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摘要 由于烟气冷凝液对金属换热表面有强烈的腐蚀，不仅影响换热也影响冷凝换热器的使用寿命，实验过程中采用对烟气侧换热面热塑聚四氟乙烯薄膜形成复合材料，减少酸性冷凝液对烟气侧换热的影响。聚四氟乙烯的表面能比金属低，与水接触角较大，使换热表面与无镀层时相比变得不易被润湿，在换热表面水蒸汽凝结方式由膜状凝结变为珠状凝结和膜状凝结共存，由于珠状凝结的换热系数大，削弱了由于增加热塑层引起导热热阻的影响。
关键词 复合材料；聚四氟乙烯；烟气冷凝换热器
Abstract For heat transfer surface that is made of metal, flue gas liquor condensate is highly corrosive. The corrosion has effect on heat transfer, but also makes the life of the condensing heat exchanger shorter. Being part of the composite material, the thermoplastic polytetrafluoroethylene(PTFE) film can make acid liquor condensate have less effect on the heat transfer on the flue gas side. Because surface energy of PTFE is lower than that of metal, while contact angle with water is bigger, to have a heat transfer wetting surface is much harder. The water vapor condensed in the form of coexistence of dropwise condensation and film condensation rather than film condensation on the heat transfer surface. The heat transfer coefficient is much higher with the existence of dropwise condensation, which can impair the thermal-conduction resistance caused by the thermoplastic layer.
Key words: composite material； polytetrafluoroethylene； condensing heat exchanger flue gas
中图分类号：G424.31 文献标识码：A 文章编号：
目前烟气冷凝换热器常采用铜制、钢制换热器，由于烟气中含有NOx、SO2、SO3等腐蚀性气体，凝结液具有强腐蚀性，对烟气侧金属换热壁面有较大影响。铜铝等金属材质均不耐腐蚀，侵蚀度在1.0mm/a以上[1]，换热器长时间在强酸冷凝液中运行，势必会引起腐蚀、损坏，甚至造成事故。为了减弱或避免腐蚀影响，一般采用在凝结液中添加缓蚀剂、对表面改性处理或表面镀层等措施。杜长海等研究了超薄PTFE表面上的珠状凝结，冷凝表面传热系数有显著增高[2]。胡友森等研究发现镀膜厚度对换热效果有显著影响，波槽管在镀层厚度为8时总传热系数为最好[3]。胡彩花等人采用化学复合镀方法制备了以紫铜为基底的Ni-P-PTFE疏水性膜。基材铜接触角为92°，复合材料膜的接触角为128.6°，疏水性得到增强[4]。文中对铜管铝翅片冷凝换热器烟气侧采用PTFE树脂粉末等离子直接喷涂成膜，添加PTFE镀层后，换热器表面实现了珠状凝结，强化冷凝换热器的换热和防腐性能。
1 PTFE涂层表面换热分析
在烟气冷凝换热器烟气侧涂敷PTFE薄膜，对换热效果的影响表现为两个方面，一方面由于在PTFE表面形成的珠状凝结而会强化换热，另一方面由于PTFE薄膜形成的导热热阻而会削弱换热。
对于没有涂敷PTFE薄膜的单位管长换热热流密度为：
（1）
式中，为单位管长换热热流密度,w/m
为管内径，m
为管外径，m
为金属导热系数，w/m·k
为冷却水侧换热系数，w/m·k
为无热塑层时烟气侧换热系数，w/m·k
对于涂敷PTFE薄膜的单位管长换热热流密度为：
（2）
式中，为单位管长换热热流密度，w/m
为PTFE的导热系数，w/m·k
为聚四氟乙烯热塑层的厚度，m
为增加热塑层后烟气侧换热系数，w/m·k
对比式（1）和式（2）可以看出，在喷涂有PTFE镀层的换热器表面，增加了PTFE镀层导热热阻，该热阻的存在削弱了换热。该热阻取决于镀层厚度和PTFE材料的导热系数，由于聚四氟乙烯的导热系数仅为0.244 W/(m·K)，减小PTFE镀层的导热热阻需要减小镀层厚度。
由于PTFE表面自由能仅为22.5mJ/m2，比金属表面自由能小很多，水蒸汽凝结时，镀层表面不能很好地被润湿，液体在镀层表面会形成一个个小的液珠，形成珠状凝结。车德福指出PTFE的厌水特性使其表面形成水滴[5]。此時换热是在裸露的壁面与液珠表面进行，液珠在滚落过程中对壁面起到清扫作用，液膜热阻减小，烟气与壁面的接触面积增大，对流换热增强。PTFE表面对流换热表面传热系数远大于金属表面对流换热表面传热系数，造成烟气侧对流换热热阻减小，将会强化换热效果。
聚四氟乙烯PTFE是由碳氟共价键组成的完全对称无支链，不具有极性的线型高分子，其碳碳链呈螺旋构象，犹如在碳链骨架外形成一“氟代”保护层[6]，使得其耐溶剂性和化学稳定性增强。因而在换热器表面喷涂聚四氟乙烯薄膜，其防腐效果显著增强。
2实验系统及实验方案
实验系统如图1所示。由燃气锅炉产生的烟气经过增湿器改变烟气含湿量，通过增SO2器改变烟气SO2浓度，然后进入冷凝换热器与冷却水换热，烟气温度下降，烟气中水蒸气凝结，凝结液由收集器进行收集，释放出部分显热和潜热的烟气排出。冷却水经过水量调节阀、流量计后进入冷凝换热器，吸收烟气释放的热量而升温。设置旁通烟道，用以改变进入烟气冷凝换热器的烟气量。
图1 实验系统图
Figure1 the figure of system for the experiment
实验过程采用81kW燃气锅炉，燃用天然气；冷凝换热器采用铜管铝翅片两排错列管组合式构造，单组换热器是两排错列翅片管，铜管管外径10mm，管间距25.5mm，铝翅片厚度0.2mm，高5mm，翅片间距2.50mm；管外采用单组等离子热塑PTFE材料，厚度0.02mm；采用烟气分析仪分析烟气成份和过量空气系数等参数，微压均速管测定烟气流速，铠装热电偶测定烟气进出口温度，容积法和转子流量计对比测定冷却水流量，Pt100铂电阻测定冷却水进出口温。实验过程凝结液由收集器收集后用天平称重。
采用烟气与冷却水逆流换热，烟气自上而下通过换热器，冷却水自下而上流经换热器，烟气在管外流动，冷却水在管内流动。（设定基准状态：烟气温度130℃，烟气含硫量550mg/m3，冷却水流量0.113L/s，冷却水进口温度15℃），并通过只调节基准状态中烟气进口温度、烟气流速、含硫量、冷却水流量、冷却水进口温度五个因素中的一个因素，而维持其他因素不变的情况下来获得不同工况下大范围的实验数据。
3．实验结果及分析
3.1冷却水进口温度变化对单位管长热流密度的影响
圖2 冷却水进口温度变化对单位管长热流密度的影响
Figure 2 the effect of the cooling water’s inlet temperature variation on the heat flux per unit length
冷却水进口温度升高，壁面过冷度降低，水蒸气凝结动力减弱，使得冷凝液量减少，潜热换热减弱；另外冷却水进口温度升高，也会使得管壁面温度升高，烟气侧换热器壁面温度升高，烟气与管壁面温差减小，显热减弱，总的单位管长热流密度降低。
3.2烟气进口温度及烟气流速对单位管长热流密度的影响
图3 烟气进口温度变化对单位管长热流密度的影响
Figure4 the effect of the flu gas temperature variation on the heat flux per unit length
在冷却水侧流量及进口温度等参数不变的情况下，锅炉烟气进口温度越高，经过换热器后出口温度也越高，烟气所能容纳水蒸气的能力越强，故冷凝液量越少，潜热变小，但烟气中水蒸汽所占比例很少。烟气进口温度的增加使得烟气焓值增加，显热换热增加量大于潜热减少量，使得单位管长热流密度增加。
3.4烟气含硫量变化对热流量的影响
图4 烟气含硫量变化对热流量的影响
Figure5 the effect of the SO2 variation of flu gas on the heat flux per unit length
由于烟气中的SO2在高温环境中会与O2发生反应生成SO3。SO3会与水蒸汽形成硫酸蒸汽，使得烟气的物理性质受到影响，文献[7]指出其根本原因是由于硫酸的沸点比水高得多。即使SO3量极少，SO3含量的增加也会提高露点温度，露点温度升高，进而加快烟气中水蒸汽的凝结速率，从而促进冷凝换热器潜热换热，使得单位管长热流密度增加。由于本实验中，水蒸汽含量较小，因而潜热换热效果不明显。
3.5冷却水流量变化对单位管长热流密度的影响
图5 冷却水流量变化对单位管长热流密度的影响
Figure6 the effect of the cooling water variation on the heat flux per unit length
冷却水流量增大，流速增大[8]，Re增大，管内流动由层流变为紊流，冷却水侧对流换热系数h2增大，对于冷凝器而言，总的传热热阻减小；另外冷却水流量的增大，其他条件不变，会使得管内表面温度降低，进而使得烟气侧壁面温度降低，增大壁面过冷度，水蒸汽凝结动力加强，潜热加强，使得单位管长热流密度增大。
4结论
复合材料即PTFE热塑层的金属换热器表面由于表面能降低，使得烟气中的水蒸汽实现了珠状凝结。冷却水进口温度升高，使得传热温差减小，壁面过冷度减小，传热的驱动力减弱，单位管长热流密度减小。烟气进口温度升高，使得烟气焓值增加，并且烟气进口温度与壁面的温差增大，传热驱动力增强。SO2浓度的增加，转化生成的SO3浓度，生成硫酸含量增加，烟气露点温度升高，对冷凝换热有一定影响。冷却水流量的增加使得雷诺数增大，传热加强，另外壁面温度降低，过冷度增大，凝结动力加强。
参考文献
[1]张殿印,王纯.除尘工程设计手册[M].北京:化学工业出版社,2003:24-26
[2]杜长海,马学虎,徐敦颀.超薄PTFE表面上滴状冷凝的传热研究[J].化学工业与工程,2000,17(4):192-197
[3]胡彩花,王学魁,孙之南等.紫铜为基材用化学复合镀法制备Ni-P-聚四氟乙烯疏水性膜[J].化学工程,2009,37(1):41-44
[4]胡友森,黄渭堂,隋海明.波槽管管外PTFE涂层滴状冷凝换热实验研究[J].应用技,2007,34(5):42-45
[5]车得福.冷凝式锅炉及其系统[M].北京:机械工业出版社,2002:222-224
[6]丁美平.聚四氟乙烯改性及其性能研究[D].西安:西北工业大学,2006:2-4
[7]孙金栋.烟气冷凝脱硫实验研究及分析[D].北京:北京建筑工程学院,2001:9-11
[8]章熙民,任泽霈,梅飞鸣等.传热学[M].北京:北京建筑工业出版社,2007:277-279
苗瑞环，女，1985-12，景县，河北衡水，北京建筑工程学院，硕士。北京暖通实验室重点支持。
关键词 复合材料；聚四氟乙烯；烟气冷凝换热器
Abstract For heat transfer surface that is made of metal, flue gas liquor condensate is highly corrosive. The corrosion has effect on heat transfer, but also makes the life of the condensing heat exchanger shorter. Being part of the composite material, the thermoplastic polytetrafluoroethylene(PTFE) film can make acid liquor condensate have less effect on the heat transfer on the flue gas side. Because surface energy of PTFE is lower than that of metal, while contact angle with water is bigger, to have a heat transfer wetting surface is much harder. The water vapor condensed in the form of coexistence of dropwise condensation and film condensation rather than film condensation on the heat transfer surface. The heat transfer coefficient is much higher with the existence of dropwise condensation, which can impair the thermal-conduction resistance caused by the thermoplastic layer.
Key words: composite material； polytetrafluoroethylene； condensing heat exchanger flue gas
中图分类号：G424.31 文献标识码：A 文章编号：
目前烟气冷凝换热器常采用铜制、钢制换热器，由于烟气中含有NOx、SO2、SO3等腐蚀性气体，凝结液具有强腐蚀性，对烟气侧金属换热壁面有较大影响。铜铝等金属材质均不耐腐蚀，侵蚀度在1.0mm/a以上[1]，换热器长时间在强酸冷凝液中运行，势必会引起腐蚀、损坏，甚至造成事故。为了减弱或避免腐蚀影响，一般采用在凝结液中添加缓蚀剂、对表面改性处理或表面镀层等措施。杜长海等研究了超薄PTFE表面上的珠状凝结，冷凝表面传热系数有显著增高[2]。胡友森等研究发现镀膜厚度对换热效果有显著影响，波槽管在镀层厚度为8时总传热系数为最好[3]。胡彩花等人采用化学复合镀方法制备了以紫铜为基底的Ni-P-PTFE疏水性膜。基材铜接触角为92°，复合材料膜的接触角为128.6°，疏水性得到增强[4]。文中对铜管铝翅片冷凝换热器烟气侧采用PTFE树脂粉末等离子直接喷涂成膜，添加PTFE镀层后，换热器表面实现了珠状凝结，强化冷凝换热器的换热和防腐性能。
1 PTFE涂层表面换热分析
在烟气冷凝换热器烟气侧涂敷PTFE薄膜，对换热效果的影响表现为两个方面，一方面由于在PTFE表面形成的珠状凝结而会强化换热，另一方面由于PTFE薄膜形成的导热热阻而会削弱换热。
对于没有涂敷PTFE薄膜的单位管长换热热流密度为：
（1）
式中，为单位管长换热热流密度,w/m
为管内径，m
为管外径，m
为金属导热系数，w/m·k
为冷却水侧换热系数，w/m·k
为无热塑层时烟气侧换热系数，w/m·k
对于涂敷PTFE薄膜的单位管长换热热流密度为：
（2）
式中，为单位管长换热热流密度，w/m
为PTFE的导热系数，w/m·k
为聚四氟乙烯热塑层的厚度，m
为增加热塑层后烟气侧换热系数，w/m·k
对比式（1）和式（2）可以看出，在喷涂有PTFE镀层的换热器表面，增加了PTFE镀层导热热阻，该热阻的存在削弱了换热。该热阻取决于镀层厚度和PTFE材料的导热系数，由于聚四氟乙烯的导热系数仅为0.244 W/(m·K)，减小PTFE镀层的导热热阻需要减小镀层厚度。
由于PTFE表面自由能仅为22.5mJ/m2，比金属表面自由能小很多，水蒸汽凝结时，镀层表面不能很好地被润湿，液体在镀层表面会形成一个个小的液珠，形成珠状凝结。车德福指出PTFE的厌水特性使其表面形成水滴[5]。此時换热是在裸露的壁面与液珠表面进行，液珠在滚落过程中对壁面起到清扫作用，液膜热阻减小，烟气与壁面的接触面积增大，对流换热增强。PTFE表面对流换热表面传热系数远大于金属表面对流换热表面传热系数，造成烟气侧对流换热热阻减小，将会强化换热效果。
聚四氟乙烯PTFE是由碳氟共价键组成的完全对称无支链，不具有极性的线型高分子，其碳碳链呈螺旋构象，犹如在碳链骨架外形成一“氟代”保护层[6]，使得其耐溶剂性和化学稳定性增强。因而在换热器表面喷涂聚四氟乙烯薄膜，其防腐效果显著增强。
2实验系统及实验方案
实验系统如图1所示。由燃气锅炉产生的烟气经过增湿器改变烟气含湿量，通过增SO2器改变烟气SO2浓度，然后进入冷凝换热器与冷却水换热，烟气温度下降，烟气中水蒸气凝结，凝结液由收集器进行收集，释放出部分显热和潜热的烟气排出。冷却水经过水量调节阀、流量计后进入冷凝换热器，吸收烟气释放的热量而升温。设置旁通烟道，用以改变进入烟气冷凝换热器的烟气量。
图1 实验系统图
Figure1 the figure of system for the experiment
实验过程采用81kW燃气锅炉，燃用天然气；冷凝换热器采用铜管铝翅片两排错列管组合式构造，单组换热器是两排错列翅片管，铜管管外径10mm，管间距25.5mm，铝翅片厚度0.2mm，高5mm，翅片间距2.50mm；管外采用单组等离子热塑PTFE材料，厚度0.02mm；采用烟气分析仪分析烟气成份和过量空气系数等参数，微压均速管测定烟气流速，铠装热电偶测定烟气进出口温度，容积法和转子流量计对比测定冷却水流量，Pt100铂电阻测定冷却水进出口温。实验过程凝结液由收集器收集后用天平称重。
采用烟气与冷却水逆流换热，烟气自上而下通过换热器，冷却水自下而上流经换热器，烟气在管外流动，冷却水在管内流动。（设定基准状态：烟气温度130℃，烟气含硫量550mg/m3，冷却水流量0.113L/s，冷却水进口温度15℃），并通过只调节基准状态中烟气进口温度、烟气流速、含硫量、冷却水流量、冷却水进口温度五个因素中的一个因素，而维持其他因素不变的情况下来获得不同工况下大范围的实验数据。
3．实验结果及分析
3.1冷却水进口温度变化对单位管长热流密度的影响
圖2 冷却水进口温度变化对单位管长热流密度的影响
Figure 2 the effect of the cooling water’s inlet temperature variation on the heat flux per unit length
冷却水进口温度升高，壁面过冷度降低，水蒸气凝结动力减弱，使得冷凝液量减少，潜热换热减弱；另外冷却水进口温度升高，也会使得管壁面温度升高，烟气侧换热器壁面温度升高，烟气与管壁面温差减小，显热减弱，总的单位管长热流密度降低。
3.2烟气进口温度及烟气流速对单位管长热流密度的影响
图3 烟气进口温度变化对单位管长热流密度的影响
Figure4 the effect of the flu gas temperature variation on the heat flux per unit length
在冷却水侧流量及进口温度等参数不变的情况下，锅炉烟气进口温度越高，经过换热器后出口温度也越高，烟气所能容纳水蒸气的能力越强，故冷凝液量越少，潜热变小，但烟气中水蒸汽所占比例很少。烟气进口温度的增加使得烟气焓值增加，显热换热增加量大于潜热减少量，使得单位管长热流密度增加。
3.4烟气含硫量变化对热流量的影响
图4 烟气含硫量变化对热流量的影响
Figure5 the effect of the SO2 variation of flu gas on the heat flux per unit length
由于烟气中的SO2在高温环境中会与O2发生反应生成SO3。SO3会与水蒸汽形成硫酸蒸汽，使得烟气的物理性质受到影响，文献[7]指出其根本原因是由于硫酸的沸点比水高得多。即使SO3量极少，SO3含量的增加也会提高露点温度，露点温度升高，进而加快烟气中水蒸汽的凝结速率，从而促进冷凝换热器潜热换热，使得单位管长热流密度增加。由于本实验中，水蒸汽含量较小，因而潜热换热效果不明显。
3.5冷却水流量变化对单位管长热流密度的影响
图5 冷却水流量变化对单位管长热流密度的影响
Figure6 the effect of the cooling water variation on the heat flux per unit length
冷却水流量增大，流速增大[8]，Re增大，管内流动由层流变为紊流，冷却水侧对流换热系数h2增大，对于冷凝器而言，总的传热热阻减小；另外冷却水流量的增大，其他条件不变，会使得管内表面温度降低，进而使得烟气侧壁面温度降低，增大壁面过冷度，水蒸汽凝结动力加强，潜热加强，使得单位管长热流密度增大。
4结论
复合材料即PTFE热塑层的金属换热器表面由于表面能降低，使得烟气中的水蒸汽实现了珠状凝结。冷却水进口温度升高，使得传热温差减小，壁面过冷度减小，传热的驱动力减弱，单位管长热流密度减小。烟气进口温度升高，使得烟气焓值增加，并且烟气进口温度与壁面的温差增大，传热驱动力增强。SO2浓度的增加，转化生成的SO3浓度，生成硫酸含量增加，烟气露点温度升高，对冷凝换热有一定影响。冷却水流量的增加使得雷诺数增大，传热加强，另外壁面温度降低，过冷度增大，凝结动力加强。
参考文献
[1]张殿印,王纯.除尘工程设计手册[M].北京:化学工业出版社,2003:24-26
[2]杜长海,马学虎,徐敦颀.超薄PTFE表面上滴状冷凝的传热研究[J].化学工业与工程,2000,17(4):192-197
[3]胡彩花,王学魁,孙之南等.紫铜为基材用化学复合镀法制备Ni-P-聚四氟乙烯疏水性膜[J].化学工程,2009,37(1):41-44
[4]胡友森,黄渭堂,隋海明.波槽管管外PTFE涂层滴状冷凝换热实验研究[J].应用技,2007,34(5):42-45
[5]车得福.冷凝式锅炉及其系统[M].北京:机械工业出版社,2002:222-224
[6]丁美平.聚四氟乙烯改性及其性能研究[D].西安:西北工业大学,2006:2-4
[7]孙金栋.烟气冷凝脱硫实验研究及分析[D].北京:北京建筑工程学院,2001:9-11
[8]章熙民,任泽霈,梅飞鸣等.传热学[M].北京:北京建筑工业出版社,2007:277-279
苗瑞环，女，1985-12，景县，河北衡水，北京建筑工程学院，硕士。北京暖通实验室重点支持。