燃气锅炉冷凝换热器研究进展

郭义文，王 谦，徐瑞聪

（郑州轻工业学院，河南 郑州 450002）

燃气锅炉冷凝换热器研究进展

郭义文，王 谦，徐瑞聪

（郑州轻工业学院，河南 郑州 450002）

冷凝换热器作为燃气锅炉余热回收的重要装置，在提高能源利用效率和节能减排方面起到了非常重要的作用。从强化冷凝换热器的防腐性能和提升冷凝换热器的传热传质强化技术等方面入手，阐述了国内外的研究进展，指出了研发具有防腐功能的高效冷凝换热器是未来研究的重点，可以从研制更高效的传热翅片，对冷凝换热规律进行进一步的研究开始。

冷凝换热器；防腐性能；强化传热；余热回收

随着我国能源结构调整的不断深化，西气东输工程的不断推进，节能减排政策的逐步实施，提高天然气的利用水平，降低锅炉排烟热损失，提高其余热利用效率，已经成为节能环保工作中重要的研究课题。燃气锅炉因具有分布式、小型化的优点，将逐渐成为燃气供热供暖锅炉的主流。如果在燃气锅炉的尾部增设冷凝换热器，将排烟温度降到烟气露点温度以下，即可回收烟气显热和烟气冷凝水蒸气的潜热。

国内外学者在燃气锅炉余热回收装置优化方面开展了大量工作，比如增强冷凝换热器的防腐性能，提升冷凝换热器的传热传质强化技术。这些研究对于冷凝换热器的优化发展，提升冷凝换热器的效率和节能降耗有着非常重要的意义。下面就从冷凝换热器防腐和强化传热方面进行相关阐述，以期为日后的相关工作提供参考。

1 增强冷凝换热器的防腐性能

防腐镀膜对冷凝换热器的换热性能有较大的影响，导热性能好的材料防腐性能一般也比较差，所以，解决这个问题理想的办法就是在冷凝换热器表面镀导热性能好的防腐镀层。吴媛媛等[1]研究了3种不同材料防腐层的冷凝换热器的换热性能，得出非晶态镍磷复合化学镀层+有机涂层冷凝换热器有较好的换热性能。由此可知，合理的镀层选择能有效增强冷凝换热器的综合性能。

Retschitzegger等[2]对生物质锅炉低温腐蚀进行了研究，指出可通过提高余热锅炉冷凝换热器的给水温度，或者在冷凝换热器或经济器上添加防腐涂层来减少火管锅炉的腐蚀。文献[3]对具有PTFE涂层的冷凝换热器的换热性能进行研究，发现增大烟气进口温度与壁面的温差，或者冷却水流量的增加，对传热加强有一定的作用。同时，冷却水进口温度升高，会导致传热温差减小，传热减弱。此外，二氧化硫浓度的增加会导致烟气露点温度的升高，对冷凝换热有一定影响。通过对比复合材料涂层对流凝结换热的影响，发现烟气中水蒸气含量比较高时，比水蒸气含量比较低时的换热性能强。阳利军[4]研究了镀层加涂层的复合表面处理技术与燃气冷凝换热器的腐蚀问题。通过对比Ni-Cu-P、Ni-Mo-P和Ni-W-P三元合金镀层及Ni-P镀层的防腐性能，发现Ni-Cu-P镀层的耐腐蚀性能最强，最适合做铜质冷凝换热器的保护镀层。程延海[5]研究了换热设备Ni-P镀层与膜状凝结问题，指出Ni-P镀层的化学成分仅与主盐和还原剂的浓度有关，与络合剂浓度无关。同时，Ni-P镀层具有明显促进珠状凝结的效果，在凝结过程中表现为珠膜共存状态，Ni-P镀层对换热器的换热性能也有一定的提高作用。此外，对于镀层管，增大非晶相含量可以提高其传热性能。

2 冷凝换热器的传热传质强化技术

上述文献表明，换热器防腐性能的提升有助于保持燃气锅炉冷凝换热器传热的稳定性。而在强化传热方面，合理的换热器设计也能够有效提升冷凝换热器的换热性能。

Seok等[6]研究了不锈钢冷凝换热器不同表面粗糙度对冷凝传热系数的影响。结果表明，不同的粗糙表面对换热器传热系数的影响比较大，在研究范围内存在一个最佳的粗糙度。另外，亲水性的表面能够强化传热。Galashov等[7]通过对热电厂余热回收锅炉换热器设计方法的研究，指出应用水蒸气冷凝技术可以使烟气排放温度从加锅炉前的100℃降低到40℃，联合循环效率显著提高。针对冷凝换热器，Wang等[8]提出了一种新型左右对称的内翅片管。这种翅片管能够有效降低径向温度梯度，减小不凝气体层厚度，显著提高烟气冷凝中的水蒸气含量，从而有效强化对流传热。

Rączka等[9]对烟气中含有和不含有水蒸气的冷凝换热器的算法分别进行研究，指出相比Colburn-Hobler算法，使用VDI算法可以更精确地计算出冷凝换热器的传热面积，传热面积比原来减小了28%.

Li等[10]对高温烟气的余热回收进行了研究，提出了FEC-HP方法。这种方法采用喷雾冷却直接传热，间接避免了换热器的低温腐蚀和积垢，可有效回收烟气中的水蒸气，突破了烟气余热回收领域的技术瓶颈，达到了烟气余热回收的极限。

Bao等[11]研究了一种由纳米多孔膜管束制成的运输膜式冷凝器。该研究可用于回收锅炉烟气中的水蒸气及其潜热，以提高锅炉的整体运行效率。

张春蕾[12]研制1 t锅炉用冷凝换热器样机，发现该样机可以提高9%的锅炉运行效率，燃气锅炉热效率按低热值计可达到103%，每天每吨锅炉还产生约1 t的凝结水。测试样机，发现供热回水温度和烟气Re对换热的影响规律。回水温度从45.2℃降到32.5℃可使水的温升提高43.78%，使换热器吸热量提高44.34%，使换热器的传热系数提高31.67%.通过实验，得出换热实验准则关联式为：Nu＝0.679 9Re0.5J0.48.该式适用于Re＝288～370，J＝0.6～0.9.

张志宏[13-14]对盘管式冷凝换热器传热和流动性能进行研究，采用数值模拟的方法比较了无冷凝的换热器和盘管式冷凝式换热器的热效率，分析影响换热器性能的主要因素。结果表明，换热器流体流速和换热器盘管间距均对换热性能有较大影响，优化换热器性能可从换热器本身和流体流动2个方面着手。

鄂璟玉[15]通过分析燃气锅炉烟气特征，研究直接冷凝技术和间接接触冷凝技术对锅炉系统热利用率的影响，发现直接冷凝技术与间接接触冷凝技术相比，可以实现水和烟气的直接传热，有效提高热效率，成本较低，同时，它可避免积尘，适用于水与烟气温差比较小的热传递。因此，在设计冷凝换热器时，应该综合考虑使用条件，选用合理的冷凝方式。

沈雅钧等[16]对几种不同形式翅片管的强化传热机理及其在冷凝中的应用现状进行了详细研究，结果表明，翅片管与光管相比，可通过破坏层流边界层强化换热，同样负荷下所需的冷凝换热器面积更小。此外，结垢问题并没有更严重。

刘民科[17]通过对新型复合防腐表面冷凝换热器烟气侧对流凝结换热规律进行实验研究，发现烟气在新型防腐复合表面凝结为珠状凝结。实验得出烟气受迫对流凝结换热的实验准则关联式为：Nu＝2.658 6Re0.5J0.494.该式适用于Re＝4 797～6 815，J＝0.093～23.894.通过实验得出，烟气侧对流凝结换热实验准则关联式为：Nu＝1.848Re0.4J0.43.该式适用于Re＝142～367，J＝0.18～5.27，Re0.4J0.43＝4.86～17.6.

仝勇昂[18]研究天然气烟气冷凝换热过程，发现较小的过量空气系数对冷凝换热具有促进作用。此外，利用无量纲温度Ln表征冷凝换热过程，总结出烟气侧努谢尔数准则关联式为：Nu＝0.249 1Re0.7167Pr1/3Ln0.8203（6 000＜Re＜15 000，0.6＜Pr＜1.8）.

周帅[19]研究燃气锅炉烟气余热冷凝回收过程，发现排烟温度分别为50℃、40℃和30℃时，烟气中水蒸气冷凝比例为28.78%，57.42%和75.51%.所以，为了提高余热回收效率，应使排烟温度保持在50℃以下。

3 结论

由文中分析可以看出，目前，燃气锅炉冷凝换热器的研究主要集中在增强冷凝换热器的防腐性能和提升冷凝换热器的传热传质强化技术两大方面。当前的研究工作表明，开发出具有防腐功能的高效冷凝换热器是未来研究的重点，可以通过研发新型翅片，进一步总结归纳换热规律来对冷凝换热器进行进一步的优化改良。

［1］吴媛媛，王随林，潘树源，等.不同防腐层烟气冷凝换热器性能实验研究［J］.煤气与热力，2010，30（3）：20-24.

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［7］Galashov N，Tsibulskiy S，Kiselev A.Application of Evaporative Cooling for the Condensation of Water Vapors from a Flue Gas Waste Heat Boilers CCP［J］.Heat and Mass Transfer in the System of Thermal Modes of Energy-Technical and Technological Equipment（Hmttsc-2016），2016（72）.

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［12］张春蕾.燃气锅炉冷凝换热器的研究［D］.北京：北京建筑工程学院，2008.

［13］张志宏.盘管式冷凝换热器的数值模拟及性能研究［D］.成都：西南交通大学，2008.

［14］张志宏，柯坚，于兰英.间隙距离对冷凝式换热器性能的影响［J］.科协论坛（下半月），2008（10）：9-10.

［15］鄂璟玉.论燃气锅炉冷凝换热器［J］.农村经济与科技，2016，27（8）：58.

［16］沈雅钧，崔肖洁，杨永华.翅片管强化传热技术在冷凝器中的应用［J］.浙江海洋学院学报（自然科学版），2009，28（4）：480-485.

［17］刘民科.烟气凝结换热器传热强化与工程应用研究［D］.北京：北京建筑工程学院，2012.

［18］仝勇昂.燃气锅炉烟气冷凝换热实验研究及分析［D］.重庆：重庆大学，2015.

［19］周帅.燃气锅炉烟气余热冷凝回收研究与应用［D］.济南：山东大学，2012.

郭义文（1968—），男，河南夏邑人，二级技师，主要从事锅炉系统节能方面的研究。王谦（1994—），男，河南商丘人，硕士研究生，主要从事换热器节能方面的研究。徐瑞聪（1994—），女，河南洛阳人，硕士研究生，主要从事制冷设备节能方面的研究。

〔编辑：白洁〕

TK229.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.018

2095-6835（2017）24-0018-03