论文总字数：26704字

摘 要

随着经济的快速发展，人类对能源的需求日益增加，据统计，当前 我国的能源利用率仅为30%，而我国的余热回收利用率仅为34.9%，可见，余热的回收利用存在很大的发展空间。在实际的余热回收工程中，低温腐蚀是一个不可忽视的问题。基于Ni-P镀层材料抗低温腐蚀的优良性能和余热回收的节能效率，研究Ni-P防腐镀层管束对流凝结换热有很大的价值。

本文在设计的对流管束换热试验台上进行Ni-P防腐镀层管束对流凝结换热实验，研究了在不同的空气流量和不同的水蒸气质量分数的条件下Ni-P防腐镀层管束的平均换热情况，并对相同条件下的Cu管束的平均换热情况进行对比实验，拟合出了含湿气体横掠Ni-P防腐镀层管束凝结换热系数的实验关联式，同时通过试验台上的可视化窗口上观察管束的凝结情况。

实验结果表明，Ni-P防腐镀层管束的凝结状况主要以珠状凝结为主，而Cu管束的主要凝结状况主要以膜状凝结为主，这与大部分相关文献的实验结果符合。

随着空气流量的增加，Ni-P防腐镀层管束和Cu管束的平均凝结换热系数都不断增加，这主要是因为混合气体流速增加导致珠状凝结的水珠生成周期变短，而膜状凝结的水膜厚度变薄，使得凝结换热状况变好。

在相同的实验条件下，Ni-P防腐镀层管束相较于Cu管束的平均换热系数有提升，这主要是因为Ni-P防腐镀层管束与Cu管束由于表面情况不同导致的凝结状况有差异，实验结果与通过文献阅读猜测的结果相符。

最后实验拟合出了含湿空气横掠Ni-P防腐镀层管束的换热系数实验关联式，并能与实验结果保持在10%误差内。

关键词：含湿气体；Ni-P镀层管束；对流凝结换热；换热系数；实验关联式。

Abstract

With the rapid economic development, human’s demand for energy is increasing. According to statistics, the energy utilization rate in China is only 30%, while the waste heat recovery rate in China is only 34.9%, showing that, there is a big waste heat recycling development. In the actual waste heat recovery projects, low temperature corrosion is a problem can not be ignored, linked to the Ni-P coating material on the performance of low-temperature corrosion resistance has a good effect, taking into account the heat recovery efficiency, convective condensation heat transfer experimental study of tube bundles coated with Ni-P preservative is necessary.

The experiments studied the average heat transfer condition of tube bundles coated with Ni-P preservative with different air flow and different steam flow. Then the result was compared with Cu tube that with the same condition. In this paper, the experimental correlations of the Nusselt number in the tube bundles is developed by linear fitting. And in the experiment, the convective condensation condition can be seen from the glass window.

The results show that, tube bundles coated with Ni-P preservative mainly do beads condense and Cu tube bundles mainly do film condensation which is in line with most of the relevant literature.

With the increase in air flow, the condensation heat transfer coefficient of tube bundles coated with Ni-P preservative and Cu tube bundles become bigger. The condensation heat transfer coefficient of tube bundles coated with Ni-P preservative is bigger than Cu tube bundles under the same experiment condition which is in line with most of the relevant literature.

Finally, this experiment has developed experimental correlations for condensation heat transfer coefficient of tube bundles coated with Ni-P preservative.

Key word: Moisture gas; Ni-P bundle; condensation heat transfer; heat transfer coefficient; Experimental Correlation;

目录

摘 要 I

Abstract 2

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 目前相关研究进展 2

1.2.1 对流凝结复合换热性能理论研究 2

1.2.2 Ni-P镀层耐蚀性能实验研究 3

1.2.3 Ni-P镀层表面对流凝结复合换热特性实验研究 4

1.3 课题研究目的及内容 4

1.4 本章小结 5

参考文献 5

第二章 实验系统以及数据处理 7

2.1 实验系统及步骤 7

2.2 实验仪器及设备 9

2.2.1 空气压缩机 10

2.2.2 直流式蒸汽发生器 10

2.2.3 电加热器及智能PID仪表 11

2.2.4 蠕动泵 11

2.2.5 数字显示温控器 12

2.2.6 热电偶丝的焊接和标定 12

2.2.7 温湿度变送器 13

2.2.8 U型管压力计 14

2.2.9 数据采集器 14

2.3 实验数据的处理方法 15

2.3.1 湿空气物性参数的计算 15

2.3.2 换热系数的计算 16

2.3.3 凝结对流换热关联式的拟合 18

2.4 实验误差分析 18

2.5 本章小结 19

参考文献 19

. 19

第三章 防腐Ni-P镀层管束换热性能实验研究 20

3.1 Ni-P镀层管抗腐蚀性能研究 20

3.2 换热实验过程中的变量 21

3.3 管外壁凝结换热系数的影响因素 22

3.3.1 水蒸气质量分数对管外壁凝结换热系数的影响 22

3.3.2 空气流量（气侧雷诺数）对凝结换热系数的影响 23

3.4 气侧复合换热系数的影响因素 24

3.4.1 水蒸气质量分数对气侧复合换热系数的影响 24

3.4.2 空气流量（气侧雷诺数）对气侧复合换热系数的影响 26

3.5 总对流凝结复合换热系数的影响因素 27

3.5.1 水蒸气质量分数对总对流凝结复合换热系数的影响 27

3.5.2 空气流量（气侧雷诺数）对总对流凝结复合换热系数的影响 28

3.6 含湿气体横掠Ni-P镀层管束的换热系数实验关联式 29

3.7 本章小结 30

第四章 结论 31

第五章 致谢 33

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

能源的现存储量是关乎人类生存和发展的主要基础，能源的利用效率是衡量国家科技实力的重要指标。据世界自然基金会和联合国环境计划组织联合发表的《2000年地球生态报告》显示，人类若按照目前的速度继续消耗地球资源，那么地球上所有的自然资源会在2075年前耗尽。再回到我国国情，首先，我国是世界上最大的发展中国家，不管是经济还是社会文化都正处于快速发展的阶段，在能源消耗方面，我国已经成为世界第二大能源消费国。与我国巨大的能源需求相比，我国的能源储备就显得捉襟见肘。据统计我国各种一次性能源资源储量大约只有世界总储量的10%，人均占有量不到世界人均水平的一半。其次，我国能源利用效率总体偏低。据统计，2008年国内生产总值约占世界的8.6%，但能源消耗占世界的19.3%，单位国内生产总值能耗仍是世界平均水平的2倍以上。2010年全国钢铁、建材、化工等行业单位产品能耗比国际先进水平高出10%-20%。当前我国的能源利用效率仅仅为30%，其中有很多未利用的能量以余热的形式排放到大气中。

目前，许多工矿企业都存在工业余热，烟气的余热在整个的工业余热中占有很大部分，可以作为节能的重要目标。烟气的余热存在于各行业的生产过程中，特别是在电力、钢铁、石油、化工、建材、机械、轻工和食品等行业存在着量大面广的余热资源，被认为是继煤、石油、天然气、水力之后的第五大常规能源。据文献报告：我国主要工矿企业的余热资源的回收率仅仅为34.9%，节能的空间和潜力非常大。因此，充分利用余热资源是企业节能减排的主要内容和手段之一^[1]。

烟气余热按温度分可分为：高温烟气余热(温度高于650℃)，中温烟气余热(200—650℃)，低温烟气余热(小于200℃) 三种类型。高温烟气的热品位较高，利用难度低，基本可以回收利用。低温烟气温度较低，能量的品质较低，余热利用过程中换热温差小，需要更多的换热面积，投资成本相对较大，资金回收周期长。并且，低温烟气存在一定量的粉尘和少量SO2、H2S、HCl等酸性介质组分，这些腐蚀性介质会引起烟气酸露点温度升高，使受热面的最低壁温低于酸露点温度，产生低温腐蚀。

腐蚀是金属的癌症。美国国际腐蚀工程师协会（NACE）的调查表明，腐蚀对国民经济的危害超过所有自然灾害的总和。全世界每90秒就有1吨钢因为腐蚀而损失，而炼制1吨钢所需的能源却足够一个家庭用3个月，由此可见，腐蚀实际上是对自然资源的极大浪费。腐蚀不可避免，但是腐蚀损失又是可防可控的，只要采取现代化的防腐蚀技术和材料，至少可以减少20%-30%的腐蚀损失，约为GDP的1%，节能效果十分显著^[2]。换热器在石化、建筑、电力、冶金等领域应用非常广泛，特别是现代石油、化工、电力等生产设备中，各类换热器约占整个设备投资的20-40%，从设计、制造、使用到维护，防腐问题已经成为企业经营和技术管理共同关心的焦点^[3]。

综上所述，低温烟气的余热回收主要面临着对流凝结换热强度低和换热器低温腐蚀严重两个难题。关注到目前，应对以上两个难题的技术主要集中在开发新型耐腐蚀、高传热性能的涂层，其中化学镀Ni-P材料在技术应用上已经比较成熟完善，并且化学镀Ni-P镀层在烟气凝结液下具有远优于纯铜的耐腐蚀性，能够满足工业烟气抗低温腐蚀的要求，如果能够验证化学镀Ni-P镀层具有较好甚至更好的换热性能，或者能够通过研究开发出应用于Ni-P镀层的高效换热技术，那么Ni-P镀层就能够很好的解决上述的两个问题，并且可以广泛应用在回收工业烟气中的潜热的工程上，提高能源利用率，为解决环境问题做出重大贡献。本课题拟通过建立合理的实验模型，通过实验研究得出含湿气体横掠Ni-P镀层管束对流凝结换热的实验关联式，研究Ni-P镀层管束的换热性能，并与紫铜管管束换热特性进行对比。

1.2 目前相关研究进展

1.2.1 对流凝结复合换热性能理论研究

含湿混合气体的对流凝结复合换热性能理论研究起源于Nusselt对静止纯净蒸气的凝结换热的研究，迄今为止实验数据基础上得出的混合气体凝结换热系数的关联式基本是Nusselt凝结换热计算式的修正形式：，式中为混合气体凝结换热系数，为Nusselt凝结换热系数，而修正系数由实验数据确定，一般被看成只是不凝气体含量的函数^[4]。含湿混合气体的凝结换热过程一直受到国内外研究人员的关注，迄今为止已经有研究单位开始在大量实验工作的基础上进行一定条件下的理论分析，并分别取得了一定的成果。对于含湿混合气体的理论分析和模拟研究，很多学者做出了自己的努力。Colburn和Edison最早进行了研究，并提出著名的气液相界面质扩散理论。Sparrow和Marschall给出对双组分蒸汽在垂直平板上自然对流凝结换热的解析解，为其后的一些数值模拟奠定了基础。

Karl Stephan^[5]利用数学分析的方法，研究了含湿混合气体在竖壁的凝结过程，对凝结过程热流密度受不凝气体的存在而产生的影响做出了判断。

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