余热是工业领域生产环节中未能得到充分利用的热能资源,近年来越来越被重视。余热径直排放入自然环境中,不但会导致能量的极大浪费,而且还会对周围的环境产生一定的负面效应。烟气余热是余热资源里最为重要的一类,其中低温烟气余热因其换热温差小、易于产生低温腐蚀问题,往往不被考虑。针对低温烟气余热,采用新型防腐镀(涂)层冷凝式换热器,不仅能够回收水蒸气凝结过程中释放的大量潜热,提高锅炉的整体效率,而且还可以延缓凝结的酸液对换热管的腐蚀作用,保证设备安全运行,增加换热器的使用年限,这也对达成节能减排目标意义重大。本文从理论分析和工程实际两方面考虑,对含湿混合气体(水蒸气质量分数在6%～16%的范围)纵掠竖直紫铜管、紫铜基Ni-P镀层管以及紫铜基PTFE(聚四氟乙烯)涂层管外的对流凝结复合换热特性进行了理论、实验和模拟研究。首先,本文在Colburn-Hougen对流凝结复合换热模型的基础之上,对含湿混合气体的传热和传质作了理论分析,并指出无论对于传热过程还是传质过程,气液分界面处的不凝气体层都是两者的主要阻力。另外,从分子扩散的角度,推导出了影响对流凝结复合换热系数的因素,并对这些影响因素进行了无量纲化,得出了实验关联式。其次,在自主设计和搭建的对流凝结复合换热热工实验台上,研究了在不同的实验条件下,含湿混合气体纵掠竖直紫铜管、紫铜基Ni-P镀层管和紫铜基PTFE涂层管的对流凝结复合换热特性以及水蒸气在管表面的凝结状态。采用多元线性回归分析理论对实验数据进行了拟合,获得了三种管子的对流凝结复合换热的Nu数实验关联式,关联式的相对误差不超过±15%,表明实验关联式具备较好的关联性和准确性。最后,在Fluent软件中开启组分输运模型和加载自编的UDF冷凝程序,较好地实现了含湿混合气体对流凝结复合换热的数值模拟过程,对流凝结复合换热系数的模拟结果与实验结果的最大相对误差在25%左右。结果表明:凝结换热系数、对流凝结复合换热系数和传热系数随着水蒸气质量分数和含湿混合气体流速的增加而增加,紫铜基Ni-P镀层管和紫铜基PTFE涂层管凝结换热系数比紫铜管分别提高了 1.9%～25.9%和4.4%～29.2%,对流凝结复合换热系数比紫铜管分别提高了 12.2%～24.2%和16.4%～35.9%,紫铜基PTFE涂层管拥有最优异的换热特性。水蒸气在紫铜管表面发生膜状凝结,在PTFE涂层表面则是珠状凝结,而在Ni-P镀层表面的凝结形式表现为珠膜共存。值得注意的是,与水蒸气质量分数较低的情况相比,在高水蒸气质量分数的情况下,镀(涂)层对强化换热的效果呈现出边际效应,因此,在实际应用中,应根据具体的工况和技术经济分析,来判断是否采用换热表面改性这一强化换热技术。另外,从模拟结果可以看到,换热过程和冷凝过程主要集中于换热器的前半程,在后半程,含湿混合气体的温降幅度减小,水蒸气质量分数变化趋于平稳。