氣-液型銷釘熱管換熱器實(shí)驗(yàn)研究

文_程鴻 王昕 謝山樣 謝慶亮 黃舉福

1.國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠 2. 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

熱管換熱器作為一種高效換熱器，可將煙氣取熱與凝結(jié)水吸熱分區(qū)設(shè)計(jì)，可確保凝結(jié)水零泄漏，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱高效安全利用。王東峰、蔡勇等人發(fā)表的關(guān)于搪瓷熱管在燃煤電廠低溫省煤器中的應(yīng)用表明，熱管作為低溫省煤器的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性是可行的。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)步驟

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由加熱儲(chǔ)水箱、熱風(fēng)燃燒爐、換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K、風(fēng)機(jī)、冷熱水管道、冷熱風(fēng)風(fēng)道，以及監(jiān)控測(cè)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。

銷釘熱管換熱器通過(guò)管板將熱管蒸發(fā)側(cè)與冷凝側(cè)分隔在兩個(gè)空間內(nèi)，熱管蒸發(fā)側(cè)位于隔板下部，由煙氣加熱；冷凝側(cè)位于隔板上部，由冷卻水冷卻，進(jìn)而完成煙氣與冷卻水的換熱。

1.2 不確定性分析

本次實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展了大量的數(shù)據(jù)測(cè)量工作，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性需要進(jìn)行相關(guān)的不確定性分析，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的相對(duì)不確定度為：

式中，T代表加熱溫度儀表讀數(shù)；Q代表風(fēng)速變送器讀數(shù)；M代表冷卻水流量?jī)x表讀數(shù)；S代表煙溫及水溫波動(dòng)程度。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行分析處理。對(duì)于風(fēng)量、水量和溫度等不穩(wěn)定因素，采取多個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，減小實(shí)驗(yàn)誤差。傳熱系數(shù)K計(jì)算：

2.1 風(fēng)速和水溫對(duì)換熱的影響

以垂直狀態(tài)下水溫55℃、水速0.3m/s 為例，隨著風(fēng)速增加，熱管蒸發(fā)段外表面的紊流程度強(qiáng)化，雷諾數(shù)增大，熱管外表面與煙氣的對(duì)流換熱能力加強(qiáng)，強(qiáng)化熱管換熱，傳熱系數(shù)增強(qiáng)，傳熱系數(shù)與雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)是正相關(guān)的。由于氣液型換熱器中主要熱阻集中在煙氣側(cè)，水側(cè)熱阻相對(duì)于煙側(cè)熱阻可忽略不計(jì)，雖然水側(cè)流速增加能強(qiáng)化水側(cè)的換熱強(qiáng)度，但對(duì)換熱器整體的傳熱性能提升有限。

對(duì)比不同入口水溫的傳熱系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，圖1垂直傾斜10°中三條曲線的傳熱系數(shù)平均值大小排列并未與水溫的變化呈現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的正向或反向規(guī)律，說(shuō)明此時(shí)的熱管內(nèi)部的換熱狀態(tài)比較復(fù)雜，存在較多因素對(duì)熱管的換熱產(chǎn)生影響。

圖1 垂直傾斜10°不同風(fēng)速下傳熱系數(shù)

垂直傾斜5°不同入口水溫的傳熱系數(shù)，水溫35℃下的變風(fēng)速傳熱系數(shù)數(shù)值比水溫45℃和55℃水溫下的傳熱系數(shù)大，后兩者區(qū)別不大。說(shuō)明此時(shí)在水溫35℃時(shí)，換熱器有較好的傳熱表現(xiàn)，在影響熱管換熱的眾多因素中，傳熱溫差在此時(shí)的影響最顯著。

圖2 為垂直布置不同水溫工況下，水流速為0.3m/s 時(shí)，不同風(fēng)速下的傳熱系數(shù)變化曲線。傳熱系數(shù)總體數(shù)值大小排列：水溫45℃>水溫35℃>水溫55℃。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是，隨著冷卻水溫的增加，熱管內(nèi)工質(zhì)工作溫度上升，工質(zhì)蒸發(fā)相變過(guò)程加劇，強(qiáng)化了熱管內(nèi)部的工質(zhì)與管壁的換熱能力，故傳熱系數(shù)上升；但是隨著入口水溫上升，冷熱流體的之間的傳熱端差在減小，端差減小對(duì)傳熱能力的影響大于管內(nèi)工質(zhì)因工作溫度增加所帶來(lái)的換熱能力增強(qiáng)，所以傳熱系數(shù)反而下降。

圖2 垂直布置不同風(fēng)速下傳熱系數(shù)

2.2 煙溫對(duì)換熱的影響

在風(fēng)速為11m/s，水速0.3m/s 工況下，隨著換熱器入口煙溫的升高，換熱器傳熱系數(shù)增加明顯。在數(shù)值上，入口煙溫為130℃時(shí)，傳熱系數(shù)為44W/(m2·K)，當(dāng)入口煙溫達(dá)到170℃時(shí)，傳熱系數(shù)達(dá)到54W/(m2·K)。這是因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下，煙氣溫度越高管內(nèi)工質(zhì)工作溫度越高，蒸汽的飽和溫度越高，需要外界提供更多的熱量來(lái)加熱蒸發(fā)段內(nèi)的工作液體，熱量增加的越多，蒸發(fā)段內(nèi)液體的沸騰程度也就越劇烈，沸騰汽化核心增多，沸騰加劇，從而使得汽泡成長(zhǎng)加快，利于蒸發(fā)段的泡核沸騰傳熱。隨著汽泡生成頻率的增加，單位時(shí)間內(nèi)能生成更多的汽泡，汽泡成長(zhǎng)到一定程度后會(huì)脫離壁面，增加對(duì)邊界層的擾動(dòng)，從而會(huì)增強(qiáng)對(duì)液池的擾動(dòng)，提高蒸發(fā)段的對(duì)流傳熱系數(shù)。從冷熱流體傳熱端差的角度分析，其他條件不變，煙溫升高，傳熱端差進(jìn)一步加大，在未達(dá)到傳熱極限的情況下，熱管的熱阻是減小的，故傳熱能力加強(qiáng)，傳熱系數(shù)增加。

2.3 水速對(duì)換熱的影響

換熱器在11m/s 風(fēng)速，不同水速工況下的傳熱系數(shù)隨著水速的增加而增加。在水速為0.2m/s 時(shí)，傳熱系數(shù)值為35W/(m2·K)，當(dāng)水速增加至0.45m/s 時(shí)，傳熱系數(shù)值為45W/(m2·K)，增加幅度為28%，當(dāng)水速繼續(xù)增加，傳熱系數(shù)相較于0.45m/s時(shí)的傳熱系數(shù)增加幅度并不大。

上述分析可見(jiàn)，隨著水速增加，傳熱系數(shù)增加，但是當(dāng)水速達(dá)到一定程度時(shí)，傳熱系數(shù)區(qū)域穩(wěn)定。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是煙氣側(cè)對(duì)流換熱熱阻及其他熱阻基本不受水流量影響，近似維持定值，故總傳熱熱阻存在極限值。隨著水流量增大，總傳熱熱阻逐漸減小接近極限值，水速繼續(xù)增加，總傳熱熱阻基本不變，故傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定。

2.4 傾斜角對(duì)換熱的影響

從不同布置方式分析，傳熱系數(shù)大小總體趨勢(shì)排序?yàn)椋捍怪眱A斜5°＞垂直傾斜10°＞水平傾斜10≥垂直布置。這是因?yàn)椋瑹峁軆A斜后，管內(nèi)液態(tài)工質(zhì)從熱管下半部分的蒸發(fā)段吸熱變成蒸汽，并沿?zé)峁軆?nèi)壁上升到熱管上半部分的冷凝段釋放熱量的冷凝液在重力的作用下可以被分解為兩種流態(tài)：其中一部分冷凝液用于保證熱管的回流，另一部分用于保持冷凝液對(duì)熱管內(nèi)壁的浸潤(rùn)。在這兩種流態(tài)的影響下，熱管內(nèi)蒸汽與液態(tài)工質(zhì)各行其道，因此傾斜熱管可以適當(dāng)提高攜帶極限。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)熱管，當(dāng)角度超過(guò)5°時(shí)，隨著傾斜角度的增加，蒸汽和熱管的下凹面間的液膜變厚，液膜熱阻增加，蒸發(fā)強(qiáng)度下降，傳熱效果降低。

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，熱管在垂直傾斜5°方向具有較好的傳熱性能，換熱器布置方式優(yōu)選垂直傾斜5°。隨著水速增加，熱管換熱器傳熱系數(shù)先增加后趨于平穩(wěn)，說(shuō)明水速對(duì)換熱系數(shù)影響程度有限，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，建議水速在0.45 ～0.7m/s 之間。隨著風(fēng)速增加，熱管傳熱系數(shù)增加，但是考慮到換熱器設(shè)備阻力，以及設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中的磨損，建議風(fēng)速控制在10m/s 左右。隨著煙氣溫度的增加，熱管傳熱系數(shù)增加，主要原因是減小了熱管的整體熱阻。但并非煙溫越高越好，對(duì)于鋼水熱管，出于安全考慮，運(yùn)行煙溫應(yīng)保持在250℃以下?？刂破溆嘧兞?，在不同進(jìn)口水溫下工況下，熱管傳熱系數(shù)變化規(guī)律不明顯，存在多因素共同影響的情況，需要進(jìn)一步理論和實(shí)驗(yàn)分析。