孫巧群,李一淳,鄧躍軍,董鶴鳴,劉文斌,杜 謙,高建民

(1.哈爾濱工程大學(xué)航天與建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;3.哈爾濱物業(yè)供熱集團(tuán)有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150010)

0 引言

隨著全球能源轉(zhuǎn)型的飛快加速[1],中國(guó)作為世界大國(guó),能源需求不斷增加。其中約70%的能源消耗集中在工業(yè)領(lǐng)域,但我國(guó)能源利用率僅僅為33%左右,其中工業(yè)余熱利用率低極大地限制了能源利用率的進(jìn)一步提升[2]。低于200 ℃的低溫?zé)煔?該部分余熱資源能級(jí)低回收困難,通常作為熱交換器的熱源流體通過(guò)換熱將熱量傳遞給低溫介質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱量的回收利用。為了避免換熱器管壁低溫腐蝕,燃料燃燒后產(chǎn)生的煙氣排放溫度一般設(shè)計(jì)在150 ℃左右[3],部分熱量得不到合理的回收將造成巨大的浪費(fèi)。聚合物材料憑借其優(yōu)異的耐腐蝕性能及抗結(jié)垢性能可以使得煙氣溫度降低至酸露點(diǎn)溫度以下來(lái)回收利用這部分余熱。此外,部分聚合物相比于金屬換熱器表面憑借其較低的表面能不需要任何處理就可以實(shí)現(xiàn)水蒸氣的珠狀凝結(jié)換熱,且聚合物還具有耐腐蝕、不易結(jié)垢、價(jià)格便宜、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[5]。因此聚合物熱交換器在低溫?zé)煔庥酂峄厥绽梅矫婢哂兄匾膽?yīng)用前景[6-7]。

聚合物材料相比于金屬不但抗結(jié)垢、耐腐蝕性能好而且又可以節(jié)省大量的空間、重量和成本。但是其低導(dǎo)熱系數(shù)、低強(qiáng)度等短板也限制了其發(fā)展及應(yīng)用,而復(fù)合材料的發(fā)展卻為該問(wèn)題提供了一個(gè)完美的解決方案。常用的聚合物復(fù)合材料分為顆粒增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料[8-10]、纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料[11-13]及納米材料增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料[14]三種。在耐腐蝕性方面,研究發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)使用的金屬(通鎳合金、鈦等)換熱表面,高密度聚乙烯(HDPE)和聚丙烯(PP)等耐腐蝕性更好。劉昌新[15]發(fā)現(xiàn)PTFE換熱器在醋酸鈉生產(chǎn)中耐腐蝕好、產(chǎn)量提高、效率提高、能耗大幅度降低;楊政清[16]分析出氟化石墨烯不僅增強(qiáng)了換熱器涂層的防腐性能,而且協(xié)同強(qiáng)化了冷凝傳熱過(guò)程。除了回收煙氣余熱,李剛[17]指出氟塑料熱交換器吸收了酸性氣體的凝結(jié)液還會(huì)吸附部分煙氣中煙塵、雜質(zhì),同時(shí)起到脫酸除塵的效果。在改性方面,李希漫[18]以熔紡聚丙烯(PP)纖維管為基材,以間苯二胺、均苯三甲酰氯為活性單體制備局部附著親水性聚酰胺復(fù)合層的改性PP換熱管從而成功構(gòu)建同時(shí)包含親水、疏水區(qū)域的蒸汽冷凝組合表面。通過(guò)膜狀冷凝和滴狀冷凝的協(xié)同作用機(jī)制,進(jìn)而強(qiáng)化傳熱性能;曹敏[19]利用氧化石墨烯(GO)與A-CNTs的靜電自組裝,在聚偏氟乙烯PVDF基體內(nèi)構(gòu)建3D聲子傳輸網(wǎng)絡(luò),相比純PVDF,10 vol%GO-A-CNT/PVDF復(fù)合材料的導(dǎo)熱率提升了628%;David C[20]表明通過(guò)聚合物的獨(dú)特性能和添加劑制造所提供的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)金屬、陶瓷和聚合物換熱器的新型設(shè)計(jì);MAArie[21]研制出了一種添加劑制造工藝生產(chǎn)的新型聚合物復(fù)合換熱器(HX),其質(zhì)量熱流量和體積熱流量分別與同類(lèi)配置相比分別提高了220%及125%;國(guó)彤等人[22]采用氧化石墨烯對(duì)PTFE進(jìn)行改性,探究了填料劑量對(duì)其性能的影響,結(jié)果表明熱導(dǎo)率隨填料添加量的增加而減小。

石墨烯作為一種六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料,其原子間具有較強(qiáng)的共價(jià)鍵力使得結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定,具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能,可有效減少界面熱阻,因此加入少量石墨烯就可以在一定程度上提升聚合物材料的導(dǎo)熱性能。PTFE被稱(chēng)為“塑料之王”,而石墨烯時(shí)下被人稱(chēng)作“黑金”,研究石墨烯改性PTFE后的換熱性能具有重要意義。本文通過(guò)添加石墨烯對(duì)PTFE進(jìn)行了改性并測(cè)量了四氟乙烯的熱導(dǎo)率、比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)及密度,之后對(duì)改性前后的PTFE的耐腐蝕性及疏水性能進(jìn)行了測(cè)試?；谧孕屑庸さ腜TFE熱交換器通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了干空氣條件下添加石墨烯改性前后的PTFE熱交換器在不同工況下的換熱性能。隨后基于數(shù)值模擬方法研究了干空氣與水蒸氣組成的混合氣體條件添加石墨烯改性前后PTFE熱交換器在不同工況下的換熱性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)值模擬

1.1 實(shí)驗(yàn)工況

通過(guò)填充5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))具有高導(dǎo)熱性能的石墨烯加工生產(chǎn)出石墨烯改性的PTFE。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量采用激光閃射法進(jìn)行,聚四氟乙烯材料導(dǎo)熱系數(shù)較低,因此測(cè)試樣品的厚度建議控制在0.1～1 mm之間,儀器為激光導(dǎo)熱儀LFA467(德國(guó)耐馳)。之后測(cè)量不同濃度的硫酸浸泡后改性前及改性后的PTFE質(zhì)量變化來(lái)比較改性前后PTFE材料的耐腐蝕性。最后利用Biolin光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)xTheta Flex(精度:±0.1°)對(duì)添加石墨烯改性前后的PTFE換熱管的靜態(tài)接觸角進(jìn)行測(cè)量。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 PTFE熱換熱器模型建立

PTFE熱交換器換熱管采用的是光滑圓管,換熱管的直徑為10 mm,壁厚為1 mm,采用順排的布置方式,管心距為20 mm。熱交換器管內(nèi)冷卻水與換熱管外的煙氣呈局部交叉流、整體逆流式的布置方式,煙氣采取的單殼程,冷卻水采取的雙管程。單管程換熱管的根數(shù)為10×6根,垂直煙氣來(lái)流方向布置10根,整體共計(jì)布置120根換熱管,單根換熱管的長(zhǎng)度為300 mm。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中,氟塑料熱交換器常常選用U型管的形式,煙氣中的水蒸氣在換熱管表面凝結(jié)后會(huì)沿著換熱管流至U型底部,這就會(huì)導(dǎo)致U型底部的換熱效果很差。因此本次設(shè)計(jì)中換熱管采取水平的布置方式,煙氣自上而下橫掠管束來(lái)與換熱管中冷卻水進(jìn)行熱量的交換,因?yàn)榭梢詷O大地強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)。為了使煙氣均勻地沖刷換熱管,煙氣入口及出口采取天圓地方的設(shè)計(jì)形式,煙氣換熱前流經(jīng)的流道采取漸擴(kuò)的方式設(shè)計(jì)。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)選擇0.5 m/s的流速來(lái)進(jìn)行熱交換器的設(shè)計(jì)[26-28],PTFE熱交換器的三維模型如圖1所示。

1.2.2 冷凝腔體模型

根據(jù)圖1(B)所示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖中冷凝腔體的實(shí)際尺寸,為了計(jì)算方便將其簡(jiǎn)化為二維平面結(jié)構(gòu)。PTFE換熱管的外徑為10 mm,混合氣體自上方入口流入橫掠PTFE換熱管進(jìn)行換熱后自下方出口流出。物理模型以換熱管圓心為坐標(biāo)原點(diǎn),入口及出口分別距離坐標(biāo)原點(diǎn)100 mm,左右兩側(cè)距離坐標(biāo)原點(diǎn)50 mm。多相流模型采用的VOF模型,表面張力模型采用的CSF模型。

圖1 (A)熱交換器的三維模型及其三視圖;(B)聚四氟乙烯單管冷凝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

1.3 求解

1.3.1 熱換熱器模型求解

將構(gòu)建好的物理模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,之后設(shè)置好煙氣域、冷卻水域、煙氣出入口、冷卻水出入口、壁面等后則可以將完成的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行求解。之后將添加石墨烯改性的PTFE以及未添加石墨烯的PTFE材料的物性輸入到Fluent中。接下來(lái)將煙氣的入口溫度設(shè)置為120 ℃,入口速度變化范圍為1～7 m/s,冷卻水入口溫度設(shè)置為20 ℃,入口流速變化范圍為0.3～1.5 m/s。之后試算煙氣及冷卻水出入口的平均溫度作為定性溫度并通過(guò)查表獲得空氣及液態(tài)水在該溫度下的動(dòng)力粘度、密度等參數(shù),最后計(jì)算入口的湍流強(qiáng)度及湍流粘度比作為入口湍流邊界條件。將外邊壁設(shè)置為絕熱條件。之后通過(guò)后處理可以得到整個(gè)計(jì)算域的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的分布,計(jì)算煙氣及冷卻水出入口的平均溫度、平均壓力供后續(xù)的分析計(jì)算。

1.3.2 冷凝腔體模型求解

混氣入口邊界條件為速度入口,出口邊界條件為壓力出口,域兩側(cè)的壁面對(duì)流場(chǎng)及冷凝的影響將兩側(cè)的壁面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界條件,換熱管壁面的厚度設(shè)置為1 mm。數(shù)值模擬操作壓力設(shè)置為101 325 Pa,重力加速度設(shè)置為9.81 g/m2。混合氣體入口溫度為66.8 ℃、速度為0.186 m/s、混氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為0.20,換熱管壁面溫度設(shè)置為20 ℃,石墨烯改性前后的PTFE材料的物性參數(shù)及接觸角的設(shè)置按照前文所述設(shè)置。VOF模型中混合氣體設(shè)置為初始相,液態(tài)水設(shè)置為第二項(xiàng)。組分輸運(yùn)模型中由于水蒸氣體積分?jǐn)?shù)較小,為了減小誤差因此將其設(shè)置為組分1,干空氣設(shè)置為組分2。采用基于壓力的非穩(wěn)態(tài)求解器計(jì)算,壓力速度耦合采用了SIMPLE算法。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料改性后物性變化

PTFE改性前后的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果如表1/圖2所示。添加石墨烯改性后PTFE的導(dǎo)熱性能提升了18.68%,而密度卻下降了10.32%;硫酸浸泡后改性前及改性后的PTFE質(zhì)量變化最高在0.1%左右,通過(guò)掃描電鏡觀察后發(fā)現(xiàn)腐蝕前后材料表面存在缺陷,但由于PTFE自身的性質(zhì)使得材料即使在硫酸中腐蝕其PTFE表面形貌沒(méi)有明顯變化,也沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的跡象(圖3(a)～(d)),可以認(rèn)為添加石墨烯改性后對(duì)于PTFE耐腐蝕性能沒(méi)有影響;改性后靜態(tài)接觸角下降了1.35%,如圖3(e)(f),但是此時(shí)仍有較好的疏水性能,仍可以使煙氣中水蒸氣以珠狀凝結(jié)的方式凝結(jié)?？梢灶A(yù)測(cè)隨著基體中石墨烯含量的增加,其表面能會(huì)不斷地增加導(dǎo)致材料的疏水性能下降。

圖2 耐腐蝕試驗(yàn)過(guò)程中PTFE質(zhì)量變化曲線(UNM為未改性PTFE,M為改性后PTFE)

圖3 (a)未改性PTFE腐蝕前微觀形貌圖;(b)未改性PTFE腐蝕后微觀形貌圖;(c)改性PTFE腐蝕前微觀形貌圖;(d)改性PTFE腐蝕后微觀形貌圖;(e)改性前PTFE靜態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果;(f)改性后PTFE靜態(tài)接觸角測(cè)量結(jié)果

表1 石墨烯改性前后PTFE的熱物性參數(shù)

2.2 材料改性后對(duì)換熱性能的影響

2.2.1 煙氣條件

煙氣入口溫度為120 ℃,煙氣流速為1～7 m/s;冷卻水進(jìn)口溫度為20 ℃,流速為0.5 m/s。如圖4(a),改性前后熱交換器的換熱系數(shù)都隨著煙氣流速的提升而提高,隨著煙氣流速的提升,煙氣側(cè)熱阻占比不斷地降低,管壁導(dǎo)熱熱阻的占比是不斷地提高的,添加石墨烯改性后的PTFE換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)的提高導(dǎo)致管壁導(dǎo)熱熱阻的降低,隨著煙氣流速的提升熱阻降低所帶來(lái)的收益越來(lái)越明顯,如圖4(a),隨著煙氣流速的提升,添加石墨烯改性后熱交換器的換熱性能的提升由3.11%增加到5.62%。

圖4 (a)石墨烯改性前后對(duì)PTFE熱交換器換熱性能的影響及不同煙氣流速下?lián)Q熱性能的提升;(b)石墨烯改性前后熱交換器在不同煙氣流速下的各部分熱阻大小;(c)石墨烯改性前后熱交換器在不同煙氣流速下的各部分熱阻占比

由圖4(b)與圖4(c)我們可以看出,石墨烯改性前后PTFE熱交換器的各部分熱阻大小及其占比的變化趨勢(shì)是相似的,在相同工況下,只改變材料,煙氣側(cè)及水側(cè)熱阻幾乎不變,熱交換器換熱性能的提升也是得益于管壁導(dǎo)熱熱阻的降低。未添加石墨烯改性時(shí),當(dāng)煙氣流速由1 m/s提高到7 m/s時(shí),管壁導(dǎo)熱熱阻的占比由19.67%提升到43.80%;而改性后,當(dāng)煙氣流速由1 m/s提高到7 m/s時(shí),管壁導(dǎo)熱熱阻的占比由17.11%提升到39.64%。再次證明了隨著煙氣流速的提升熱交換器換熱性能提升所帶來(lái)的收益是越來(lái)越明顯的。

由于煙氣流速的提高是有上限的,因此通過(guò)改性提高材料導(dǎo)熱性能降低管壁熱阻是很關(guān)鍵的。而材料導(dǎo)熱性能的提升應(yīng)該存在某個(gè)閾值,在本文研究的范圍內(nèi),當(dāng)煙氣流速較高達(dá)到7 m/s時(shí),煙氣側(cè)熱阻仍然占總熱阻的比例在50%左右,而冷卻水側(cè)對(duì)流換熱熱阻占總熱阻的比例一直較小,因而當(dāng)管壁導(dǎo)熱熱阻與降低至與冷卻水側(cè)對(duì)流熱阻相近時(shí),主要影響熱交換器換熱性能的因素為煙氣側(cè)熱阻,令管壁導(dǎo)熱熱阻等于冷卻水側(cè)熱阻計(jì)算所得材料的導(dǎo)熱系數(shù)即為該閾值。保持換熱管管徑及壁厚不變,當(dāng)冷卻水流速為0.5 m/s時(shí),該閾值為2.32 W/(m·K);而當(dāng)冷卻水流速為1.1 m/s時(shí),該閾值為5.13 W/(m·K),可推測(cè)隨著換熱管壁厚的降低該閾值也是隨之降低的。

2.2.2 混氣條件

混氣入口速度變化范圍為1～7 m/s,混氣入口溫度分別為120 ℃與65 ℃,混氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為20%,換熱管內(nèi)壁溫度為20 ℃。如圖5(a)(c)所示,隨著混氣流速的提高,添加石墨烯改性后對(duì)總換熱系數(shù)及平均對(duì)流換熱系數(shù)的提升是越來(lái)越明顯的。當(dāng)混氣入口溫度為120 ℃,流速為1 m/s時(shí),添加石墨烯改性后分別使得總換熱系數(shù)及平均對(duì)流換熱系數(shù)提高了4.13%與2.89%(圖5b);而當(dāng)流速提高到7 m/s時(shí),添加石墨烯改性后分別使得總換熱系數(shù)及平均對(duì)流換熱系數(shù)提高了7.24%與7.10%。 當(dāng)混氣入口溫度為65 ℃時(shí),由于溫度接近水蒸氣的露點(diǎn)溫度,因而當(dāng)混氣流速較高達(dá)到7 m/s時(shí),混氣中水蒸氣的凝結(jié)速率明顯高于混氣入口溫度為120 ℃時(shí),因而添加石墨烯改性后及未添加石墨烯改性時(shí)的總換熱系數(shù)較平均對(duì)流換熱系數(shù)仍高11.9%及10.8%。

圖5 (a)混氣入口溫度為120 ℃添加石墨烯改性前后換熱系數(shù)隨混氣流速的變化;(b)添加石墨烯前后換熱性能提升隨混氣流速的變化;(c)混氣入口溫度為65 ℃添加石墨烯前后換熱系數(shù)隨混氣流速的變化

2.3 流速與溫度對(duì)換熱性能的影響

混氣入口速度變化范圍為1～7 m/s,混氣入口溫度分別為120 ℃、100 ℃、80 ℃與65 ℃,混氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為20%,換熱管內(nèi)壁溫度為20 ℃。如圖6(a)為混氣中水蒸氣有無(wú)相變對(duì)換熱性能的影響。當(dāng)混氣入口溫度為120 ℃時(shí),隨著混氣流速的提高,水蒸氣凝結(jié)為換熱性能提升所帶來(lái)的收益越來(lái)越小。當(dāng)混氣流速較低時(shí),總換熱系數(shù)較平均對(duì)流換熱系數(shù)高17.12%,而當(dāng)混氣流速達(dá)7 m/s時(shí),總換熱系數(shù)較平均對(duì)流換熱系數(shù)僅提高了0.30%。

圖6 (a)不同混氣入口溫度條件下混合氣體總換熱系數(shù)相較于平均對(duì)流換熱系數(shù)提升的百分比隨混氣流速的變化關(guān)系;(b)不同混氣入口溫度下流速對(duì)換熱性能的影響

如圖6(b)所示隨著混氣流速的提升,平均對(duì)流換熱系數(shù)及總換熱系數(shù)均是不斷地上升的,但是總換熱系數(shù)(有相變)與平均對(duì)流換熱系數(shù)(無(wú)相變)之間的關(guān)系受混氣入口的溫度影響較大。如圖6(a)所示,當(dāng)混氣入口溫度較高時(shí)(120 ℃、100 ℃),隨著混氣流速的提高混氣中水蒸氣凝結(jié)對(duì)于換熱性能提升所帶來(lái)的收益是越來(lái)越小的;當(dāng)混氣入口溫度降低至80 ℃且在混氣流速較低時(shí),其換熱性能提升相較于120 ℃、100 ℃更為平緩一些;當(dāng)混氣入口溫度降低至65 ℃時(shí),已經(jīng)十分接近混氣中水蒸氣的露點(diǎn)溫度(61 ℃左右),此時(shí)混氣中水蒸氣凝結(jié)所帶來(lái)的的換熱性能的提升在混氣流速較低時(shí)先升高,后隨著混氣流速提高又不斷地降低。在相同的混氣入口流速條件下,混氣入口溫度越接近混氣中水蒸氣的露點(diǎn)溫度,混氣中水蒸氣凝結(jié)相較于不凝結(jié)換熱性能提升的越大。

2.4 冷凝溫度對(duì)換熱性能的影響

混氣入口速度為4 m/s,混氣入口溫度為65 ℃,混氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)為20%,換熱管內(nèi)壁溫度分別為10 ℃、20 ℃和30 ℃。如圖7(a)所示,隨著冷凝溫度的提高,混合氣體與冷凝壁面的溫差降低從而導(dǎo)致傳熱驅(qū)動(dòng)力降低,因而導(dǎo)致了平均對(duì)流換熱系數(shù)隨著冷凝溫度的提高而降低,但在本節(jié)所確定的工況中僅降低了不到1%。

圖7 (a)換熱性能隨著冷凝溫度的變化;(b)凝結(jié)熱通量密度隨著冷凝溫度的變化

相較于平均對(duì)流換熱系數(shù),冷凝溫度的變化對(duì)總換熱系數(shù)的影響較大,如圖5(c)所示,當(dāng)冷凝溫度由10 ℃提高到30 ℃時(shí),總換熱系數(shù)分別由96.70 W/(m2·K)(未添加石墨烯改性)、103.95 W/(m2·K)(添加石墨烯改性)下降到93.89 W/(m2·K)、100.83 W/(m2·K),總換熱系數(shù)相較于平均對(duì)流換熱系數(shù)的提升下降了3%左右?？倱Q熱系數(shù)受冷凝溫度的影響相對(duì)較大主要是因?yàn)殡S著冷凝溫度的升高,混氣中水蒸氣凝結(jié)速率下降從而導(dǎo)致通過(guò)換熱管冷凝壁面的凝結(jié)熱通量密度也是不斷降低的,正如圖7(b)中所示,由于隨著冷凝溫度的提高,混氣與冷凝壁面溫度差減小傳熱驅(qū)動(dòng)力下降,因此混氣中水蒸氣降低至露點(diǎn)溫度所需要的時(shí)間增長(zhǎng)了,從而最終導(dǎo)致了凝結(jié)速率的降低。

2.5 水蒸氣含量對(duì)換熱性能的影響

混氣入口速度為4 m/s,混氣入口溫度為65 ℃,混氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)分別為20%、18%、16%及14%,換熱管內(nèi)壁溫度分別為20 ℃。如圖8(a),當(dāng)不考慮混氣中水蒸氣凝結(jié)時(shí),由于在相同的條件下水蒸氣的導(dǎo)熱性能是低于干空氣的,因此隨著混氣中水蒸氣含量的增加,圖中平均對(duì)流換熱系數(shù)是不斷降低的,只不過(guò)當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)由14%增加到20%時(shí),石墨烯改性前后PTFE所對(duì)應(yīng)的平均對(duì)流換熱系數(shù)僅降低了不到0.06%,因而在圖中看的并不明顯。當(dāng)考慮混氣中水蒸氣凝結(jié)時(shí),隨著混氣中水蒸氣含量的增加,總換熱系數(shù)是不斷地提高的,主要是因?yàn)殡S著混氣在水蒸氣含量的增加,如圖8(b)

圖8 (a)熱交換器換熱性能隨混氣中水蒸氣體積份額的變化關(guān)系;(b)凝結(jié)熱通量密度隨著水蒸氣體積份額的變化關(guān)系

中所示,凝結(jié)熱通量密度是不斷地提高的,從而使得總換熱系數(shù)是不斷地提高的。同時(shí)對(duì)比改性前后的凝結(jié)熱通量密度我們發(fā)現(xiàn),由于材料導(dǎo)熱性能的提升使得傳熱阻力降低,因此在其他條件不變時(shí),添加石墨烯改性后使得冷凝速率提高了進(jìn)而使得凝結(jié)熱通量密度最高提高了13.6%。

3 結(jié)論

本論文針對(duì)低溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽么嬖跓崞肺荒艿突厥绽щy及低溫腐蝕等問(wèn)題,提出采用PTFE熱交換器進(jìn)行低溫?zé)煔庥酂岬幕厥绽?且當(dāng)煙氣溫度降低至露點(diǎn)溫度以下時(shí)煙氣中水蒸氣可以以珠狀凝結(jié)的方式析出來(lái)回收這部分潛熱。針對(duì)聚四氟乙烯自身導(dǎo)熱性能較差的短板通過(guò)添加石墨烯改性的方式提高了材料的導(dǎo)熱性能,通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法分別研究了干空氣及混氣條件下添加石墨烯改性前后PTFE熱交換器在不同工況下的換熱性能。得出主要結(jié)論如下:

(1)添加5%的石墨烯改性后的PTFE導(dǎo)熱性能提高了18.68%,同時(shí)改性后PTFE的密度降低了10.32%,靜態(tài)接觸角下降了1.35%,耐腐蝕性能沒(méi)有變化。

(2)干空氣條件下,石墨烯改性后PTFE熱交換器的換熱性能提高并隨著煙氣流速的提升越來(lái)越明顯,當(dāng)煙氣流速較高時(shí),改性后的熱交換器的換熱性能較未改性提高了5.62%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷卻水流速不低于0.5 m/s時(shí),復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)至少需要達(dá)到2.32 W/(m·K)時(shí)才可以更好地滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

(3)混氣條件下,石墨烯改性后PTFE導(dǎo)熱性能的變化使得未添加石墨烯改性的PTFE換熱管表面的凝結(jié)液滴的溫度梯度較改性后提高了0.458%～10.729%。

(4)混氣條件下,混氣中水蒸氣發(fā)生相變相較于不發(fā)生相變換熱性能的提升主要受水蒸氣的冷凝速率的影響提升了大約50%。材料改性后對(duì)于總換熱系數(shù)最高提升了8.3%。