燃氣鍋爐冷凝換熱器研究進展

郭義文，王 謙，徐瑞聰

（鄭州輕工業學院，河南 鄭州 450002）

燃氣鍋爐冷凝換熱器研究進展

郭義文，王 謙，徐瑞聰

（鄭州輕工業學院，河南 鄭州 450002）

冷凝換熱器作為燃氣鍋爐余熱回收的重要裝置，在提高能源利用效率和節能減排方面起到了非常重要的作用。從強化冷凝換熱器的防腐性能和提升冷凝換熱器的傳熱傳質強化技術等方面入手，闡述了國內外的研究進展，指出了研發具有防腐功能的高效冷凝換熱器是未來研究的重點，可以從研制更高效的傳熱翅片，對冷凝換熱規律進行進一步的研究開始。

冷凝換熱器；防腐性能；強化傳熱；余熱回收

隨著我國能源結構調整的不斷深化，西氣東輸工程的不斷推進，節能減排政策的逐步實施，提高天然氣的利用水平，降低鍋爐排煙熱損失，提高其余熱利用效率，已經成為節能環保工作中重要的研究課題。燃氣鍋爐因具有分布式、小型化的優點，將逐漸成為燃氣供熱供暖鍋爐的主流。如果在燃氣鍋爐的尾部增設冷凝換熱器，將排煙溫度降到煙氣露點溫度以下，即可回收煙氣顯熱和煙氣冷凝水蒸氣的潛熱。

國內外學者在燃氣鍋爐余熱回收裝置優化方面開展了大量工作，比如增強冷凝換熱器的防腐性能，提升冷凝換熱器的傳熱傳質強化技術。這些研究對于冷凝換熱器的優化發展，提升冷凝換熱器的效率和節能降耗有著非常重要的意義。下面就從冷凝換熱器防腐和強化傳熱方面進行相關闡述，以期為日后的相關工作提供參考。

1 增強冷凝換熱器的防腐性能

防腐鍍膜對冷凝換熱器的換熱性能有較大的影響，導熱性能好的材料防腐性能一般也比較差，所以，解決這個問題理想的辦法就是在冷凝換熱器表面鍍導熱性能好的防腐鍍層。吳媛媛等[1]研究了3種不同材料防腐層的冷凝換熱器的換熱性能，得出非晶態鎳磷復合化學鍍層+有機涂層冷凝換熱器有較好的換熱性能。由此可知，合理的鍍層選擇能有效增強冷凝換熱器的綜合性能。

Retschitzegger等[2]對生物質鍋爐低溫腐蝕進行了研究，指出可通過提高余熱鍋爐冷凝換熱器的給水溫度，或者在冷凝換熱器或經濟器上添加防腐涂層來減少火管鍋爐的腐蝕。文獻[3]對具有PTFE涂層的冷凝換熱器的換熱性能進行研究，發現增大煙氣進口溫度與壁面的溫差，或者冷卻水流量的增加，對傳熱加強有一定的作用。同時，冷卻水進口溫度升高，會導致傳熱溫差減小，傳熱減弱。此外，二氧化硫濃度的增加會導致煙氣露點溫度的升高，對冷凝換熱有一定影響。通過對比復合材料涂層對流凝結換熱的影響，發現煙氣中水蒸氣含量比較高時，比水蒸氣含量比較低時的換熱性能強。陽利軍[4]研究了鍍層加涂層的復合表面處理技術與燃氣冷凝換熱器的腐蝕問題。通過對比Ni-Cu-P、Ni-Mo-P和Ni-W-P三元合金鍍層及Ni-P鍍層的防腐性能，發現Ni-Cu-P鍍層的耐腐蝕性能最強，最適合做銅質冷凝換熱器的保護鍍層。程延海[5]研究了換熱設備Ni-P鍍層與膜狀凝結問題，指出Ni-P鍍層的化學成分僅與主鹽和還原劑的濃度有關，與絡合劑濃度無關。同時，Ni-P鍍層具有明顯促進珠狀凝結的效果，在凝結過程中表現為珠膜共存狀態，Ni-P鍍層對換熱器的換熱性能也有一定的提高作用。此外，對于鍍層管，增大非晶相含量可以提高其傳熱性能。

2 冷凝換熱器的傳熱傳質強化技術

上述文獻表明，換熱器防腐性能的提升有助于保持燃氣鍋爐冷凝換熱器傳熱的穩定性。而在強化傳熱方面，合理的換熱器設計也能夠有效提升冷凝換熱器的換熱性能。

Seok等[6]研究了不銹鋼冷凝換熱器不同表面粗糙度對冷凝傳熱系數的影響。結果表明，不同的粗糙表面對換熱器傳熱系數的影響比較大，在研究范圍內存在一個最佳的粗糙度。另外，親水性的表面能夠強化傳熱。Galashov等[7]通過對熱電廠余熱回收鍋爐換熱器設計方法的研究，指出應用水蒸氣冷凝技術可以使煙氣排放溫度從加鍋爐前的100℃降低到40℃，聯合循環效率顯著提高。針對冷凝換熱器，Wang等[8]提出了一種新型左右對稱的內翅片管。這種翅片管能夠有效降低徑向溫度梯度，減小不凝氣體層厚度，顯著提高煙氣冷凝中的水蒸氣含量，從而有效強化對流傳熱。

R?czka等[9]對煙氣中含有和不含有水蒸氣的冷凝換熱器的算法分別進行研究，指出相比Colburn-Hobler算法，使用VDI算法可以更精確地計算出冷凝換熱器的傳熱面積，傳熱面積比原來減小了28%.

Li等[10]對高溫煙氣的余熱回收進行了研究，提出了FEC-HP方法。這種方法采用噴霧冷卻直接傳熱，間接避免了換熱器的低溫腐蝕和積垢，可有效回收煙氣中的水蒸氣，突破了煙氣余熱回收領域的技術瓶頸，達到了煙氣余熱回收的極限。

Bao等[11]研究了一種由納米多孔膜管束制成的運輸膜式冷凝器。該研究可用于回收鍋爐煙氣中的水蒸氣及其潛熱，以提高鍋爐的整體運行效率。

張春蕾[12]研制1 t鍋爐用冷凝換熱器樣機，發現該樣機可以提高9%的鍋爐運行效率，燃氣鍋爐熱效率按低熱值計可達到103%，每天每噸鍋爐還產生約1 t的凝結水。測試樣機，發現供熱回水溫度和煙氣Re對換熱的影響規律?；厮疁囟葟?5.2℃降到32.5℃可使水的溫升提高43.78%，使換熱器吸熱量提高44.34%，使換熱器的傳熱系數提高31.67%.通過實驗，得出換熱實驗準則關聯式為：Nu＝0.679 9Re0.5J0.48.該式適用于Re＝288～370，J＝0.6～0.9.

張志宏[13-14]對盤管式冷凝換熱器傳熱和流動性能進行研究，采用數值模擬的方法比較了無冷凝的換熱器和盤管式冷凝式換熱器的熱效率，分析影響換熱器性能的主要因素。結果表明，換熱器流體流速和換熱器盤管間距均對換熱性能有較大影響，優化換熱器性能可從換熱器本身和流體流動2個方面著手。

鄂璟玉[15]通過分析燃氣鍋爐煙氣特征，研究直接冷凝技術和間接接觸冷凝技術對鍋爐系統熱利用率的影響，發現直接冷凝技術與間接接觸冷凝技術相比，可以實現水和煙氣的直接傳熱，有效提高熱效率，成本較低，同時，它可避免積塵，適用于水與煙氣溫差比較小的熱傳遞。因此，在設計冷凝換熱器時，應該綜合考慮使用條件，選用合理的冷凝方式。

沈雅鈞等[16]對幾種不同形式翅片管的強化傳熱機理及其在冷凝中的應用現狀進行了詳細研究，結果表明，翅片管與光管相比，可通過破壞層流邊界層強化換熱，同樣負荷下所需的冷凝換熱器面積更小。此外，結垢問題并沒有更嚴重。

劉民科[17]通過對新型復合防腐表面冷凝換熱器煙氣側對流凝結換熱規律進行實驗研究，發現煙氣在新型防腐復合表面凝結為珠狀凝結。實驗得出煙氣受迫對流凝結換熱的實驗準則關聯式為：Nu＝2.658 6Re0.5J0.494.該式適用于Re＝4 797～6 815，J＝0.093～23.894.通過實驗得出，煙氣側對流凝結換熱實驗準則關聯式為：Nu＝1.848Re0.4J0.43.該式適用于Re＝142～367，J＝0.18～5.27，Re0.4J0.43＝4.86～17.6.

仝勇昂[18]研究天然氣煙氣冷凝換熱過程，發現較小的過量空氣系數對冷凝換熱具有促進作用。此外，利用無量綱溫度Ln表征冷凝換熱過程，總結出煙氣側努謝爾數準則關聯式為：Nu＝0.249 1Re0.7167Pr1/3Ln0.8203（6 000＜Re＜15 000，0.6＜Pr＜1.8）.

周帥[19]研究燃氣鍋爐煙氣余熱冷凝回收過程，發現排煙溫度分別為50℃、40℃和30℃時，煙氣中水蒸氣冷凝比例為28.78%，57.42%和75.51%.所以，為了提高余熱回收效率，應使排煙溫度保持在50℃以下。

3 結論

由文中分析可以看出，目前，燃氣鍋爐冷凝換熱器的研究主要集中在增強冷凝換熱器的防腐性能和提升冷凝換熱器的傳熱傳質強化技術兩大方面。當前的研究工作表明，開發出具有防腐功能的高效冷凝換熱器是未來研究的重點，可以通過研發新型翅片，進一步總結歸納換熱規律來對冷凝換熱器進行進一步的優化改良。

［1］吳媛媛，王隨林，潘樹源，等.不同防腐層煙氣冷凝換熱器性能實驗研究［J］.煤氣與熱力，2010，30（3）：20-24.

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［18］仝勇昂.燃氣鍋爐煙氣冷凝換熱實驗研究及分析［D］.重慶：重慶大學，2015.

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郭義文（1968—），男，河南夏邑人，二級技師，主要從事鍋爐系統節能方面的研究。王謙（1994—），男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事換熱器節能方面的研究。徐瑞聰（1994—），女，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事制冷設備節能方面的研究。

〔編輯：白潔〕

TK229.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.018

2095-6835（2017）24-0018-03