锅炉煤炭燃烧过程中会产生大量的余热，这些余热排放在大气中不仅会造成能源损失，而且会导致环境污染。采用热换能设备进行锅炉余热回收是解决这些问题的有效措施。传统的热换能设备采用金属材料进行制造，但这种材料面临低温腐蚀等问题。如果排放烟气经过热换能设备处理后温度过低，会对化学性能不稳定的材料进行腐蚀，导致热换能设备工作失效，因此，解决金属材料换热器的低温腐蚀问题至关重要[1-3]。为了解决换热器材料在煤炭锅炉余热处理中的不稳定问题，氟塑料作为一种新型材料被用于热换能器的设计中，并受到研究者的关注[4-7]。虽然氟塑料换热器的研究时间较短，但由于优越的材料特征受到广泛的关注。首先，氟塑料本身具有较好的稳定性，尤其是具有较好的耐腐蚀性。此外，氟塑料换热器的传热面积大、温差和压差小，能够有效改进传热特性，提高换热器的紧凑性。通常来说，氟塑料换热器的管径较小、管壁较薄，综合传热系数可达到120~220 W/(m2·K)[8-9]。由于氟塑料材料的密度比较小，使得氟塑料换热器的质量会远远小于金属材料的换热器。靳超然等[10]研究了氟塑料换热器的数值模拟方法，研究表明，对氟塑料进行改性可显著提高换热系数。樊鹏等[11]设计了一种新型氟塑料零泄漏水媒式烟气再热系统，有效解决了烟囱冒白烟和石膏雨的问题。但目前氟塑料换热器的设计方式比较复杂，工艺参数对换热器的传热性能影响研究方法还不够成熟，导致氟塑料换热器的使用比较困难[12-15]。因此，针对煤炭锅炉的余热回收问题，设计一种氟塑料换热器结构，通过有限元方法对氟塑料换热器的结构参数进行优化设计。1基于氟塑料换热器的锅炉余热回收结构设计氟塑料材料具有较好的化学稳定性，种类较多，常用的氟塑料为聚四氟乙烯。为了提高换热器的热传递性能，本实验设计了一种间壁式U型套管的氟塑料换热器。图1为设计的氟塑料换热器。从图1可以看出，氟塑料换热器是由两个不同直径的同心管交替组成。其中，烟气的流动管为外侧的U型管，管的半径大小为5 cm，且烟气的进口位置和出口位置在图中已经注明。冷媒水的流动管是位于内侧的U型管，管的半径大小为3 cm，且冷媒水的进口位置和出口位置在图中已经注明。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.013.F001图1间壁式U型套管的氟塑料换热器Fig.1Fluoroplastic heat exchanger with partition U-shaped tube2仿真分析2.1模型建立氟塑料换热器的总长度为6 m，总宽度为40 cm，且三维模型的建立通过软件中的拉伸和旋转特征实现。2.2模型设置由于仿真中需要涉及流体流动和热量传递，所以在COMSOL软件中需要选择多物理场进行耦合。第一个物理场选择的是层流，参考压力水平为1.01×105 Pa，无湍流类型，设置烟气的入口速度为0.09 m/s，冷媒水的入口速度为0.205 m/s，烟气和冷媒水的出口压力都为0。第二个物理场选择的是流体传热，参考温度设置为21 ℃，设置烟气的入口温度为131 ℃，冷媒水的入口速度为61 ℃。设置氟塑料换热器的材料为聚四氟乙烯，厚度为7 mm，恒压热熔为475 J/(kg·K)，密度为2 200 kg/m3，导热系数为0.24 W/(m2·K)，相对介电常数为1，弹性模量为205×109 Pa，泊松比为0.28，电导率为4.032×106 S/m，热膨胀系数为50×10-5 (1/K)，相对磁导率为1。由于仿真的目标需要得到氟塑料换热器的等效传热系数，因而需要在换热器的内壁设置一个等效变量。在软件的定义中选择非局部耦合，点击平均值的设置，从几何实体层中设置定位源的边界为内壁。2.3网格划分根据氟塑料换热器结构特点，其中间部分都是很长的直管，而两端是较为复杂的进出口管和U型管，因此需要在结构中设置特定的工作平面对结构进行划分。对于工作平面1，在软件中点击工作平面进行设置，选择平面的类型为面平行，在模型中选择参照的边界，设定工作平面1与参考平面的法向偏移距离为0.4 m。同样，设置工作平面2与参考平面的法向偏移距离为6 m。根据已定义好的工作平面1和工作平面2可对整体模型划分为三部分，分别为直管部分、U型管部分以及进出口管部分。根据这三部分的结构特点，设置不同的网格划分方式。对于入口管的部分，采用自由四面体网格进行网格划分，采用流体动力学进行校准，尺寸大小选择较细化。对于直管的部分，采用扫掠的方式进行网格划分，采用流体动力学进行校准，尺寸大小选择超细化，分布形式为对称分布。对于U型管部分，采用自由四面体网格进行网格划分。网格划分网格纵横比为1.06，网格匹配率为96.59%，一般网格匹配率大于90%，表明网格划分效果较好，可以用于模拟仿真。图2为氟塑料换热器的网格划分。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.013.F002图2氟塑料换热器的网格划分Fig.2Mesh of fluoroplastic heat exchanger2.4计算设置选择模型求解器的类型为稳态求解器，设置分离的稳定性和加速性为Anderson加速度，计算过程中共花费时间为1 525 s，内存为4.48 G。2.5结果分析2.5.1流动速度图3为氟塑料换热器的速度分布。从图3可以看出，烟气的流速和冷媒水的流速都在进出口以及U型管过渡段位置的变化比较大，而在直管中流速比较稳定，基本保持不变。由于流速图只适合观察速度的分布变化，不能定量的得到管内流体的流速，因此在软件中采用全局计算得到各个位置流速的大小。首先，冷媒水在内管入口处的流速为0.205 m/s，内管出口处的流速为0.206 26 m/s，流速增加了0.0012 6 m/s。其次，烟气外管入口处的流速为0.09 m/s，外管出口处的流速为0.089 544 m/s，流速降低了0.000 456 m/s。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.013.F003图3氟塑料换热器的速度分布Fig.3Velocity distribution of fluoroplastic heat exchanger2.5.2温度和压力图4为氟塑料换热器的表面温度分布。从图4可以看出，外侧管的温度从入口到出口时会下降，而内侧管的温度从入口到出口时会上升。此外，外侧管的温度下降主要发生在U型管的过渡处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.013.F004图4氟塑料换热器的表面温度分布Fig.4Surface temperature distribution of fluoroplastic heat exchanger为了观测到内管的温度分布情况，图5为选择xy截面得到的温度分布图。从图5可以看出，内管的温度分布与外管类似，温度上升主要发生在U型管的过渡处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.013.F005图5氟塑料换热器的截面温度分布Fig.5Cross-sectional temperature distribution of fluoroplastic heat exchanger为了定量得到温度变化数值，通过全局计算得到内外管的温度的大小。冷媒水在内管入口的温度为60 ℃，在内管出口的温度为69.045 ℃，温度上升9.045 ℃。烟气在外管入口的温度为130 ℃，在外管出口的温度为123.03 ℃，温度下降6.97 ℃。压降是换热器的重要参数之一，压降越小，换热器的性能越好。在全局计算中选择绝对压力，得到内外管内压力变化的情况。冷媒水在内管入口的压力为101 490 Pa，在内管出口的压力为101 330 Pa，进出口的压降为160 Pa。烟气在外管入口的压力为102 680 Pa，在外管出口的压力为101 330 Pa，进出口的压降为1 350 Pa。等效传热系数描述了换热器的性能，通过仿真计算得到等效传热系数为40.168 W/(m2·K)。2.5.3不同冷媒水速度对换热性能的影响冷媒水为影响换热器性能的主要参数之一，为探究冷媒水温度对换热性能的影响，选取速度范围为0.20~0.30 m/s的冷媒水进行分析，参数间隔选取0.02 m/s。图6为冷媒水压降随冷媒水流速的变化关系。从图6可以看出，当冷媒水流速为0.2 m/s时，冷媒水压降为160 Pa；当冷媒水流速为0.3 m/s时，冷媒水压降为260 Pa。由此可知，冷媒水压降随着冷媒水流速的增大而增大，呈近似线性关系。较高的冷媒水压降会产生较好的冷却效果，但会影响冷媒水的回流，需要考虑冷却效果和冷媒水回流效率的均衡性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.013.F006图6冷媒水压降随冷媒水流速的变化Fig.6Variation of refrigerant water pressure drop with refrigerant water flow rate图7为烟气压降随冷媒水流速的变化关系。从图7可以看出，当冷媒水流速为0.2 m/s时，烟气压降为1 350 Pa；当冷媒水流速为0.3 m/s时，烟气压降为1 390 Pa。当冷媒水流速增大时，烟气压降会随之增大，在冷媒水流速从0.26 m/s变化到0.28 m/s时，烟气压降保持为1 380 Pa。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.013.F007图7烟气压降随冷媒水流速的变化Fig.7Variation of smoke pressure drop with refrigerant water flow rate图8为烟气温度降低随冷媒水流速的变化。从图8可以看出，当冷媒水流速为0.20 m/s时，烟气温度降低为6.97 ℃；当冷媒水流速为0.3 m/s时，烟气温度降低为8.12 ℃。因此，烟气温度降低随冷媒水流速的增大而增大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.013.F008图8烟气温度降低随冷媒水流速的变化Fig.8Variation of flue gas temperature decreases with refrigerant water flow rate图9为等效传热系数随冷媒水流速的变化关系。从图9可以看出，当冷媒水流速为0.20 m/s时，等效传热系数为40.168 W/(m2·K)；当冷媒水流速为0.30 m/s时，等效传热系数为46.524 W/(m2·K) 。等效传热系数随着冷媒水流速的增大呈线性增大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.03.013.F009图9等效传热系数随冷媒水流速的变化Fig.9Variation of equivalent heat transfer coefficient with refrigerant water flow rate综上所述，冷媒水压降、烟气压降、烟气温度降低和等效传热系数都随着冷媒水的流速增大而提高，因此氟塑料换热器的性能随着冷媒水的流速增大而提高。另一方面，冷媒水压降和烟气压降的升高虽然提高了换热性能，但也会降低冷媒水和烟气的回流效率。根据流体力学理论，当流体压力的压力变化较大时需要比较大的能量输入。因此，如果输入能量超过冷凝回收的热能，就会出现负能量收益。3结论针对传统金属换热器在锅炉余热回收过程中存在低温腐蚀的问题，设计了一种U型管的氟塑料换热器结构，充分增加了烟气与冷媒水的接触面积。通过有限元方法计算了氟塑料换热器换热性能，并且分析了冷媒水流速对换热器性能的影响，换热器的等效传热系数为40.168 W/(m2·K)。主要结论如下：(1)冷媒水在内管出口处的流速比入口处的流速提高了0.001 26 m/s。烟气外管出口处的流速比入口处的流速降低了0.000 456 m/s。冷媒水在内管出口的温度比入口处的温度上升了9.045 ℃。烟气在外管出口的温度比入口处的温度下降了6.97 ℃。(2)氟塑料换热器的冷媒水压降、烟气压降、烟气降低温度和等效传热系数都会随着冷媒水流速的增大而增大，氟塑料换热器的性能随着冷媒水的流速增大而提高。