氟塑料換熱器及其數(shù)值模擬的研究進(jìn)展

靳超然 甘露 劉舒巍 王濟(jì)平

摘 要：氟塑料換熱器以其耐腐蝕的特性，在低溫余熱回收領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。本文簡述了氟塑料換熱器改性及氟塑料換熱器數(shù)值模擬的研究進(jìn)展。通過對氟塑料進(jìn)行改性其傳熱系數(shù)可大幅增高，利用數(shù)值模擬技術(shù)，可對今后氟塑料換熱器的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氟塑料換熱器;改性;數(shù)值模擬

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

0 引言

電廠鍋爐排煙損失是鍋爐熱損失中最重要的一項(xiàng)，對這部分煙氣的余熱進(jìn)行回收利用，鍋爐效率將大大提高。煙氣余熱多采用低溫省煤器等裝置進(jìn)行回收利用。目前電廠多采用金屬材質(zhì)的換熱器作為低溫省煤器，但是金屬換熱器存在低溫腐蝕等問題，對機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定影響。氟塑料換熱器憑借其耐腐蝕、耐低溫、耐老化、不粘黏的特性，解決了金屬換熱器無法解決的問題，被廣泛關(guān)注。

1 氟塑料改性的研究進(jìn)展

氟塑料是各類含氟聚合物的總稱，應(yīng)用較多的是聚四氟乙烯（PTFE）。氟塑料換熱器從1966由美國杜邦公司首次研制，已經(jīng)過了50多年的發(fā)展，被歐美國家廣泛使用。我國氟塑料換熱器的研究開始于20世紀(jì)70年代，眾多研究者對氟塑料換熱器的機(jī)械性能及傳熱效果進(jìn)行了深入的研究，使其在我國也有極大發(fā)展。氟塑料換熱器雖然具有耐腐蝕等諸多特性，但是其價(jià)格相對較高，目前越來越多的研究者開始了氟塑料改性的研究，以期得到價(jià)格更低廉，傳熱性能和機(jī)械性能更優(yōu)秀的材料。

范寒寒[1]將石墨作為填充材料，對聚全氟乙丙烯進(jìn)行改性，研究發(fā)現(xiàn)在石墨含量小于10%的情況下，材料的拉伸強(qiáng)度隨石墨含量的增加而增加，通過換熱器實(shí)驗(yàn)，其總傳熱系數(shù)達(dá)到了621.1W/（m2·K），單位體積總傳熱系數(shù)達(dá)到了1.40×10～5W/（m3·K），該材料在價(jià)格、機(jī)械性能和傳熱性能等方面具有一定的優(yōu)勢。張燕[2]利用干濕法紡絲對聚偏氟乙烯（PVDF）改性，使換熱管形成孔隙，通過在孔隙中形成微小的對流，來提高傳熱系數(shù)，通過水-水傳熱實(shí)驗(yàn)，其總傳熱系數(shù)高達(dá)1286 W/（m2·K）。

2 換熱器數(shù)值模擬的研究進(jìn)展

隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為換熱器研究的重要手段之一。付磊等[3]利用商業(yè)數(shù)值模擬軟件建立了管殼式換熱器的模型，并對換熱器殼程流動(dòng)及傳熱過程進(jìn)行了模擬，得到了不同工況下管殼式換熱器殼程流體的流場及溫度場，分析了管殼式換熱器換熱效果的影響，對換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一定的方向。王慶鋒等[4]采用Fluent對管殼式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了換熱管形式、折流板結(jié)構(gòu)對流動(dòng)及傳熱的影響，研究表明波節(jié)管和波紋管與光管相比，換熱效果提高，但是壓降也隨之增大，換熱器殼程對流傳熱系數(shù)及壓降隨折流板間距的增大而減小，隨著折流板切率的增大分別呈現(xiàn)先增大后減小和減小的趨勢。

3 氟塑料換熱器數(shù)值模擬的研究進(jìn)展

數(shù)值模擬技術(shù)具有易于重復(fù)，費(fèi)用低廉的優(yōu)點(diǎn)，在氟塑料換熱器的研究中也得到了一定的應(yīng)用。

滿孝增[5]通過建立氟塑料換熱器的幾何模型，對氟塑料換熱管束的流動(dòng)及傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過與計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對比，其換熱量誤差分別為4.7%、5.1%，其殼程壓降誤差分別為7.9%、5.8%，可以為以后的研究提供一定的參考。

趙國春[6]對聚偏氟乙烯管殼式換熱器建立了三維模型，利用數(shù)值軟件Fluent對聚偏氟乙烯換熱器殼程流場進(jìn)行了模擬，分析了不同管束布置方式、管間距、折流板間距及殼程入口溫度對換熱器換熱性能的影響，得到了換熱效果與經(jīng)濟(jì)性兼具的換熱器設(shè)計(jì)方案。

段俊陽[7]對氟塑料光管低溫省煤器進(jìn)行了數(shù)值模擬，首先建立了單管的幾何模型，分析了不同入口煙氣流速、煙氣溫度對煙氣側(cè)傳熱及阻力的影響，不同入口水速、水溫對水側(cè)傳熱及阻力的影響，還分析了不同管束排列方式、管束橫向節(jié)距與縱向節(jié)距對傳熱及阻力的影響，為低溫省煤器的設(shè)計(jì)提供了參考。

4 結(jié)論

氟塑料換熱器具有耐腐蝕、耐低溫的特性，在低溫余熱利用領(lǐng)域具有廣闊的前景。通過對氟塑料換熱器進(jìn)行改性可以顯著提高其傳熱系數(shù)，同時(shí)降低造價(jià)。利用數(shù)值模擬軟件可以更方便快捷的對氟塑料換熱器的傳熱及流動(dòng)特性進(jìn)行研究，為今后換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]范寒寒.石墨改性聚全氟乙丙烯導(dǎo)熱中空纖維及其換熱器的研制[D].天津大學(xué)，2012.

[2]張燕.基于PVDF微孔膜的界面聚合改性制備換熱管研究[D].天津工業(yè)大學(xué)，2017.

[3]付磊，唐克倫，文華斌等.管殼式換熱器流體流動(dòng)與耦合傳熱的數(shù)值模擬[J].化工進(jìn)展，2012，31（11）：2384-2389.

[4]王慶鋒，龐鑫，趙雙.管殼式換熱器傳熱效率影響因素及數(shù)值模擬分析[J].石油機(jī)械，2015（10）：102-107.

[5]滿孝增.氟塑料換熱管束傳熱與流動(dòng)計(jì)算及數(shù)值模擬D].華北電力大學(xué)，2017.

[6]趙國春.聚偏氟乙烯換熱器換熱性能實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].北京建筑大學(xué)，2015.

[7]段俊陽.燃煤鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng)的性能分析[D].華北電力大學(xué)，2016.

基金項(xiàng)目：燃煤電廠氟塑料相變凝聚提水（除塵）技術(shù)研究（2017-002-

YD-KJ-X）