重力式热管换热器串联组件的实验研究

在低温烟气余热回收系统中,低温酸露点腐蚀是一件非常令人棘手的问题。目前解决低温酸露点腐蚀的方法主要有两种,一是换热器表面涂防腐涂料,二是换热器选用不锈钢等抗腐材料。对于采用表面涂料的方法,缺点是换热热阻增加,其体积增大。而且换热器运行一定时间后,烟气中的粉尘会把防腐涂料磨薄磨掉,从而引起换热器局部暴露。局部腐蚀后,整台换热器也就不能正常运行了。对于选用不锈钢等抗腐材料,其缺点不仅是造价高,而且由于低温的存在,换热器表面凝结的酸液会吸附大量的烟尘,从而引起换热器表面积灰加速加重,最终导致换热能力下降,换热器不能正常运行。由酸液引起的积灰,通常是很难清除的。
　　综上所述,低温烟气酸露点引发的问题,就是在低温下凝结的酸液导致换热器损坏或能力下降,致使换热器工作不正常。因此,解决低温烟气酸露点问题,本质就是解决烟气的低温问题。本文正是立足于这个着眼点,结合热管的优越特性,提出串联热管组件的设想,并通过实验证实此设想是行之有效的。
2 组件结构及原理
　　串行热管连接组件结构如图1所示。由图1可以看出,串联热管组件是把若干根单个重力式热管的两端并联起来,因此,各热管之间是连通的,其内部工质可以相互交换。也就是说,与单根热管相比,组件单根热管截面流量一般不为零。在烟气入口侧(前部热管),由于烟气温度较高,管内蒸发段能够产生较多的蒸汽。这些蒸汽一部分在冷凝段凝结返回到蒸发段,其余的蒸汽则通过顶部连接管流向蒸汽产量较小但冷凝能力较大的后部热管,在后部热管的冷凝段凝结后通过底部连接管返回至前部热管。因此,与单个热管相比,组件前后热管内部工质的强烈交换,使得前部热管工质温度降低,但后部热管工质温度却提高了。而且由于组件热管间的工质强烈交换,整个组件内的工质温度也几乎相等。

　　

　　另外,根据热管热阻的特点可知,热管壁温与工质温度较为接近,因此整个热管组件的壁温也就几乎相等了。同样,与单个热管相比,前部热管壁温虽然降低了,但后部热管壁温却得到提高。通常换热器尾部壁温较低,容易腐蚀。但本组件尾部壁温较高,就能够阻止烟气中酸液的形成,从而保护了换热器不被腐蚀。
3 实验方法
　　在本实验中,用一台风机将空气分别送至换热器的加热段和冷却段。为了能得到一定温度的热风,冷空气在进入加热段前由一台电炉加热。在每根热管的冷却段和加热段均焊结一支热电偶,以测取热管壁温。在相同的实验条件下,比较了两种不同结构换热器热管壁温分布,即本文提出的串联热管组件换热器及由单个热管组成的换热器。两种结构换热器里的热管排列方式均为4×4,每根热管均焊有翅片。在实验过程中,首先将冷热风的流量调至相等,然后再调节电炉功率,使进入换热器的热风具有一定的温度,当换热器出口风温稳定时,就可以测取热管壁温了。本实验风量的变化范围为80～158ｍ3/ｈ,入口热风温度变化范围为160～240℃。
4 实验结果及讨论
　　将实验结果绘制成曲线,如图2至图5所示。图2和图3表示了两种不同结构的热管换热器在相同的操作条件下的温度分布情况。由此可知,对于单个热管换热器而言,热管壁温沿热风流动方向大幅度地降低,而串联热管组件换热器中的热管壁温几乎保持着相同的温度,后者尾部(横坐标4)热管壁温要比前者高约27℃。实验证明了本文设想及理论分析的正确性。


　　


　　

　　尾部热管壁温与流量、入口热风温度的关系见图4和图5。由此可知,尾部热管壁面温度与流量无关,仅与入口热风温度有着密切的关系。当入口热风温度为180℃时,组件热管尾部热管壁温仍高于120℃,而重力式热管换热器尾部热管壁温度在热风入口温度为200℃时,才约115℃。而且入口热风温度每降低20℃,尾部热管壁温将降低约10℃。在相同的操作条件下两种结构的换热器尾部热管壁温相差25～29℃5　结论在理论分析及实验的基础上,所得结论如下:(1)尾部壁温仅与热风入口温度有关,而与流量无关。(2)入口热风温度每降低20℃,尾部热管壁温将降低约10℃。(3)在相同的操作条件下,串联热管组件尾部热管壁温具有较高的温度,因而能够较好地抵抗低温酸露点腐蚀。
 

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