文华斌等.管壳式换热器流体流动与耦合传热的数值模拟[J].化工进展，2012，31（11）：2384-2389.

[4]王庆锋，庞鑫，赵双.管壳式换热器传热效率影响因素及数值模拟分析[J].石油机械，2015（10）：102-107.