聚丙烯中空纤维换热管蒸汽冷凝传热强化研究

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列管式金属换热器因结构简单、运行可靠和易于维护,目前占行业总产值一半以上,不仅是现代工业生产的重要设备,还是石化、钢铁和电力等高耗能行业加快企业节能减排(废热利用)利器之一。但长期存在耐腐蚀性差、表面易结垢等诸多问题。列管式塑料换热器能够有效解决列管式金属换热器存在的上述问题,但其传热性能一直是限制其推广应用的关键问题之一。本文针对列管式塑料换热器传热性能不佳的问题,在对聚丙烯(PP)中空纤维换热管结构、性能及传热数学模型研究的基础上,以结构不同的外表面疏水PP换热管I、II为基材,采用换热管相互编织的方法,构建换热单元,浇铸列管式塑料换热器,以开展中空纤维换热管编织强化传热研究。利用编织促进换热管内腔流体产生周期性改变、构建非对称蒸汽冷凝表面而强化传热性能。开展了换热管编织方法、管编织强化传热性能和抗结垢性能研究。重点考察了冷流体流速v、管编织周期Lc、管编织根数、管装填密度δ等对蒸汽冷凝传热性能的影响。在最佳δ(3.70%)下,v为3.0 m·s-1时,换热管I两根编织时的最大K值为2.808±0.029 k W·m-2·K-1,较其非编织时提高22.5%。在最佳δ(7.40%)下,v为1.5 m·s-1时,换热管Ⅱ三根编织时的最大K值为2.296±0.021 k W·m-2·K-1,较其非编织时提升87.9%;较其两根编织时K值提升33.2%。在以上研究的基础上,将单根疏水换热管与单根PVDF中空纤维亲水超滤膜编织,利用管与膜间亲-疏水协同作用,将换热管产生的冷凝液滴由膜快速移除到换热器外,提高换热管表面的更新速率从而强化传热性能。开展了超滤膜传质通量,管与膜编织方法,管与膜编织强化传热性能研究。重点考察了冷流体流速v、膜两侧压力差△P、换热器放置方式、管与膜编织周期Lc、管装填密度δ等对蒸汽冷凝传热性能的影响。当v一定时,随着△P增大,K值先增大后减小;v与最佳△P存在对应关系;随着v增加,各v下的最佳△P、K值均增大。换热器垂直放置时,较水平放置K值仅高4.8%-6.4%,明显低于非编织的换热器垂直放置时K值比水平放置时高的16.0%-20.2%。当管与膜编织的换热器垂直放置,△P为0.05 MPa,Lc为20 mm,δ为2.78%,v为2.5 m·s-1时,最大K值为3.393±0.070k W·m-2·K-1,较非编织时提高45.1%,较管两根编织时提高24.7%。本文研制的换热管与换热管编织、换热管与超滤编织的两类新型结构塑料换热器,均能够显著增强传热性能,前者还能增强抗结垢性能。该研究,不仅将促进塑料换热器技术进步,还对推动传热强化理论发展具有重要意义。
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