搪瓷板式空氣預(yù)熱器傳熱和阻力特性測試

王健，李傳凱，鄭軍如，何新土

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108；2.上海齊耀熱能工程有限公司，上海201108）

搪瓷板式空氣預(yù)熱器傳熱和阻力特性測試

王健1,2，李傳凱1,2，鄭軍如1,2，何新土1,2

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海201108；2.上海齊耀熱能工程有限公司，上海201108）

通過采用熱風(fēng)爐模擬工業(yè)產(chǎn)生的煙氣，對一種搪瓷板式空氣預(yù)熱器進行換熱和阻力性能實驗。應(yīng)用等雷諾數(shù)法的改進方法即直接公式推導(dǎo)法擬合出該型空預(yù)器的換熱關(guān)聯(lián)式，應(yīng)用相似原理擬合出該型空預(yù)器的阻力關(guān)聯(lián)式。此研究可為搪瓷板式空氣預(yù)熱器的工業(yè)化設(shè)計和選型提供參考和依據(jù)。

搪瓷板式空氣預(yù)熱器；傳熱關(guān)聯(lián)式；阻力關(guān)聯(lián)式

搪瓷板式空氣預(yù)熱器是一種充分利用煙氣余熱，加熱助燃空氣的抗腐蝕節(jié)能設(shè)備。搪瓷板式空氣預(yù)熱器既繼承了板式空氣預(yù)熱器傳熱系數(shù)高、占地面積小、重量輕、壓降小和對數(shù)平均溫差大的特點，又繼承了搪瓷表面光滑不易積灰和耐低溫腐蝕的特點[1-3]。搪瓷板式空氣預(yù)熱器的核心部件是涂搪的換熱板片，板片的型式和搪瓷的質(zhì)量影響著空預(yù)器的換熱性能和阻力大小。

石化企業(yè)對鍋爐熱效率的要求不斷提高，甚至需要將排煙溫度降低到100℃以下，這就使得空氣預(yù)熱器無法避開低溫酸露點腐蝕的問題，板式空氣預(yù)熱器作為余熱回收的一種新型設(shè)備，在石油煉化行業(yè)中得到越來越廣泛的使用，焊接型搪瓷換熱元件能夠從根本上解決空預(yù)器換熱元件腐蝕、積灰、漏風(fēng)等問題，延長設(shè)備的檢修周期，從而降低設(shè)備的運行成本，提高石化企業(yè)的綜合效益。

本文以試驗為基礎(chǔ)，通過不同的試驗工況，找出換熱系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系、壓降和雷諾數(shù)的關(guān)系，同時擬合出搪瓷板式空氣預(yù)熱器的傳熱和阻力關(guān)聯(lián)式，為工業(yè)化設(shè)計選型提供參考和依據(jù)。

1 實驗方案

為更接近加熱爐實際使用工況，本實驗采用實際比例的搪瓷板式空氣預(yù)熱器，其外形尺寸長1 546 mm，寬1 260 mm，高1 320mm，建立大型試驗臺，如圖1和圖2所示。該搪瓷板式空氣預(yù)熱器是一種整體灌封式的全搪瓷通道板式換熱器，它包括多個相互平行的板管，每個板管由兩個板片左右對焊而成，然后將板管的內(nèi)表面和外表面全部搪瓷，其中內(nèi)部為空氣通道，外側(cè)為煙氣通道，空氣左進右出，煙氣上下進出。搪瓷空預(yù)器的其它相關(guān)尺寸如表1所示。

圖1 搪瓷板式空氣預(yù)熱器

圖2 搪瓷板式空氣預(yù)熱器試驗臺

表1 搪瓷空預(yù)器尺寸

本試驗介質(zhì)為空氣和煙氣，流量7 000～25 000 m3/h，流速2～12m/s，溫度10～310℃。煙氣由熱風(fēng)爐產(chǎn)生，該熱風(fēng)爐采用旋流式燃燒器，燃料為柴油。為適應(yīng)實驗工況燃燒器布置了點火燃油噴嘴和大火燃油噴嘴，其中點火燃油噴嘴采用壓力機械霧化，霧化壓力為0.65MPa，大火燃油噴嘴采用空氣介質(zhì)霧化，霧化壓力為0.6MPa。

試驗裝置系統(tǒng)圖如圖3所示，主要包括搪瓷空預(yù)器測試元件、鼓風(fēng)機、文丘里流量計、熱風(fēng)爐、燃燒器、油泵、儲油罐、空壓機、測溫測壓儀表、連接管道、閥門、在線數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)、熄火保護和報警聯(lián)鎖等。

圖3 試驗裝置系統(tǒng)示意圖

實驗時由鼓風(fēng)機產(chǎn)生的冷風(fēng)進入空預(yù)器的空氣進口，經(jīng)過加熱后的空氣一部分給燃燒器配風(fēng)，一部分與熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱煙氣混合進入空預(yù)器的煙氣進口，同時空預(yù)器的空氣側(cè)有一條旁路用來調(diào)節(jié)煙氣量和空氣量的比。

2 試驗原理及數(shù)據(jù)處理方法

燃燒產(chǎn)生的熱煙氣與空預(yù)器出口的部分熱空氣混合后進入空預(yù)器的煙氣側(cè)。試驗過程通過調(diào)節(jié)風(fēng)機出口閥門，熱空氣出口閥門，燃燒器配風(fēng)閥門和燃油管路閥門來改變搪瓷空預(yù)器的實驗工況，各測試工況穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)?？疹A(yù)器各進出口均布置3處測溫點和3處測壓點，每個工況以記錄數(shù)據(jù)的平均值為準。

2.1 傳熱關(guān)聯(lián)式

本試驗換熱設(shè)備煙氣側(cè)和空氣側(cè)的幾何通道相似，同時換熱過程中沒有相變，因此擬合傳熱公式采用等雷諾數(shù)法的改進方法即直接公式推導(dǎo)法。本實驗中空氣側(cè)和煙氣側(cè)分別用下標1、2標示。空氣側(cè)和煙氣側(cè)的換熱準則關(guān)系式分別為：

由于

將式（3）、（4）代入式（1）、（2）得

再由倒數(shù)方程得

令L=Re2/Re1，上式可改寫為：

對式（7）兩邊取對數(shù)得

式（8）是一個線性方程，通過試驗得到一系列數(shù)據(jù)，采用平均雷諾數(shù)求出的m值作為初值代入公式（7），并對其進行線性回歸得到c、m值，再使用迭代法求出最終的c和m值。通過努塞爾方程可得到空氣側(cè)和煙氣側(cè)的對流換熱系數(shù)。

2.2 阻力關(guān)聯(lián)式

本試驗中搪瓷板式空氣預(yù)熱器描述其流體阻力特性的方程為歐拉方程：

其中

將式（10）代入式（9），并兩邊取對數(shù)得

式（11）是一個線性方程，通過試驗得到一系列數(shù)據(jù)，對其進行線性回歸即可得到c1、n值。

3 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

根據(jù)本試驗數(shù)據(jù)如表2所示，擬合出的努塞爾準則關(guān)系式為：

表2 試驗數(shù)據(jù)1

根據(jù)本試驗數(shù)據(jù)如表3所示，擬合出的歐拉準則關(guān)系式為：

表3 試驗數(shù)據(jù)2

將表2和表3中的數(shù)據(jù)繪制成圖4和圖5。圖4所示為雷諾數(shù)和換熱系數(shù)的關(guān)系，隨著雷諾數(shù)的增大，由于板片間介質(zhì)流動的擾度增大，換熱增強，換熱系數(shù)增大。圖5所示為雷諾數(shù)和壓降的關(guān)系，隨著雷諾數(shù)的增大，搪瓷板式空預(yù)器壓降增大。因此搪瓷板式空氣預(yù)熱器的選型設(shè)計時，要根據(jù)實際使用工況，選擇最合適的空預(yù)器型號。

圖4 雷諾數(shù)與換熱系數(shù)關(guān)系圖

由管內(nèi)湍流強制對流傳熱關(guān)聯(lián)式Nu= 0.023Re0.8Prn與擬合出的搪瓷板式空氣預(yù)熱器的換熱關(guān)聯(lián)式比較可知，在流速及其它條件相同的情況下，搪瓷板式空氣預(yù)熱器的換熱系數(shù)比管式的高1.8～2.6倍。

圖5 雷諾數(shù)與壓降關(guān)系圖

由圖5可看出，在雷諾數(shù)相等時，煙氣側(cè)的壓降均高于空氣側(cè)，原因是煙氣側(cè)的運動黏度要高于空氣側(cè)的運動黏度，造成煙氣側(cè)的流速低，而實驗中煙氣和空氣的密度相差不大。因此雷諾數(shù)相同時煙氣側(cè)的壓降要大。

布置為錯列的管式空氣預(yù)熱器與本試驗采用的搪瓷板式空氣預(yù)熱器在空氣流量為15 000m3/h，空氣進口溫度為14℃，煙氣流量為15 070m3/h，煙氣進口溫度為300℃的工況下比較，當與搪瓷板式空預(yù)器體積相同時，管式空預(yù)器采用φ40×1.5，橫向間距60mm，縱向間距40mm，每排40根，共16排，單根管長為1 500mm，煙氣側(cè)換熱面積為120 m2，空氣側(cè)換熱面積為111m2。

試驗用搪瓷板式空預(yù)器可將空氣溫度提高到131℃，將煙氣溫度降到194℃，其總換熱系數(shù)為37.2W/m2·K，煙氣側(cè)壓降為118 Pa，空氣側(cè)壓降為123 Pa。管式空預(yù)器可將空氣溫度提高到81℃，將煙氣溫度降到240℃，其總換熱系數(shù)為13.5W/m2·K，煙氣側(cè)壓降為116 Pa，空氣側(cè)壓降為52 Pa。

當與搪瓷板式空預(yù)器達到相同換熱效果時，管式空預(yù)器采用φ40×1.5，橫向間距60mm，縱向間距40mm，每排40根，共31排，單根管長為1 500mm，煙氣側(cè)換熱面積為234m2，空氣側(cè)換熱面積為216 m2；其總換熱系數(shù)為15.9 W/m2·K，煙氣側(cè)壓降為211 Pa，空氣側(cè)壓降為121 Pa。

由以上比較可知搪瓷板式空預(yù)器的換熱系數(shù)比管式的高約2倍，體積比管式的小一半，板式空氣預(yù)熱器的煙氣側(cè)阻力比同樣流道長度的管式空氣預(yù)熱器小2/5～3/5，空氣側(cè)阻力與同樣流道長度的管式空氣預(yù)熱相當。

4 結(jié)論

通過試驗測試了搪瓷板式空氣預(yù)熱器的冷熱介質(zhì)在不同流速和不同溫度下的換熱性能和阻力大小，得到以下結(jié)論：

（1）隨著雷諾數(shù)的增大，使介質(zhì)流速增大，搪瓷板式空預(yù)器的換熱性能提高，壓降增大；

（2）通過直接公式推導(dǎo)法擬合出搪瓷板式空預(yù)器的換熱和阻力公式，進一步證明板式空預(yù)器的換熱性能優(yōu)于普通管式空預(yù)器，為空預(yù)器板型的設(shè)計和選取提供參考依據(jù)；

（3）搪瓷對空預(yù)器換熱性能的影響不大。

[1]閻西祥，董紹平.煉油加熱爐空氣預(yù)熱器的發(fā)展及趨勢[J].工業(yè)爐，2013，35（4）：20-21.

[2]楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[3]趙啟杰.搪瓷材料在燃油鍋爐低溫腐蝕防治方面的應(yīng)用[J].工業(yè)科技，2011，40（4）：52-53.

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Heat Transfer and Resistance Characteristic Test of Enamel Panel Preheater

WANG Jian1,2,LIChuankai1,2,ZHENG Junru1,2,HE Xintu1,2
（1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute,Shanghai201108,China; 2.ShanghaiQiyao Thermal Energy Engineering Co.,Ltd,Shanghai 201108,China）

The heat transfer and resistance performance testofa kind of enamel panel air preheaterwas conducted via adopting gas generated from simulation of industrial flue gas in hot air stove.Heat transfer correlation formula and resistance correlation formula were obtained in this experiment.The heat transfer correlation formula was derived from the improved method of equivalent Reynolds that is direct formula derivation method.The resistance correlation formula was derived from similar principle.This investigation will provide reference and basis for industrial design and selection of this enamelpanel air preheater.

enamel panel preheater;heat transfer correlation formula;resistance correlation formula

TK124

A

1001-6988（2016）05-0045-04

2016-06-16

王?。?987—），男，工程師，主要從事工業(yè)爐和余熱回收系統(tǒng)設(shè)計等.