大型列管式GGH优化设计文献综述

 2022-10-23 10:10
{title}{title}
  1. 文献综述(或调研报告):

聚四氟乙烯(PTFE)首先是由美国杜邦公司发现,并于 1966 年制造出第一台氟塑料换热器。鉴于氟塑料良好的耐腐蚀性能,国外一些研究者开始进行氟塑料换热器在余热回收方面的研究。Jia [1]提出纵向螺旋板式氟塑料换热器,并将其应用于电厂尾部烟道中湿烟气的余热回收。Bandelier Philippe [2]指出管厚度保持在低于 100mu;m时,氟塑料换热器换热性能可以改善到与金属热交换器相当的地步。

相对于国外,我国自上世纪七十年代起对氟塑料开展研究,在近十来年逐步开始规模化推广应用,20 世纪 80 年代,我国株洲塑料厂在借鉴国外先进经验的基础上成功开发了聚全氟乙丙烯材料,并将其进一步加工制作成换热器应用于氟化盐制酸车间,替代原先利用钝化原理实现防腐的铝盘管冷却器,取得了优异的效果。张昌顺[3]通过在聚四氟乙烯材料中加入无机物、金属、金属氧化物等不同的填料以改善材料缺陷,使其综合性能得以提升。

对燃煤电站锅炉而言,排烟热损失是锅炉效率的重要影响因素[4]。研究结果表明:锅炉排烟温度每上升20℃,锅炉效率约降低1%,机组标煤耗将上升3g/(kWh)。因此国内很多电厂都投运了低温省煤器系统,以回收排烟余热,降低机组的标煤耗,提高机组的经济性。由于国内燃煤电站的煤质很差,含硫量较高且煤质多变,低温省煤器易出现金属换热器的低腐蚀问题,严重危害到机组的安全稳定运行;若要避免金属换热器的低温酸腐蚀问题,则无法有效地实现排烟余热的充分利用。在使用金属换热器受到低温酸腐蚀问题限制的情况下,氟塑料换热器以其超强的耐腐蚀能力、传热系数大、换热器使用寿命长、相同负荷下换热器重量轻等特点。

目前,用于氟塑料换热器的材料主要有聚四氟乙烯 (PTFE),四氟乙烯与全氟代烷基乙烯基醚共聚物(PFA)和聚全氟代乙丙烯(FEP)[5]

与金属换热器相比,氟塑料换热器具有以下显著优点[6]

(1)传热面积与体积比高,比金属换热器高出一到几个数量级。且氟塑料换热管的密度很小,仅为2.15times;103kg/m3,约为金属换热管的27%。因此,在相同的换热面积要求下,氟塑料换热器的重量远小于金属换热器。

(2)耐腐蚀性强,适用于各种强酸、强碱类强腐蚀条件。作为烟气换热器使用时,不存在换热器的低温酸腐蚀问题。

(3)氟塑料管摩擦系数小,流动阻力小,不易发生堵塞。

(4)氟塑料换热器可在250℃以下的环境内长期使用,使用寿命在15年以上。

氟塑料管式GGH系统如图1所示。该系统是在吸收塔出口烟道上设置一级管壳式换热器,并将吸收塔前原烟气烟道连接至换热器的管侧。该管壳式换热管材质为氟塑料换热管,且换热器的壳体及支撑等部件均由氟塑料材质包覆。具体运行时,未经脱硫的原烟气流经管壳式换热器的管程,加热吸收塔出口净烟气后,进入脱硫系统进行脱硫,而吸收塔出口净烟气则在吸收原烟气热量后,升温至排放标准后经烟囱排入大气。

图1 管式GGH系统示意图

氟塑料管式GGH系统仅增加一套管式GGH设备,系统新增的阻力较小,除引风机外,不会对其他设备带来任何影响,因此该系统对机组的运行带来的影响较小;此外,氟塑料换热管材质在净烟气的运行环境中,不会出现磨损以及泄漏等问题。但为减小系统的烟气侧阻力,保证机组的安全稳定运行,必须选择较大管径的氟塑料换热管,因此氟塑料管式GGH的换热器体积较大,占地面积较大,其安装空间受电厂实际条件的限制。

但在实际运行中,换热器进口流量分布受到烟道结构、换热器封头和导流片结构的影响,而由于氟塑料列管式GGH体积较大,因此使得换热器进口流速分布更难以达到均匀状态,流量均匀分布仅仅是一种理想工况。

Hassan et al[7]通过构建换热器利用效率和运行年成本的适应函数,对非均匀入口下的板翅式交叉流换热器进行了建模和有优化,并将进口速度为线型、抛物型及幂函数型式的换热状况与均匀入口条件下的换热器效率进行比较。结果显示,当采用幂函数型入口条件时换热器的换热效率减少百分比最小;Blecich et al [8]通过对管翅式换热器在空气进口流量分配不均匀的换热性能研究,发现空气侧的流量分布不均匀将导致换热器的换热效率下降,而且同时会引起换热器的阻力增加;Yaici et al[9]通过三维(3D)计算流体动力学(CFD)模拟,得到了进口气流分布不均匀对换热器的换热性能的影响的数值模拟结果,并证明了进口流体流动不均匀对换热器效率有重要的影响。

杨继虎[10]在对电厂氟塑料GGH换热器的换热温差研究分析中发现,液相介质温度的最优值与介质的温升、烟气冷却器和烟气加热器的换热系数比、烟气冷却器和烟气加热器的换热效率有关,随着液相循环介质温升的增大,液相介质初始温度的最优解减小;随着烟气冷却器和烟气加热器换热系数比的增大,液相介质初始温度的最优解增大;随着烟气冷却器和烟气加热器换热效率的增大,液相循环介质初始温度最优解增大;不考虑换热损失,选择液相循环介质最佳优化温度可使液相循环介质GGH总传热面积减少。

陈袁[11]在对氟塑料换热器的换热及流动特性的研究中发现,使用茹卡乌斯卡斯关联式计算氟塑料换热器的换热系数时误差较大。分析可知,当10lt;Relt;1.5times;105时,边界层为层流状态时,脱体发生在psi;=80°~85°区域(如图2所示),此时层流边界层占圆管总换热面积的47%。圆管表面越粗糙,在层流边界层中引起的附加扰动越强烈,越有利于通过边界层换热。普通钢管绝对粗糙度为0.4mm,氟塑料圆管绝对粗糙度0.17mm。在同等Re下,普通钢管对层流边界层内的附加扰动更强烈,单根普通钢管的管外传热系数远高于表面光滑的氟塑料圆管。对于换热管束,由于前排管束对空气的扰动,后排管束边界层会变形变薄,但层流边界层依旧存在。因此,普通钢材管束的管外传热系数高于表面光滑的氟塑料换热管束。茹卡乌斯卡斯空气横掠顺排管束的关联式是由普通管材总结提炼,最终导致氟塑料换热器管外传热系数校核计算值高于实验值

图2 流体横掠圆管边界层分离

四、总结:

在文献中有针对这些问题的方法与技术。用氟塑料做换热器与其他材料相比有着很多的优势,它的传热面积与体积比高,耐腐蚀性强,传热系数大等优势,就可以有效地防止腐蚀和提高传热效率,在使用金属换热器受到低温酸腐蚀问题限制的情况下,氟塑料换热器以其超强的耐腐蚀能力、传热系数大、换热器使用寿命长、相同负荷下换热器重量轻等特点。GGH换热器,较为广泛地应用于火电厂湿法烟气脱硫工艺,在脱硫防腐蚀上有着显著的优势,在换热器的处理上更为方便。在换热器的优化上还需要用到冷凝装置,低低温烟气处理使得烟气中水汽过饱和析出形成凝结水,避免烟温过高,遏制烟囱出口白色烟羽的形成。为改善中国目前的环境问题,列管式GGH换热器还需要进一步的优化。在换热器的优化设计中有许多问题存在,入口烟气温度不均导致的换热效率下降,材料的腐蚀问题,传热温差的问题。

参考文献

[1] Jia L, Peng X F, Sun J D, Chen T B. An experimental study on vapor condensation of wet flue gas in a plastic heat exchanger[J]. Heat Transfer—Asian Research, 2001,30(7): 571–580.

[2] Bandelier P, Deronzier J C, Lauro F: Plastic heat exchangers, Design and Operation of Heat Exchangers: Springer, 1992: 201-209.

[3] 张昌顺.锅炉烟气余热利用系统流程优化及关键设备实验[D]. 华北电力大学, 2014.

[4] 徐钢,许诚,杨勇平,等.电站锅炉余热深度利用及尾部受热面综合优化[J].中国电机工程学报,2013,33(14):1-8.

[5] 王岩. 氟塑料低温省煤器在燃煤电站的应用[J]. 能源与节能,2013,(5):119-120

[6]田鑫,胡清. 氟塑料换热器技术在燃煤电厂的应用现状及前景分析.发电技术[J] ,2015(36):15-17.

[7] Hassan Hajabdollahi, Sajjad Seifoori. Effect of flow maldistribution on the optimal design of a cross flow heat exchanger[J]. International Journal of Thermal Sciences ,2016,109:242-252.

[8] Blecich Paolo. Experimental investigation of the effects of airflow nonuniformity on performance of a fin-and-tube heat exchanger [J]. Internation Journal Refrigeration, 2015,59:65-74.

[9] Yaiuml;ci Wahiba, Ghorab Mohamed, Entchev Evgueniy. 3D CFD analysis of the effect of inlet air flow maldistribution on the fluid flow and heat transfer performances of plate-fin-and-tube laminar heat exchangers[J]. International Journal Heat Mass Transfer, 2014,74:490-500.

[10]杨继虎,孙志坚,胡亚才.电厂GGH氟塑钢换热器传热温差的优化设计的研究

[11] 陈袁. 氟塑料换热器传热模型优化及模块化布置. 北京:华北电力大学[D], 2017.

以上是毕业论文文献综述,课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。