基于模塊化的氟塑料換熱器優(yōu)化布置研究

徐 鋼， 陳 袁， 牛晨巍， 馬 英， 劉文毅， 任英杰， 王 怡

(1． 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206；2． 大金氟化工(中國(guó))有限公司， 江蘇常熟 215522)

基于模塊化的氟塑料換熱器優(yōu)化布置研究

徐 鋼1， 陳 袁1， 牛晨巍1， 馬 英1， 劉文毅1， 任英杰2， 王 怡2

(1． 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206；2． 大金氟化工(中國(guó))有限公司， 江蘇常熟 215522)

對(duì)1 000 MW火力發(fā)電機(jī)組中間熱媒體煙氣換熱器(media gas-gas heater, MGGH )系統(tǒng)中脫硫塔前的氟塑料換熱器展開(kāi)設(shè)計(jì)計(jì)算，從交叉次數(shù)的角度對(duì)氟塑料換熱器模塊化以及優(yōu)化布置展開(kāi)研究.結(jié)果表明：水側(cè)阻力與交叉次數(shù)的平方成正比；隨著介質(zhì)交叉次數(shù)的增加煙氣側(cè)壓降降低管外總換熱面積、聯(lián)箱總開(kāi)孔數(shù)和模塊單元聯(lián)箱開(kāi)孔數(shù)均減少，且當(dāng)交叉次數(shù)由2增加到4時(shí)上述參數(shù)均大幅降低，當(dāng)交叉次數(shù)大于4以后降幅均相對(duì)較小，即氟塑料換熱器的換熱性能、阻力性能及聯(lián)箱結(jié)構(gòu)在交叉次數(shù)為4時(shí)得到優(yōu)化，結(jié)合熱膨脹因素建議在工程應(yīng)用中盡量采用2個(gè)U形換熱模塊單元布置成W形.

氟塑料換熱器； 模塊單元； 換熱性能； 阻力性能； 聯(lián)箱結(jié)構(gòu)

燃煤電站鍋爐作為我國(guó)第一大耗能設(shè)備，每年消耗約15×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占全國(guó)煤炭消耗總量的50%[1].為防止鍋爐尾部部件發(fā)生低溫腐蝕，鍋爐排煙溫度一般設(shè)計(jì)為120～150 ℃[2]，排煙熱損失占鍋爐全部熱損失的一半以上，排煙蘊(yùn)藏著巨大的余熱資源[3].目前,已有不少電廠在空氣預(yù)熱器出口加裝以金屬低溫省煤器為代表的常規(guī)余熱利用裝置[4]，可在燃用含硫量較低煤種時(shí)將鍋爐排煙溫度降至100 ℃左右，顯著降低鍋爐熱損失、提高電廠綜合能效[5].另外，發(fā)達(dá)地區(qū)燃煤發(fā)電企業(yè)面臨的環(huán)保壓力逐步增大.有不少電廠開(kāi)始引入基于水媒介質(zhì)的熱媒體煙氣換熱器(MGGH)系統(tǒng)，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)煙氣余熱回收和脫硫后冷煙氣再熱，實(shí)現(xiàn)排煙余熱回收的同時(shí)解決了脫硫塔后設(shè)備腐蝕問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)干煙囪排放.由于金屬換熱器受制于耐腐蝕性能，金屬M(fèi)GGH系統(tǒng)排煙溫度不能低于酸露點(diǎn)，因此電廠通常無(wú)法利用75～95 ℃內(nèi)的煙氣熱量，而且難以將其推廣應(yīng)用到燃用高硫高水煤種的電廠、垃圾焚燒電廠和生物質(zhì)電廠[6].氟塑料具有超強(qiáng)的抗腐蝕性能，經(jīng)特殊處理后可長(zhǎng)時(shí)間安全運(yùn)行在250 ℃以下的煙氣環(huán)境，且具備柔韌性好、適應(yīng)性強(qiáng)和易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，為深度余熱利用提供了切實(shí)可行的解決方案[7].根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，氟塑料換熱器本體在煙氣垂直方向尺寸大，沿?zé)煔夥较虺叽缧?，整體呈現(xiàn)扁平型.針對(duì)包含數(shù)萬(wàn)根氟塑料換熱管束的換熱器，必須通過(guò)模塊化以實(shí)現(xiàn)靈活生產(chǎn)、安裝及高效檢修，增加換熱器負(fù)荷設(shè)計(jì)的靈活性，以及實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中對(duì)故障模塊單獨(dú)實(shí)施隔離維修或者更換，提高設(shè)備利用率以及運(yùn)行安全性[8].

目前，文獻(xiàn)主要集中在氟塑料換熱器換熱性能和防腐蝕性能研究，關(guān)于氟塑料換熱器模塊及優(yōu)化布置的研究較少[9].筆者基于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后的計(jì)算公式，對(duì)1 000 MW火力發(fā)電機(jī)組MGGH系統(tǒng)中脫硫塔前的氟塑料換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[10]，研究氟塑料換熱模塊單元對(duì)氟塑料換熱器整體傳熱特性、空氣側(cè)阻力特性、水側(cè)阻力特性和聯(lián)箱結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，提出基于模塊化的氟塑料換熱器優(yōu)化布置方案，為氟塑料換熱器模塊化工程應(yīng)用提供參考.

1 氟塑料換熱器阻力及傳熱計(jì)算

本實(shí)驗(yàn)所用氟塑料換熱器由大金氟化工(中國(guó))有限公司提供，使用牌號(hào)為F-302的聚四氟乙烯(PTFE)進(jìn)行加工制造.該材料常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.202 5 W/(m·K)，可連續(xù)工作于高達(dá)260 ℃的煙氣環(huán)境中，滿(mǎn)足電廠尾部低溫?zé)煔庥酂峄厥展ぷ鳁l件.實(shí)驗(yàn)換熱器采用豎直順列布置成W型，換熱管外徑為10 mm，壁厚為1 mm，橫、縱向節(jié)距分別為24 mm和20 mm.

1.1 水側(cè)阻力計(jì)算

每個(gè)氟塑料換熱器模塊單元均包括進(jìn)、出水口，在水側(cè)通過(guò)若干個(gè)氟塑料換熱器模塊單元進(jìn)行串聯(lián)，在忽略氟塑料換熱器管束流速不均的前提下，換熱器水側(cè)壓降按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：l為直管段長(zhǎng)度，m；d為換熱管內(nèi)徑，m；n1、n2分別為氟塑料換熱器整體水路進(jìn)、出口損失總數(shù)量；λ為直管段沿程阻力系數(shù)；ρ為水密度，kg/m3；v為水速，m/s.

圖1為單根氟塑料換熱管沿程阻力系數(shù)測(cè)量原理圖.假設(shè)由于氟塑料換熱管和差壓計(jì)未完全水平放置而引起的總高度差為ΔH，將被測(cè)量管路充滿(mǎn)水且水不流動(dòng)時(shí)的差壓計(jì)示數(shù)置為零，則有：

(2)

式中：p1、p2分別為該處實(shí)際壓強(qiáng)，Pa.

實(shí)際測(cè)量中，測(cè)點(diǎn)1示數(shù)增量為Δp1，測(cè)點(diǎn)2示數(shù)增量為Δp2，壓力表示數(shù)為Δp，有：

(3)

則壓力表示數(shù)Δp為測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2之間的靜壓差.

圖1 換熱管阻力系數(shù)測(cè)量原理圖

由于實(shí)驗(yàn)工況和工程實(shí)際工況均不涉及管內(nèi)層流流動(dòng)，圓管湍流入口段長(zhǎng)度L*=(25～40)d[11].如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)氟塑料管過(guò)渡段長(zhǎng)度L0=0.5 m，大于40d(即0.32 m)，其中測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2之間的距離L為1.2 m.實(shí)驗(yàn)中通過(guò)量杯測(cè)量時(shí)間t內(nèi)的水體積流量qV，間接求得管內(nèi)水速，多次讀取差壓計(jì)示數(shù)取平均值，以得到差壓值.

圖2為換熱管阻力特性曲線(xiàn).由圖2可知，壓降隨著Re的增大迅速增大，沿程阻力系數(shù)隨著Re的增大而減小，且降幅逐漸減緩，當(dāng)Re>8 000后沿程阻力系數(shù)基本穩(wěn)定在0.012 5.采用最小二乘法對(duì)Re與沿程阻力系數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如式(4)所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況確定式(4)適用范圍為Re=2 600～13 500，相對(duì)粗糙度=0.02.經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)算，在使用范圍內(nèi)式(4)計(jì)算偏差值小于5%.

(4)

圖2 換熱管阻力特性曲線(xiàn)

1.2 空氣側(cè)傳熱計(jì)算

基于氟塑料換熱器流動(dòng)傳熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)氟塑料換熱管束進(jìn)行傳熱阻力特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：由于氟塑料圓管絕對(duì)粗糙度為0.17 mm，普通鋼管絕對(duì)粗糙度為0.4 mm[12].在相同Re下，普通鋼管對(duì)層流邊界層內(nèi)的附加擾動(dòng)較強(qiáng)烈，鋼管管束的管外傳熱系數(shù)大于表面光滑的氟塑料管束.基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式進(jìn)行常系數(shù)修正，采用修正后的關(guān)聯(lián)式(5)計(jì)算空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù).

(5)

式中：下標(biāo)f為換熱器流體參數(shù)確定的參數(shù)值，w為壁面參數(shù)確定的參數(shù)值;α為修正系數(shù)，其取值與流體Re和Pr有關(guān)，受換熱器橫、縱向節(jié)距、管束直徑、空氣流速和空氣溫度的影響.

采用式(5)對(duì)氟塑料換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工況校核，當(dāng)管外對(duì)流傳熱系數(shù)最大偏差為8%、總傳熱系數(shù)最大偏差為5%時(shí)，α取值為0.72.

1.3 空氣側(cè)阻力計(jì)算

管外流體流過(guò)管束的壓降Δp是其幾何外形(S1、S2、d)、管束排數(shù)(Z)、流速(u)以及流體物性參數(shù)(ρ、η)的函數(shù).實(shí)驗(yàn)工況下管外空氣處于湍流狀態(tài)(3 500

(6)

(7)

(8)

式中：S1、S2分別為橫向節(jié)距和縱向節(jié)距。

1.4 空氣側(cè)傳熱及阻力計(jì)算實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖3為氟塑料換熱器傳熱流動(dòng)性能測(cè)試系統(tǒng).室溫下的空氣由變頻軸流風(fēng)機(jī)吸入風(fēng)洞風(fēng)道，經(jīng)電加熱器加熱至設(shè)定溫度，流經(jīng)蜂窩器整流后進(jìn)入換熱器，與換熱管束內(nèi)的冷水充分換熱后由尾部通道排出；通過(guò)冷水機(jī)恒定換熱器入口水溫，由冷水機(jī)配套水泵將冷水送入換熱器，吸熱后的水再送回冷水機(jī)，形成閉合循環(huán)系統(tǒng).通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率來(lái)改變加熱器內(nèi)空氣流速；通過(guò)球閥結(jié)合渦輪流量計(jì)瞬時(shí)讀數(shù)設(shè)定加熱器水速；通過(guò)帶溫度反饋調(diào)節(jié)的電加熱段設(shè)定加熱器進(jìn)口風(fēng)溫；通過(guò)冷水機(jī)設(shè)定加熱器進(jìn)口水溫.

1-軸流風(fēng)機(jī)； 2-風(fēng)洞風(fēng)道； 3-蜂窩器； 4-皮托管； 5-出水口測(cè)溫混合器； 6-球閥；7-渦輪流量計(jì)； 8-入水口測(cè)溫混合器.

圖3 氟塑料換熱器測(cè)試系統(tǒng)

Fig.3 Experimental system for testing of the fluoroplastic heat exchanger

在空氣進(jìn)、出口均勻布置16個(gè)精度為0.1 K的T型熱電偶測(cè)點(diǎn)；在水進(jìn)、出口安裝測(cè)溫混合器，豎向同樣均勻布置4個(gè)T型熱電偶，處理數(shù)據(jù)時(shí)均采用平均值；通過(guò)安裝在加熱器前后充分發(fā)展段的皮托管和傾斜式微壓計(jì)測(cè)量壓降；在風(fēng)道出口等面積劃分6個(gè)區(qū)域，采用精度為3%、量程為0.15～15 m/s的葉輪式風(fēng)速儀測(cè)量各區(qū)域風(fēng)速并求取平均值，作為風(fēng)道風(fēng)速；水側(cè)采用精度為±0.5%、量程為0.2～1.2 m3/h的智能渦輪流量計(jì)記錄實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、結(jié)束時(shí)的總體積流量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)耗時(shí)和換熱管束尺寸求取水速.

選取5個(gè)實(shí)驗(yàn)工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算偏差分析，所選定的一組實(shí)驗(yàn)工況如下：水溫為20 ℃，水速為0.3 m/s，風(fēng)溫為70 ℃，風(fēng)速分別為3.78 m/s、4.79 m/s、5.7 m/s、6.69 m/s和7.65 m/s.

圖4 空氣側(cè)壓降、管外對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比曲線(xiàn)Fig.4 Comparison of air-side pressure drop and convective heat transfer coefficient between calculated and experimental data

圖4為上述5個(gè)工況下空氣側(cè)壓降、管外對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比曲線(xiàn).結(jié)果表明，α取0.72時(shí)，式(5)計(jì)算值的最大偏差為8%，式(6)～式(8)的空氣側(cè)阻力計(jì)算值的最大偏差為10%，計(jì)算公式具有較高的準(zhǔn)確性.

2 氟塑料換熱器運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)

以某1 000 MW火力發(fā)電機(jī)組加裝MGGH為研究背景[14]，主要探索氟塑料換熱模塊單元及其布置對(duì)氟塑料換熱器整體傳熱特性、空氣側(cè)阻力特性和水側(cè)阻力特性的影響規(guī)律.將MGGH系統(tǒng)簡(jiǎn)化為僅用于加熱脫硫后冷煙氣的系統(tǒng).如圖5所示，將氟塑料換熱器1布置于脫硫塔前，氟塑料換熱器2布置在脫硫塔與煙囪之間，煙氣側(cè)溫度從前往后依次為ty1、ty2、ty3和ty4，煙氣體積流量為qV,y，水側(cè)溫度為ts1和ts2，水體積流量為qV,s.該120 ℃工況下排煙體積流量為30 701 414 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，除灰后排煙中O2、CO2、SO2、N2和水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)分別為4.8%、13.2%、0.035%、73.97%和8%.

圖5 MGGH中氟塑料換熱器布置簡(jiǎn)圖

當(dāng)脫硫塔穩(wěn)定工作后，吸收塔進(jìn)、出口石灰漿液溫度穩(wěn)定，在忽略化學(xué)反應(yīng)熱的情況下，脫硫過(guò)程可近似看為絕熱增濕的過(guò)程.此時(shí)，石灰漿液液滴與煙氣充分接觸，煙氣中水蒸氣分壓力為該狀態(tài)下飽和分壓力，按式(9)進(jìn)行計(jì)算[15]：

(9)

式中：ps為飽和水蒸氣壓力，Pa；tw為脫硫塔出口溫度，℃.

綜合考慮濕法脫硫效率，脫硫前煙氣溫度ty2設(shè)定為80 ℃[16]，結(jié)合脫硫前后煙氣成分變化以及焓值近似相等，計(jì)算得脫硫塔進(jìn)出口煙氣參數(shù)，如表1所示.脫硫后煙氣溫度ty3為50.1 ℃.由于該系統(tǒng)僅用于再熱脫硫后冷煙氣，忽略熱交換損失，根據(jù)能量平衡得到氟塑料換熱器2出口溫度ty4為85.3 ℃.針對(duì)氟塑料換熱器壁面熱阻大的特征，將氟塑料換熱器2煙氣進(jìn)口側(cè)傳熱端差設(shè)定為20 K[17]，則閉式循環(huán)水溫度ts1=70 ℃、ts2=103 ℃，根據(jù)煙氣與水換熱量平衡求得qV，s=522.4 m3/h.

表1 煙氣脫硫前后參數(shù)對(duì)比

3 氟塑料換熱器模塊化及優(yōu)化布置分析

圖6為氟塑料換熱器模塊化示意圖，換熱模塊通過(guò)聯(lián)箱與大量換熱管束相連，若干個(gè)換熱模塊單元組成換熱系統(tǒng).由于在煙氣垂直方向模塊化對(duì)換熱器整體性能影響較小，因此對(duì)沿著煙氣流動(dòng)方向開(kāi)展模塊化研究.借鑒氟塑料換熱器研究經(jīng)驗(yàn)，為避免煙氣阻力過(guò)大，換熱器煙氣流速設(shè)計(jì)為5 m/s，因此換熱器整體入口橫截面寬為8 m、高為12 m[6].由于氟塑料換熱器模塊規(guī)格及布置形式直接取決于煙氣與水的交叉次數(shù)，因此從交叉次數(shù)的角度對(duì)氟塑料換熱器模塊化以及優(yōu)化布置展開(kāi)研究，以圖5中的氟塑料換熱器1為研究對(duì)象，煙氣與水交叉次數(shù)由2遞增至10時(shí)該換熱器的整體換熱性能、阻力性能及模塊單元聯(lián)箱結(jié)構(gòu)變化規(guī)律如圖7～圖11所示.

圖6 氟塑料換熱器模塊化示意圖

3.1 換熱器整體傳熱性能影響分析

如圖7所示，由于不同交叉次數(shù)下氟塑料換熱器整體管束布置節(jié)距相同、空氣與水溫度變化一致，因此管外對(duì)流傳熱系數(shù)為定值，穩(wěn)定在94 W/(m2·K).

圖7 換熱器整體管內(nèi)、外對(duì)流傳熱系數(shù)與總傳熱系數(shù)

圖8 管內(nèi)水速與管內(nèi)傳熱熱阻占總熱阻比例

如圖7和圖8所示，換熱管內(nèi)水速、管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)均隨著交叉次數(shù)增加而增大，當(dāng)交叉次數(shù)由3增加到4時(shí)，管內(nèi)由層流轉(zhuǎn)向紊流，管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)由225 W/(m2·K)突增至1 691 W/(m2·K).

圖9 實(shí)際對(duì)數(shù)溫差與管外總換熱面積

圖10 水側(cè)壓降與煙氣側(cè)壓降

圖11 換熱器聯(lián)箱總開(kāi)孔數(shù)與換熱器模塊單元開(kāi)孔數(shù)

由于氟塑料換熱器熱阻主要集中在管外和管壁，且二者均不隨交叉次數(shù)變化，在交叉次數(shù)為2和3時(shí)，管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)較小且傳熱阻占總熱阻比例較大，分別為26%和22%；當(dāng)交叉次數(shù)大于4后，管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)繼續(xù)增大，但傳熱阻占總熱阻比例始終小于3%.

如圖7所示，當(dāng)交叉次數(shù)小于4時(shí)，總傳熱系數(shù)隨著交叉次數(shù)的增加迅速增大，交叉次數(shù)分別為2、3和4時(shí)的總傳熱系數(shù)分別為44 W/(m2·K)、47 W/(m2·K)和60.7 W/(m2·K)，當(dāng)介質(zhì)交叉次數(shù)大于4后，總傳熱系數(shù)基本穩(wěn)定為62 W/(m2·K).

如圖9所示，總趨勢(shì)為逆流的多次交叉流實(shí)際對(duì)數(shù)溫差隨著交叉次數(shù)增加而增大，但增幅迅速放緩.當(dāng)交叉次數(shù)為2時(shí)實(shí)際對(duì)數(shù)溫差為9.3 K，較純逆流實(shí)際對(duì)數(shù)溫差小29.6%；當(dāng)交叉次數(shù)為4時(shí)僅比純逆流實(shí)際對(duì)數(shù)溫差小7.1%.

綜上，實(shí)際對(duì)數(shù)溫差與總傳熱系數(shù)在交叉次數(shù)小于4時(shí)均隨著交叉次數(shù)的增加迅速增大，當(dāng)交叉次數(shù)大于4后增幅均非常緩慢.在換熱量相當(dāng)時(shí)，管外總換熱面積隨交叉次數(shù)的變化規(guī)律如圖9所示，當(dāng)交叉次數(shù)從2增加到4時(shí)，管外總換熱面積由4.42×104m2迅速減小到2.47×104m2，氟塑料材料總消耗量減少近44%；當(dāng)交叉次數(shù)繼續(xù)增加到10時(shí)，管外總換熱面積減小緩慢，降幅僅增加4.6%.

3.2 換熱器整體阻力性能影響分析

煙氣壓降取決于煙氣流動(dòng)狀況，且與換熱器縱向管排數(shù)成正比.不同交叉次數(shù)下管外流動(dòng)狀況基本一致，因此煙氣壓降與縱向管排數(shù)成正比.由于換熱器整體入口橫截面寬度與管束橫向節(jié)距固定.所以換熱器煙氣側(cè)壓降隨交叉次數(shù)的變化規(guī)律與管外總換熱面積的變化規(guī)律一致.

由圖10可知，煙氣側(cè)壓降隨交叉次數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)且降幅迅速減緩.當(dāng)交叉次數(shù)從2增加到4時(shí)，煙氣側(cè)壓降由2 420 Pa降低為1 352 Pa，降幅高達(dá)44%；當(dāng)交叉次數(shù)繼續(xù)增加到10時(shí)，煙氣壓降為1 242 Pa，降幅僅增加4.6%.

隨著交叉次數(shù)增加，管內(nèi)水速與換熱管水側(cè)串聯(lián)長(zhǎng)度均增大，水側(cè)壓降曲線(xiàn)如圖10所示，水側(cè)阻力與交叉次數(shù)的平方成正比.當(dāng)交叉次數(shù)由2增加到4時(shí)，水側(cè)壓降由0.14 kPa增大為1.59 kPa，當(dāng)交叉次數(shù)增加到10時(shí)，水側(cè)壓降增至20.7 kPa.

3.3 換熱器聯(lián)箱分析

氟塑料換熱器通過(guò)聯(lián)箱的開(kāi)孔與換熱管束相連，換熱器聯(lián)箱總開(kāi)孔數(shù)越少，越有利于降低連接處的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，增加整個(gè)換熱系統(tǒng)的安全可靠性.換熱器模塊單元開(kāi)孔數(shù)越少，越利于模塊的制造和運(yùn)輸，同時(shí)更易滿(mǎn)足龐大換熱管束的水動(dòng)力均勻性.

為便于分析，假設(shè)氟塑料換熱模塊采用直線(xiàn)型單元.如圖11所示，換熱器聯(lián)箱總開(kāi)孔數(shù)與換熱器模塊單元開(kāi)孔數(shù)均隨交叉次數(shù)的增加而下降，且降幅迅速減緩.由于交叉次數(shù)對(duì)換熱器整體存在切分作用，隨著交叉次數(shù)的增加，換熱器模塊單元開(kāi)孔數(shù)的降幅大于換熱器聯(lián)箱總開(kāi)孔數(shù)，當(dāng)交叉次數(shù)由2增加到4時(shí)，換熱器聯(lián)箱總開(kāi)孔數(shù)降幅為44%，而換熱器模塊單元開(kāi)孔數(shù)對(duì)應(yīng)降幅高達(dá)72%；當(dāng)交叉次數(shù)繼續(xù)增加至10時(shí)，兩者降幅分別增加4.6%和17.7%.

3.4 換熱器模塊單元熱膨脹分析

電廠深度余熱利用系統(tǒng)換熱器多采用能長(zhǎng)期工作于260 ℃的聚四氟乙烯進(jìn)行制造.鍋爐排煙溫度一般為120～150 ℃[3]，聚四氟乙烯線(xiàn)膨脹系數(shù)對(duì)25～120 ℃的積分值為12.84×10-5/℃，25 ℃生產(chǎn)的高度為12 m的換熱器在管壁溫度為120 ℃的工況下，換熱管束熱膨脹量為：

(10)

若采用線(xiàn)性模塊單元，必須對(duì)上下聯(lián)箱同時(shí)進(jìn)行固定，熱膨脹量將導(dǎo)致?lián)Q熱管束偏離最優(yōu)布置，不但增大增壓風(fēng)機(jī)耗功、降低換熱效率，還易因管束振動(dòng)加劇產(chǎn)生疲勞損壞.若采用上聯(lián)箱吊裝的U形模塊單元，模塊單元可吸收自身熱膨脹量，在自重下始終保持最優(yōu)排布，利于提升氟塑料換熱器的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性.

4 結(jié) 論

(1) 煙氣側(cè)壓降、管外總換熱面積均隨交叉次數(shù)的增加而下降，且降幅迅速減緩，當(dāng)交叉次數(shù)從2增加到4時(shí)，兩者降幅高達(dá)44%，當(dāng)交叉次數(shù)繼續(xù)增加到10時(shí)，兩者降幅僅增加4.6%.

(2) 水側(cè)阻力與交叉次數(shù)的平方成正比.當(dāng)交叉次數(shù)從2增加到4時(shí)，水側(cè)壓降由0.14 kPa增大為1.59 kPa，當(dāng)交叉次數(shù)繼續(xù)增加到10時(shí)，水側(cè)壓降增大到20.7 kPa.

(3) 換熱器聯(lián)箱總開(kāi)孔數(shù)與換熱器模塊單元開(kāi)孔數(shù)均隨交叉次數(shù)的增加而下降，且降幅迅速減緩，換熱器模塊單元開(kāi)孔數(shù)的降幅更大.當(dāng)交叉次數(shù)從2增加到4時(shí)，換熱器聯(lián)箱總開(kāi)孔數(shù)降幅為44%，模塊單元開(kāi)孔數(shù)降幅達(dá)72%；當(dāng)交叉次數(shù)繼續(xù)增加至10時(shí)，兩者降幅分別增加4.6%和17.7%.

(4) 常溫(25 ℃)生產(chǎn)的高度為12 m的換熱器，在管壁溫度為120 ℃工況下，熱膨脹長(zhǎng)度為0.146 m，建議采用U形換熱模塊單元進(jìn)行吊裝，吸收自身管束熱膨脹量，保證換熱管束始終處于最優(yōu)排布.

(5) 氟塑料換熱器整體的換熱性能、阻力性能及聯(lián)箱結(jié)構(gòu)在介質(zhì)交叉次數(shù)為4時(shí)取得優(yōu)化.交叉次數(shù)取4相對(duì)于交叉次數(shù)取2和3時(shí)，煙氣側(cè)壓降明顯降低，管外總換熱面積、聯(lián)箱總開(kāi)孔數(shù)與模塊單元開(kāi)孔數(shù)明顯減小，繼續(xù)增加交叉次數(shù)其降低效果不明顯.交叉次數(shù)取4時(shí)水側(cè)壓降增幅較小，但當(dāng)繼續(xù)增加交叉次數(shù)將導(dǎo)致水側(cè)壓降迅速增大.因此，交叉次數(shù)取4能在保證換熱器管束承壓安全性的前提下，最大化滿(mǎn)足換熱高效性、水動(dòng)力均勻性以及加工運(yùn)輸方便性，建議在不受具體參數(shù)限制前提下，盡量使用2個(gè)U形換熱模塊單元布置成W形.

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Research on Optimal Layout of a Fluoroplastic Heat Exchanger Based on Modularization

XUGang1,CHENYuan1,NIUChenwei1,MAYing1,LIUWenyi1,RENYingjie2,WANGYi2

(1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Daikin Fluorochemicals (China) Co., Ltd., Changshu 215522, Jiangsu Province, China)

A design calculation was implemented for a fluoroplastic heat exchanger set before desulfurizer in the media gas-gas heater (MGGH) system of a 1 000 MW thermal power unit, while an optimal layout of the fluoroplastic heat exchanger was researched based on modularization in terms of gas-water crossover times. Results show that the water-side resistance is in direct proportion to the square of crossover times. The total external heat exchange area, the gas-side pressure drop, the total number of header connectors as well as the number of header connectors in the modular unit reduce with the rise of gas-water crossover times. When the number of crossover times increases from 2 to 4, the above-mentioned parameters significantly reduce, and when the number rises continually, the reducing tendency lowers gradually, i.e. optimum heat exchange performance and optimum resistance characteristics of the fluoroplastic heat exchanger as well as reasonable structure of related headers can be obtained for the crossover times of 4. Considering the thermal expansion factor, double U-shaped heat exchange modules in W-shape arrangement are recommended for the fluoroplastic heat exchanger.

fluoroplastic heat exchanger; module unit; heat exchange performance; resistance characteristics; header structure

2016-05-24

2016-08-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276059， 51436006)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2015ZZD10)

徐 鋼(1978-)，男，安徽六安人，副教授，工學(xué)博士，主要從事能源動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化與節(jié)能、污染物控制、溫室氣體減排及換熱器等方面的研究.電話(huà)(Tel.):13161081185；E-mail：xg2008@ncepu.edu.cn.

1674-7607(2017)05-0394-07

TM621

A 學(xué)科分類(lèi)號(hào)：470.30