气-液型销钉热管换热器实验研究

文_程鸿 王昕 谢山样 谢庆亮 黄举福

1.国家电投集团江西电力有限公司景德镇发电厂 2. 福建龙净环保股份有限公司

热管换热器作为一种高效换热器，可将烟气取热与凝结水吸热分区设计，可确保凝结水零泄漏，实现烟气余热高效安全利用。王东峰、蔡勇等人发表的关于搪瓷热管在燃煤电厂低温省煤器中的应用表明，热管作为低温省煤器的技术和经济性是可行的。

1 实验系统及实验步骤

1.1 试验系统

本实验台主要由加热储水箱、热风燃烧炉、换热实验模块、风机、冷热水管道、冷热风风道，以及监控测点、数据采集和控制系统。

销钉热管换热器通过管板将热管蒸发侧与冷凝侧分隔在两个空间内，热管蒸发侧位于隔板下部，由烟气加热；冷凝侧位于隔板上部，由冷却水冷却，进而完成烟气与冷却水的换热。

1.2 不确定性分析

本次实验中开展了大量的数据测量工作，为保证实验数据的可靠性需要进行相关的不确定性分析，实验系统的相对不确定度为：

式中，T代表加热温度仪表读数；Q代表风速变送器读数；M代表冷却水流量仪表读数；S代表烟温及水温波动程度。

2 实验数据分析

根据测试结果，进行分析处理。对于风量、水量和温度等不稳定因素，采取多个数据取平均值，减小实验误差。传热系数K计算：

2.1 风速和水温对换热的影响

以垂直状态下水温55℃、水速0.3m/s 为例，随着风速增加，热管蒸发段外表面的紊流程度强化，雷诺数增大，热管外表面与烟气的对流换热能力加强，强化热管换热，传热系数增强，传热系数与雷诺数的变化趋势是正相关的。由于气液型换热器中主要热阻集中在烟气侧，水侧热阻相对于烟侧热阻可忽略不计，虽然水侧流速增加能强化水侧的换热强度，但对换热器整体的传热性能提升有限。

对比不同入口水温的传热系数可以发现，图1垂直倾斜10°中三条曲线的传热系数平均值大小排列并未与水温的变化呈现相对应的正向或反向规律，说明此时的热管内部的换热状态比较复杂，存在较多因素对热管的换热产生影响。

图1 垂直倾斜10°不同风速下传热系数

垂直倾斜5°不同入口水温的传热系数，水温35℃下的变风速传热系数数值比水温45℃和55℃水温下的传热系数大，后两者区别不大。说明此时在水温35℃时，换热器有较好的传热表现，在影响热管换热的众多因素中，传热温差在此时的影响最显著。

图2 为垂直布置不同水温工况下，水流速为0.3m/s 时，不同风速下的传热系数变化曲线。传热系数总体数值大小排列：水温45℃>水温35℃>水温55℃。出现该现象的原因可能是，随着冷却水温的增加，热管内工质工作温度上升，工质蒸发相变过程加剧，强化了热管内部的工质与管壁的换热能力，故传热系数上升；但是随着入口水温上升，冷热流体的之间的传热端差在减小，端差减小对传热能力的影响大于管内工质因工作温度增加所带来的换热能力增强，所以传热系数反而下降。

图2 垂直布置不同风速下传热系数

2.2 烟温对换热的影响

在风速为11m/s，水速0.3m/s 工况下，随着换热器入口烟温的升高，换热器传热系数增加明显。在数值上，入口烟温为130℃时，传热系数为44W/(m2·K)，当入口烟温达到170℃时，传热系数达到54W/(m2·K)。这是因为在其他条件不变的情况下，烟气温度越高管内工质工作温度越高，蒸汽的饱和温度越高，需要外界提供更多的热量来加热蒸发段内的工作液体，热量增加的越多，蒸发段内液体的沸腾程度也就越剧烈，沸腾汽化核心增多，沸腾加剧，从而使得汽泡成长加快，利于蒸发段的泡核沸腾传热。随着汽泡生成频率的增加，单位时间内能生成更多的汽泡，汽泡成长到一定程度后会脱离壁面，增加对边界层的扰动，从而会增强对液池的扰动，提高蒸发段的对流传热系数。从冷热流体传热端差的角度分析，其他条件不变，烟温升高，传热端差进一步加大，在未达到传热极限的情况下，热管的热阻是减小的，故传热能力加强，传热系数增加。

2.3 水速对换热的影响

换热器在11m/s 风速，不同水速工况下的传热系数随着水速的增加而增加。在水速为0.2m/s 时，传热系数值为35W/(m2·K)，当水速增加至0.45m/s 时，传热系数值为45W/(m2·K)，增加幅度为28%，当水速继续增加，传热系数相较于0.45m/s时的传热系数增加幅度并不大。

上述分析可见，随着水速增加，传热系数增加，但是当水速达到一定程度时，传热系数区域稳定。出现该现象的原因是烟气侧对流换热热阻及其他热阻基本不受水流量影响，近似维持定值，故总传热热阻存在极限值。随着水流量增大，总传热热阻逐渐减小接近极限值，水速继续增加，总传热热阻基本不变，故传热系数趋于稳定。

2.4 倾斜角对换热的影响

从不同布置方式分析，传热系数大小总体趋势排序为：垂直倾斜5°＞垂直倾斜10°＞水平倾斜10≥垂直布置。这是因为，热管倾斜后，管内液态工质从热管下半部分的蒸发段吸热变成蒸汽，并沿热管内壁上升到热管上半部分的冷凝段释放热量的冷凝液在重力的作用下可以被分解为两种流态：其中一部分冷凝液用于保证热管的回流，另一部分用于保持冷凝液对热管内壁的浸润。在这两种流态的影响下，热管内蒸汽与液态工质各行其道，因此倾斜热管可以适当提高携带极限。

对于本实验热管，当角度超过5°时，随着倾斜角度的增加，蒸汽和热管的下凹面间的液膜变厚，液膜热阻增加，蒸发强度下降，传热效果降低。

3 实验总结

对于本实验，热管在垂直倾斜5°方向具有较好的传热性能，换热器布置方式优选垂直倾斜5°。随着水速增加，热管换热器传热系数先增加后趋于平稳，说明水速对换热系数影响程度有限，对于本实验，建议水速在0.45 ～0.7m/s 之间。随着风速增加，热管传热系数增加，但是考虑到换热器设备阻力，以及设备在实际运行中的磨损，建议风速控制在10m/s 左右。随着烟气温度的增加，热管传热系数增加，主要原因是减小了热管的整体热阻。但并非烟温越高越好，对于钢水热管，出于安全考虑，运行烟温应保持在250℃以下。控制其余变量，在不同进口水温下工况下，热管传热系数变化规律不明显，存在多因素共同影响的情况，需要进一步理论和实验分析。