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防腐蚀抗结垢的肋片管式塑料换热器性能分析点击：2235 日期：[ 2014-04-26 21:13:53 ] |
| 防腐蚀抗结垢的肋片管式塑料换热器性能分析 陈林 李震 夏洪恩 (清华大学工程力学系,热科学动力工程教育部重点实验室,北京100084) 摘要：利用塑料材料制作换热器可以有效克服金属换热器中的腐蚀问题,但是塑料的导热系数较小,对于换热 性能有一定影响。目前已有导热系数达到20 W/(m·K)的导热塑料。分析比较了结构和尺寸相同的铜、不锈钢 和高导热塑料的肋片管换热器的性能差别,发现利用高导热塑料制作的换热器换热性能可以接近铜换热器,而与 不锈钢换热器性能基本相同。如果进一步考虑塑料换热器具有抗结垢的特性,塑料换热器与金属换热器之间的换热性能差别将更小。结果表明,高导热塑料换热器在防腐蚀工程中具有一定的应用前景。 关键词：防腐蚀;防结垢;高热导率塑料;换热器;性能分析 中图分类号：TE98 文献标识码：A 文章编号：1005-748X(2009)04-0237-04 0 引 言 在能源转化和利用的过程中,换热器是最基本 的设备之一,具有广泛的应用。为实现优良的传热性能,换热器大都使用具有较高的热导率(导热系数)的金属材料制作。金属材料易腐蚀,腐蚀导致设备性能恶化甚至失效,造成很大的损失[1]。 塑料等高分子材料具有良好的耐腐蚀性能,如用作换热器材,除了突出的耐腐蚀能力外,还具有表面光滑不吸附污垢、抗污塞性能好的优点。但其主要缺点是导热性能较差。目前已有的塑料换热器的主要形式为管壳式、浸液式以及板式换热器[2,3],这些换热器主要用于液体与液体之间的换热,利用塑料材料可制成体表比较大的产品,来弥补塑料热导率低的缺点。 肋片管换热器是空气冷却领域最常用的换热器形式[4],金属材料的肋片管换热器存在积灰、腐蚀等问题[5],利用塑料材料可以有效解决这些问题。但是,肋片管换热器空气侧传热系数较低、热阻较大, 如果加上由于换热器材料热导率低引起的热阻,换热器的性能会很差,这正是很少有人研究和使用塑料换热器的原因。 上世纪80年代末,杨杰辉[6]研究了塑料肋片管换热器的性能,优化了几何尺寸并作了经济性分析。当时导热塑料的热导率多为2~3 W/(m·K),如今 改性塑料的热导率已经可以达到20 W/(m·K)[7]。 本工作分析对比了铜、不锈钢和高导热塑料的肋片管换热器的性能,发现当热导率到达一定数值之后, 其对换热性能的影响较小。考虑到塑料材料优良的防腐抗垢性能,高导热塑料制作的换热器在防腐蚀工程应用中具有较好的前景。 1 肋片管换热器传热性能计算方法 图1所示的肋片管换热器中,冷、热流体间的传热量Φ为: Φ= Ki·Ai·Δtm(1) 式中:Ki是以肋片管基管内表面积为基准的总传热 系数,W/(m2K);Ai是基管内表面积,m2;Δtm是对 数平均温差,K。 总传热系数Ki的倒数是传热过程中的总热阻 ∑R[8]: 总热阻由5部分热阻构成,分别是管内对流换热热阻R1、管内污垢热阻R2、管壁导热热阻R3、管外污垢热阻R4和管外对流换热热阻R5。这些热阻中,R3、R4和R5与材料热导率有关[8]。 借助热阻表达式,肋片管换热器的换热量可以 表示为: 2 塑料换热器与金属换热器的性能比较 2.1 计算条件的设定 通常,肋片管换热器是用金属材料制作的,因为金属具有较大的热导率。为比较塑料材料与金属材 料制作的换热器由于热导率引起的性能差异,在下面的算例中,设金属换热器和塑料换热器具有相同 的工况(图2)、相同的几何尺寸(图3)和污垢热阻。根据文献[4,8],管内污垢热阻ri设为5×10-4(m2· K)/W,管外污垢热阻r0设为8.6×10-5(m2·K)W。这些条件设定后,换热器的性能只和材料的热导率有关。 2.2 塑料换热器与金属换热器性能比较 令热导率λ的变化范围为0. 2 ~ 400 W/ (m·K),计算相应的传热量,结果如图4曲线所 示,曲线中部分点的数值见表1第二列数据。 纯铜的热导率为400 W/(m·K)[9],表1λ= 400W/(m·K)对应的换热量即是纯铜换热器的换热量,以这个换热量为基准,将热导率为其他数值时的换热量除以该换热量,就可以得到换热量的相对值,相对值的曲线如图5所示,表1中第三列数据是图5中曲线的部分数据点。 换热量相对值的大小体现了不同材料换热器性能的差别。例如,普通聚丙烯(PP)材料的热导率约为0.2 W/(m·K)[10],如果用普通聚丙烯制作换热器,那么它的换热性能只有相同条件下铜换热器的21.5%。普通塑料材料中,热导率最高不超过1W (m·K),而即使到达1 W/(m·K),换热性能不到 铜换热器的45%,这也正是普通塑料材料无法取代 金属制作换热器的原因。通过改性,塑料材料的热 导率可以提高。如图5中虚线所示,当塑料热导率达到20 W/(m·K)时,其换热量与纯铜换热器换热量之比可以达到92%。 不锈钢的热导率为37 W/(m·K)[9],以其换热 量为基准,得到换热量的相对值曲线如图6所示,曲线的部分数据点见表1中第四列数据。与上面的分析类似,普通聚丙烯制作换热器的换热性能只有不锈钢换热器的22.5%。而热导率为20 W/(m·K) 塑料换热器的换热量与不锈钢换热器换热量之比可以达到96.2%,差别很小。 2.3 忽略塑料换热器污垢热阻的性能比较 相比金属换热器,塑料换热器除了具有防腐蚀的优势,它还有一个显著的优势———抗结垢。结垢与换热器件的表面能有关,塑料表面能低,不容易结垢[6],在文献[8]中,认为塑料污垢热阻可以忽略不 计。 考虑这个因素,通过计算换热量、比较换热量大小的评价方法中,在求解塑料换热器的换热量时,应忽略管内、外两项污垢热阻R2、R4,按式(4)计算。而计算金属换热器时,依然按式(2)计算。 图7同时给出了塑料换热器忽略污垢热阻之后的换热量曲线和图4中考虑污垢热阻的换热量曲线,以便于对比。由于塑料材料的热导率很难达到100 W/(m·K)[7]以上,图7中塑料换热器换热量曲线在热导率大于100 W/(m·K)之后用虚线表示。 在本节中,实际上是比较“没有污垢的塑料换热 器”与“有污垢的金属换热器”的性能。与2.2中的 分析方法类似,分别以纯铜换热器和不锈钢换热器 的换热量作为比较的基准,得到换热量相对值的曲 线,如图8、图9所示。可看到,当忽略塑料换热器的热阻时,热导率为20 W/(m·K)的塑料换热器的 换热量已略大于有污垢热阻金属换热器的换热量。 3 换热器性能比较的讨论 3.1 热阻分析 在前面的分析中,换热器换热量与材料热导率 之间的关系曲线(图4、图7)在起始阶段斜率很大, 热导率到达一定数值后,斜率减小,之后很快斜率趋 于零。这种现象可从传热过程的热阻来分析和 理解。 前面说过,传热过程的5部分热阻中,与热导率 λ有关的热阻有3个,即R3、R4和R5。图10是各 热阻值随热导率的变化曲线,为更清晰地反映曲线 的变化趋势,纵坐标使用了对数坐标。在热导率较 小时(λ<10 W/(m·K)),导热热阻R3、管外污垢 热阻R4和管外对流换热热阻R5都随热导率增大 而减小,且变化较为明显,热阻减小使得传热量显著 增大;热导率继续增大(10 W/(m·K)<λ<20 W/ (m·K)),导热热阻R3继续减小,管外污垢热阻R4 和管外对流换热热阻R5稍减小,热阻减小使得传热量增大,但增加幅度减小;之后(λ>20 W/(m· K)),热导率增大使得导热热阻R3继续减小,管外污垢热阻R4和管外对流换热热阻R5几乎不变,由于管外对流换热热阻R5占总热阻的90%以上,传热总热阻几乎不变,从而传热量几乎不变。 3.2 改善的方法 当换热器一侧流体为换热性能较差的气体介质 时,换热器材料的热导率存在一个阈值区域:15~25 W/(m·K),高于这个阈值区域,制约肋片管换热器 换热能力的主要因素是管外对流换热的能力,此时 想要通过提高热导率来增强换热几乎没有效果,必 须降低总热阻中比例最大的管外对流换热热阻,这 也是传热强化领域的基本观点。但是,在热导率小 于这个阈值区域时,由于传热量随热导率显著变化,必须警惕热导率偏小而导致的传热恶化。 令人鼓舞的是,随着材料科学的进步,塑料材料 的热导率正在逐渐达到并超越这个阈值,这意味着 利用塑料材料制作风冷/风热换热器越来越可行。 4 结 论 (1)塑料材料具有优良的防腐蚀、抗结垢性能, 采用塑料材料制作换热器,可以有效解决金属换热 器中的腐蚀问题。 (2)对比分析塑料和金属翅片管换热器,发现 当塑料材料的热导率达到20 W/(m·K)时,塑料换 热器的换热性能与纯铜、不锈钢换热器的换热性能 差别不大。 (3)考虑塑料的抗灰、抗垢特性后,忽略塑料换 热器的污垢热阻,此时塑料翅片管换热器的换热性 能与纯铜换热器的性能基本相同,已略好于不锈钢 换热器的性能。 (4)塑料材料具有优越的加工成型性能,随着 塑料导热性能的提高以及加工工艺水平的发展,将 使得塑料换热器在防腐蚀工程中的应用更加广泛。 参考文献: [1]葛红花,汪洋,周国定,等.普及金属腐蚀与防护知识 重要性的研究[J].上海电力学院学报,2007,23(1): 61-65. [2]孙爱芳,刘敏珊,盖其伍.耐腐蚀换热器用聚四氟乙烯 的改性与应用现状[J].机械工程材料,2007,31(3):1 -3,8. [3]Dimitrios M Zarkadas, Kamalesh K Sirkar. Polymeric hollow fiber heat exchangers: An alternative for lower temperature applications [J]. Ind Eng Chem Res, 2004,43:8093-8106. [4]马义伟.风冷器设计与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业 大学出版社, 1998. [5]李纪亮.新型高效空调铝翅片清洗剂的研制[J].洗净 技术,2004,2(6):23-28. [6]杨杰辉,周大纲,马剑文.新型导热塑料翅片管的研究 [J].流体机械,1987,(9):52-56,63. [7]新型散热材料———导热塑料[J].现代制造,2002, (11):70-71. [8]钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版 社,2002. [9]杨世铭,陶文铨.传热学[M].第3版.北京:高等教 育出版社,1998. [10]肖琰,魏伯荣,杨海涛,等.导热高分子材料的研究开发 现状[J].中国塑料,2005,19(4):12-16. |
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