板式蒸發(fā)式冷凝器熱質(zhì)傳遞過(guò)程模型分析

魏高升，陳林，李兵，陳永輝，杜小澤，楊勇平

(1.電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206；2. 中電投東北電力有限公司，沈陽(yáng)市 110181)

板式蒸發(fā)式冷凝器熱質(zhì)傳遞過(guò)程模型分析

魏高升1，陳林1，李兵1，陳永輝2，杜小澤1，楊勇平1

(1.電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 102206；2. 中電投東北電力有限公司，沈陽(yáng)市 110181)

在分析板式蒸發(fā)式冷凝器工作原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理簡(jiǎn)化，提出了一種逆流熱質(zhì)傳遞過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。采用方程求解器對(duì)模型進(jìn)行了分析求解，得到了空氣溫度、空氣濕度和水溫沿流程分布的情況，以及空氣溫度、空氣濕度、空氣流量和水流量對(duì)板式蒸發(fā)式冷凝器換熱特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：空氣溫度越高，蒸發(fā)式冷凝器的換熱量越低，相對(duì)濕度越高，換熱量越?。豢諝饬魉贋?～3 m/s時(shí)，換熱量增加幅度較大；在空氣流速達(dá)到4 m/s之后，換熱量增加緩慢，趨于穩(wěn)定；當(dāng)水流量小于0.2 m/s時(shí)，換熱量與水流量呈線性關(guān)系，水流量越大，換熱量越大。

蒸發(fā)冷卻；凝汽器；板式；傳熱傳質(zhì)

0 引 言

近年來(lái)，為解決在“富煤貧水”地區(qū)或干旱地區(qū)的火力發(fā)電廠缺水問(wèn)題，火電廠汽輪機(jī)凝汽系統(tǒng)大量采用了空氣冷卻(空冷)系統(tǒng)?？绽浼夹g(shù)具有明顯的節(jié)水效果，但同時(shí)也具有運(yùn)行背壓高、煤耗高、對(duì)環(huán)境影響敏感及空冷設(shè)備造價(jià)高等不利因素[1-2]。另外，分析我國(guó)“三北”地區(qū)的特點(diǎn)可知，多數(shù)地區(qū)的缺水屬于季節(jié)性的，這些地區(qū)夏季并不缺水，而夏季正好是用電高峰期且空冷機(jī)組出力明顯不足的季節(jié)。為解決上述矛盾，最有效的方法就是采用聯(lián)合冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空冷與水冷的互補(bǔ)發(fā)電，但聯(lián)合冷卻初投資高，目前還不適合于大規(guī)模發(fā)展。蒸發(fā)冷凝技術(shù)是一種主要利用水的汽化潛熱帶走凝結(jié)熱的換熱設(shè)備，與濕冷技術(shù)相比具有明顯的節(jié)能、節(jié)水效果，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，在冬季運(yùn)行可完全采用空冷形式，近年來(lái)得到了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-8]，并在制冷行業(yè)和化工行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但大型火電機(jī)組采用該冷卻技術(shù)的還很少，只有國(guó)外幾個(gè)小型電廠采用了該種冷卻技術(shù)[9-10]，積極推進(jìn)蒸發(fā)冷凝技術(shù)在火電機(jī)組冷卻系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用無(wú)疑具有重要價(jià)值，美國(guó)加州能源部研究報(bào)告就認(rèn)為蒸發(fā)式冷凝器很有潛力成為火電機(jī)組新一代節(jié)水型冷凝技術(shù)[11]。

板式蒸發(fā)冷凝技術(shù)是綜合考慮板式換熱器和蒸發(fā)式冷凝器的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)出來(lái)的新一代冷凝技術(shù)，目前尚處于研究階段。傳統(tǒng)的板式換熱器一般抗壓能力比較差，全焊接板式蒸發(fā)冷凝器通過(guò)波紋板突起部分的巧妙對(duì)接實(shí)現(xiàn)換熱器的抗壓，具有很好的抵抗冷凝端真空的能力。這種換熱器既可設(shè)計(jì)成逆流，也可設(shè)計(jì)成順流，板片既可垂直布置，也可傾斜布置[12]，同時(shí)可制備成單元式，具有很好的大型化基礎(chǔ)，近年來(lái)得到了很多學(xué)者的關(guān)注和研究[13-18]。本文通過(guò)分析逆流式板式蒸發(fā)空冷凝汽器的熱質(zhì)傳遞過(guò)程，采用方程求解器(engineering equation solver, EES)工具對(duì)換熱器內(nèi)的熱質(zhì)傳遞規(guī)律進(jìn)行研究，分析空氣量、噴淋水量等關(guān)鍵因素對(duì)換熱器性能的影響規(guī)律，供板式蒸發(fā)式凝汽器設(shè)計(jì)時(shí)參考。

1 系統(tǒng)描述

圖1為逆流式板式蒸發(fā)式凝汽器的結(jié)構(gòu)示意圖[13]。蒸汽從垂直放置的換熱板片上部進(jìn)汽管進(jìn)入板片內(nèi)，在板片內(nèi)冷凝放熱，凝結(jié)水從換熱板片的出口聯(lián)箱流出；換熱板片內(nèi)的蒸汽冷凝放出的熱量經(jīng)板壁傳遞給板外水膜，再經(jīng)水膜表面的蒸發(fā)和對(duì)流傳熱，

圖1 板式蒸發(fā)式凝汽器示意圖

將熱量傳遞給板外流過(guò)的空氣，熱傳遞包括顯熱傳熱和由于蒸發(fā)引起的質(zhì)量傳遞所帶走的潛熱；空氣在風(fēng)機(jī)的作用下從蒸發(fā)式冷凝器的下部進(jìn)入，經(jīng)過(guò)換熱板片組，由上部排入大氣，帶走噴淋水蒸發(fā)生成的水蒸汽；沒(méi)有蒸發(fā)的水流入下部的儲(chǔ)水池，經(jīng)由噴淋水泵壓送到換熱板片的上方，經(jīng)噴嘴噴淋在換熱板片表面形成水膜，實(shí)現(xiàn)噴淋水的循環(huán)使用；采用吸風(fēng)式結(jié)構(gòu)可以使蒸發(fā)式冷凝器的箱體內(nèi)部保持一定的負(fù)壓，可以降低水的蒸發(fā)溫度，更有利于換熱。噴淋裝置的上面設(shè)有擋水板，可以擋下濕空氣中的水滴，進(jìn)一步節(jié)約用水。蒸發(fā)式冷凝器在運(yùn)行過(guò)程中，噴淋水不斷蒸發(fā)，需要及時(shí)補(bǔ)充冷卻水以維持一定水量。

2 逆流熱質(zhì)傳遞數(shù)學(xué)模型

分析圖1中逆流式板式蒸發(fā)式冷凝器可知，熱量主要從板片一側(cè)蒸汽到板片另一側(cè)噴淋水膜和空氣進(jìn)行傳遞，為了便于分析，可將這一過(guò)程簡(jiǎn)化為圖2的熱質(zhì)傳遞過(guò)程，并作如下假設(shè)：(1)忽略空氣及水在流動(dòng)截面的不均勻性；(2)熱質(zhì)交換過(guò)程穩(wěn)定；(3)空氣側(cè)壁面設(shè)為絕熱，液膜側(cè)壁面設(shè)為恒壁溫；(4)忽略水膜表面吸收水蒸汽的傳質(zhì)阻力；(5)忽略表面摩擦力。結(jié)合文獻(xiàn)[3-4,18-21]的理論分析結(jié)果，進(jìn)一步分析可得以下熱質(zhì)傳遞數(shù)學(xué)模型。

圖2 熱質(zhì)傳遞過(guò)程示意圖

質(zhì)量守恒方程：

madωa=-dmw

(1)

式中：ma為空氣質(zhì)量流率，kg/s；ωa為空氣含濕量，kg/kg；mw為水的質(zhì)量流率，kg/s；下標(biāo)a表示空氣，w表示水。

水膜到空氣的質(zhì)量傳遞方程：

(2)

式中：L為流程長(zhǎng)度；y軸與空氣流的方向一致，空氣和水的進(jìn)、出口參數(shù)已在圖2中標(biāo)出，下標(biāo)i表示入口，o表示出口，equ表示界面處水與空氣的平衡狀態(tài)；NTU為傳熱單元數(shù)，其表達(dá)式為

(3)

式中：hd表示傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)；An表示傳質(zhì)表面面積，m2。

能量守恒方程：

madha+mwdhw+hwdmw-

(4)

式中：α為單位體積的有效面積，m2/m3；A表示橫截面面積；h表示焓值，J；h0為壁面到液膜的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；T0、Tw分別表示壁面與水膜溫度，℃。

水膜與空氣間的能量傳遞方程：

(5)

式中：λ為汽化潛熱，kJ/kg ；顯熱傳熱量計(jì)算為Q=hcΔtA，傳質(zhì)速率為M=hdΔcAn，kg/s；Δc為濃度差，在此M=hdAnΔω；Le為路易斯數(shù)，其表達(dá)式為

(6)

式中：cp為比熱容，kJ/(kg·K)；hc為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

3 結(jié)果與討論

采用EES對(duì)以上傳熱、傳質(zhì)模型進(jìn)行了分析求解，計(jì)算中循環(huán)水入口溫度設(shè)定為出口溫度減去0.5 ℃(考慮環(huán)境散熱)，液膜厚0.2 mm，蒸汽冷凝溫度固定為40 ℃，即壁溫設(shè)為恒定40 ℃。幾何條件為：板片長(zhǎng)0.4 m，高0.1 m，壁厚2 mm；內(nèi)部蒸汽流道寬10 mm，外部空氣流道寬26 mm，共625組。

圖3為空氣溫度、濕度、水溫、蒸汽冷凝溫度沿程的分布情況。由圖3可知：流動(dòng)過(guò)程中不斷從板壁吸收熱量，水溫逐漸趨近冷凝溫度，但這種溫度變化并不顯著；空氣溫度略有提高，而空氣濕度變化非常顯著，表明這種逆流式蒸發(fā)式冷凝器主要依靠的是水的蒸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞的，而通過(guò)空氣顯熱所傳遞的熱量很少。

圖4分別為空氣溫度、濕度對(duì)換熱量的影響情況，空氣流量對(duì)換熱量的影響，水流量對(duì)換熱量的影響。由圖4(a)可知：隨著空氣溫度的升高，換熱量下降，這是因?yàn)楫?dāng)空氣的溫度較低時(shí)，空氣與水膜之間的溫差較大，有利于換熱；空氣溫度升高，與水膜之間的溫差減小，換熱能力下降。換熱量與空氣的相對(duì)濕度成線性關(guān)系，相對(duì)濕度越高，換熱量越?。凰づc空氣之間既有顯熱傳遞又有傳質(zhì)作用帶走的潛熱，相對(duì)濕度較高時(shí)，傳質(zhì)作用的推動(dòng)力，水膜與空氣間的水蒸汽濃度差變小，減弱了傳質(zhì)作用。

圖3 空氣溫度、濕度、水溫、蒸汽冷凝溫度沿程分布情況

圖4 空氣溫度和濕度、空氣流量、水流量對(duì)換熱量的影響

由圖4(b)可以看出：空氣流速為1 ～3 m/s時(shí)，換熱量增加幅度較大，在空氣流速達(dá)到4 m/s之后，換熱量增加緩慢，趨于穩(wěn)定；隨著空氣流速增加，空氣流量變大，帶走了傳遞到空氣中的顯熱及水蒸汽，進(jìn)一步強(qiáng)化了傳質(zhì)作用，因此換熱量增加。隨著空氣流速不斷增大，與液膜接觸時(shí)間減少，所以達(dá)到一定流速后，換熱量的增幅減小。

由圖4(c)可看出：在所研究的參數(shù)范圍內(nèi)，換熱量與水流量呈線性關(guān)系，水流量越大，換熱量越大。水溫沿程變化很小，且液膜側(cè)壁面設(shè)置為恒壁溫，因此換熱量主要受水流量的影響，隨水流量的增大而增大。

4 結(jié) 論

(1)逆流板式蒸發(fā)冷凝器的換熱量隨著空氣溫度的升高而降低，隨著空氣相對(duì)濕度的提高線性降低，低溫干燥環(huán)境是采用蒸發(fā)式空冷凝汽器的有利條件。

(2)當(dāng)空氣流速為1～3 m/s時(shí)，板式蒸發(fā)式冷凝器的換熱量隨空氣流速的提高增幅較大，當(dāng)空氣流速達(dá)到4 m/s之后，換熱量增長(zhǎng)緩慢，逐漸趨于穩(wěn)定。

(3)噴淋水量對(duì)板式蒸發(fā)冷凝器的換熱量影響顯著，當(dāng)水流量小于0.2 m/s時(shí)，換熱量與水流量呈線性關(guān)系，水流量越大，換熱量越大。

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陳永輝(1977)，碩士，高級(jí)工程師，主要從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)管理等方面的工作;

杜小澤(1970)，男，博士，教授，主要從事強(qiáng)化傳熱與電力節(jié)能、火電站空冷技術(shù)等的研究工作；

楊勇平(1967)，男，博士，教授，主要從事電站節(jié)能、電站空冷技術(shù)、分布式能源、太陽(yáng)能熱利用、CO2減排、IGCC等方面的研究工作。

(編輯：蔣毅恒)

ModelAnalysisonHeatandMassTransferProcessinPlate-TypeEvaporativeCondenser

WEI Gaosheng1, CHEN Lin1, LI Bing1, CHEN Yonghui2,DU Xiaoze1, YANG Yongping1

(1. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. CPI Northeast Power Co., Ltd., Shenyang 110181, China)

Based on the analysis on the working principle of plate-type evaporative condenser, the mathematical model of counter-flow heat and mass transfer process was put forward through reasonable simplification, and solved by equation solver. The variation features of air temperature, air humidity and water temperature in the process were obtained. And then the influence characteristics of air temperature, air humidity, air flow rate and water flow rate on the heat transfer characteristics of plate-type evaporative condenser were analyzed. The results show that the heat transfer rate of evaporative condenser decreases with the rise of air temperature, or the rise of relative humidity. The heat transfer rate increases rapidly with the rise of air velocity when air velocity is in the range of 1-3 m/s, and increases slowly and tends to be stable when air velocity is larger than 4 m/s. The heat transfer rate increases linearly with the rise of water flow rate when water flow rate is less than 0.2 m/s.

evaporative cooling; condenser; plate-type; heat and mass transfer

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973項(xiàng)目)(2009CB219804)。

TM 621

： A

： 1000-7229(2014)06-0018-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.004

2014-01-13

：2014-02-28

魏高升(1975)，男，博士，副教授，主要從事熱物性理論，火電機(jī)組節(jié)能等領(lǐng)域的研究工作，E-mail:gaoshengw@126.com；

陳林(1982)，男，博士，講師，主要從事傳熱傳質(zhì)學(xué)及換熱強(qiáng)化等領(lǐng)域的研究工作；

李兵(1984)，男，碩士研究生，主要從事傳熱傳質(zhì)學(xué)及換熱強(qiáng)化等領(lǐng)域的研究工作；