熱管分體式氣—氣加熱器換熱試驗研究

李永田 吳平堂(東華大學，上海 200051)

熱管分體式氣—氣加熱器換熱試驗研究

李永田 吳平堂
(東華大學，上海 200051)

熱管分體式氣—氣加熱器(Heat Pipe Gas-gas Heater，簡稱HGGH)是一類應用廣泛的氣體再熱設備。為驗證HGGH的換熱能力，根據相似原理對試驗模型進行換熱性能熱工測試及結果分析。通過對測試結果的分析與計算，得到受檢試驗模型的對流換熱系數取值范圍，對理論模擬結果起到驗證的作用，也為HGGH的市場推廣提供了可靠的技術支撐。

氣—氣加熱器；相似理論；換熱系數

1 試驗目的

據統計，世界已經投運或正在計劃建設的脫硫系統中，濕法煙氣脫硫技術占 80% 左右[1]，經濕法FGD(Flue gas desulfurization，脫硫煙氣)處理后，煙氣溫度低、流速大造成石膏雨現象明顯[2]，通常FGD需配套GGH(Heat pipe Gas-gas Heater，煙氣—煙氣加熱器)來保證煙氣合理擴散[3]，市場對GGH有需求。GGH尚未實現國產化，存在造價高、漏風系數大、維修維護不便等不足。為此，利用熱管技術為基礎研發出一款熱管分體式氣—氣加熱器(Heat pipe Gas-gas Heater，簡稱HGGH)替代進口大有可為[4]。

HGGH是類似熱媒管式煙氣加熱器( Medium Gas-gas Heater，簡稱 MGGH)，MGGH通過熱媒介質將鍋爐原煙氣(原煙氣指從鍋爐排除未經脫硫的煙氣，凈煙氣指經過脫硫后的煙氣)和輔助蒸汽的熱量傳遞給脫硫塔出口的低溫煙氣5。而HGGH無需輔助蒸汽，具有相對節能優勢，其核心結構由蒸發管束、冷凝管束、上升管、下降管構成。為了驗證理論模擬結果，了解HGGH的換熱能力，對受檢試驗模型進行換熱性能熱工測試，并求得對流換熱系數。對流換熱系數是指當流體與傳熱表面之間的溫度差為1℃時，單位壁面面積在單位時間內所能傳遞的熱量，是換熱設備換熱能力的體現，反映對流換熱的強弱，所以，計算出HGGH的對流換熱系數即可判斷該受檢試驗模型的換熱能力，驗證理論模擬結果，并利用相似原理的知識，設計實際工程所需的HGGH，達到試驗的目的。

2 試驗任務及方法

2.1 實驗任務

為了計算出對HGGH的對流換熱系數k，列出計算所需的熱平衡方程：

式中：Φh為原煙氣放熱量，kW；ΦC為凈煙氣吸熱量，kW；Φ為平均換熱量，kW；Δtm為對數平均溫度，℃。

為求得式(1)-(5)各平衡式中各參數得數值，需采用直接法與間接法獲取如下參數值：

2)原煙氣與凈煙氣的進出口溫度th1、th2、tC1、TC2；

3)原煙氣與凈煙氣的實際流速υPh、υPC；

4)原煙氣與凈煙氣的體積比容CPh、CPC；

5)原煙氣與凈煙氣中O2、CO2、H2O、N2、SO2組份的濃度測定；

6)選取系統熱損失系數ηC，校準對流換熱系數。

2.2 試驗數據測量方法

試驗需要測定混合煙氣的流量、溫度，以及混合煙氣組分N2、O2、CO2、SO2、水分(水蒸汽)、灰分濃度。

2.3 測試工藝流程

利用相似原理的特性來指導模化試驗，模化試驗是指不同于實物幾何尺度的模型來研究實際裝置中所進行的物理過程的試驗[6]。目前，未經濕法煙氣脫硫裝置處理的煙氣溫度一般在120℃以上，經過CFD后，日本和歐洲一些國家通常將排煙溫度加熱到80℃以上[8]。根據需要選擇試驗流程。見圖1。

圖1 試驗流程

測試工藝流程系統由燃燒煙氣發生器、煙氣調節室、FDG吸收塔、氣-氣加熱器、煙道系統及所需的實驗測量設備等部分構成。

2.4 增量煙氣的計算

為獲得與FGD成分一致、溫度接近的模擬煙氣，以柴油與空氣通過燃燒器混和、霧化、燃燒并吹入未脫硫煙氣。根據柴油理論燃燒方程：

燃燒1mol柴油造成煙氣增量為：ΔV=22.4×(11+6-14)/1000=0.0672Nm3

式中：22.4為理想氣體摩爾體積，L/mol；C11H11為實測柴油混合物折合后化學分子式，近似分子量為144。

經調試，獲得原煙氣模擬氣體，需混未脫硫煙氣體積約2000Nm3/h，柴油耗量約為15L/h。選用的柴油密度為0.84kg/L，得柴油耗量87.5mol/h，煙氣增量為5.88Nm3/h，增量百分比約為5.88/2000=0.294% (0.294%<0.5%，不考慮柴油燃燒引起的體積增量，以實測數據為準)。

3 數據測量及整理

3.1 煙氣流量測定

3.2 煙氣流速

利用風速儀直接測得煙道內煙氣流速。測定結果顯示，煙氣流速狀況較為平穩，測量值波動在測量系統誤差范圍內。原煙氣平均流速為12.30m/s，根據HGGH幾何結構尺寸數據(表3)計算得模型近似阻擋系數25/66=38%，則實際流速為υh=7.626m/s；凈煙氣平均流速為13.00m/s，近似阻擋系數25/66=38%，則實際流速為υC=8.06m/s。

3.3 煙氣各組分測定

3.3.1 SO2濃度測定

3.3.2 O2的測定

原、凈煙氣中的測量值則表現較為平穩，對于O2濃度，均恒定在6%～7%范圍內，其中：原煙氣中O2平均濃度為VhO2=6.2%；凈煙氣中O2平均濃度為。VCO2=6.15%。

3.3.3 水蒸汽測定

原煙氣因溫度較高，噴入煙道中的霧化水迅速被氣化，攜水能力較大，為未飽和煙氣，利用干濕球法測得含濕量約為104.46g/Nm3，換算成濃度為VhH2O=13%。

凈煙氣因經過脫硫塔洗滌，煙氣為過飽和煙氣，采取冷凝法測得，懸浮液滴約為0.5g/Nm3，則含水汽量約為144.8g/Nm3，換算成濃度為VhH2O=18.02%[8]。

3.3.4 CO2的測定

脫硫煙氣中CO2的濃度為2.88%；根據式(6)可求得，柴油燃燒增加的CO2濃度為1.06%；求和得到原煙氣中CO2的濃度為VhCO2=3.94%；忽略溶解在脫硫塔混合液中的CO2，同理，求得凈煙氣中CO2的濃度為VCCO2=3.72%。

3.3.5 N2的測定

對于原煙氣而言，N2濃度為VhNO2=1-VhSO2-VhO2-VhH2O-VhCO2=76.755%；

對于凈煙氣而言，N2濃度為VCNO2=1-VVSO2-VCO2-VCH2O-VCCO2=72.068%。

3.4 溫度數據測定

3.4.1 HGGH進出口煙氣溫度測定

在蒸發管束、冷凝管束進口平穩氣流段，設置4處每處3個，合計12個測溫點，且每30分鐘記錄一次數值。 用T1—T12表示，對應關系見表1。

表1 測溫點分配表

3.4.2 環路單元壁溫度測定

對于蒸發管束，八組熱交換管上的溫度測點自上而下設置為B1-B8；對應到冷凝管束，相應環路單元的測點編號分別為A1-A8，且A5-B5、A8-B8為未充介質的對照組。實驗中所記錄各測點的溫度值，見表2。

該數據反映了熱量在換熱管環路單元傳熱時的損失情況，說明除B1-A1、B6-A6及對照組各環路單元外，其余各環路單元可能存在不同程度缺陷，其中A2-B2組數據異常。

表2 壁溫及對應點溫差記錄表

4 求取換熱系數計算

4.1 換熱器結構參數

為便于查取數據，了解HGGH主要幾何結構尺寸，將其結構數據匯總，見表3。

表3 HGGH結構參數

注：16=8×2指縱向8組，每組2排，合計縱向16排。

4.2 對流換熱系數計算

4.2.1 求混合煙氣比熱

查取原煙氣、凈煙氣接近定性溫度(400k、300k)的各組分近似比熱[9](未計入粉塵與CO，實際存在，限于檢驗儀器精度，未測出)，見表4。

表4 組分比熱容 kJ/kg/k

將章節2.3.1-2.3.5各步驟測得體積濃度進行匯總，見表5。

表5 體積濃度 %

結合表4、表5數據，求取原煙氣的體積比容ChP為：

ChP=CPSO2×VhSO2+CPO2×VhO2+CPCO2×VhCO2+CPH2O×VhH2O+CPN2×VhN2=1.16kJ/(Nm3·k)

結合表4、表5數據，求取凈煙氣的體積比容為：

CCP=CPSO2×VCSO2+CCO2×VCO2+CPCO2×VhCO2+CPH2O×VCH2O+CPN2×VCN2=1.203kJ/(Nm3·℃)

4.2.2 求對流換熱系數

根據換熱平衡方程式(2) 、(3)、(5) ，并帶入相應數值得：

=26.15kW；

=25.3066kW；

求對數溫差：

根據式(1)，并帶入數值得：

℃)

5 試驗結論

(1)要保證HGGH各環路單元工作性能穩定，須要在制造過程中，對真空度、介質成分、介質充裝量、配比等影響質量的各個因素進行嚴格控制。

(2)在試驗給定的特征數下，換熱系數取值可接近65.63W/(m2·℃)取值。

(3)實際流速為7.626m/s與8.06m/s，符合換熱設備選用的實際流速7～12m/s取值范圍。

(4)一定程度上，解決了酸腐蝕和結垢問題，更適合濕法煙氣脫硫系統，且HGGH可實現分體安裝，相對蓄熱式GGH具備技術競爭優勢[10]。

(5)A2-B2組數據異常，經檢查為溫度傳感器損壞。

(6)若通過改變流量、煙氣進口溫度，測定多組換熱系數k1，k2，…，kn，可擬合出該特征數下的努塞爾數準則方程中Nu=CRemPRn的C、m、n。

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Study of Split-Type Heat Pipe of Gas-Gas Heater Heat Transfer Experiment

LI Yongtian WU Pingtang
(Dong Hua University，shanghai 200051，China)

Split-type heat pipe gas - gas heater (HGGH in abbreviation) is a widely applied type of gas reheat. In order to verify the heat transfer ability of HGGH ，according to the Similar Principle，to test the model of its heat transfer performance and to analyze the results. Base on the analysis and calculation of test data，the heat transfer coefficient value range of test model is been calculated，The purpose of verifying the theoretical calculation these results will give a reliable technical support for HGGH's market promotion.

HGGH；similarity theory；heat transfer coefficient

李永田，高級職稱，主要從事工業節能、能效分析及工程管理

X773/TK39

A

1673-288X(2017)01-0098-04

引用文獻格式：李永田.熱管分體式氣—氣加熱器換熱試驗研究[J].環境與可持續發展，2017，42(1)：98-101.