混合流蒸發(fā)式冷凝器中鼓泡板片噴淋側(cè)熱質(zhì)傳遞研究

周慶權(quán) 張坤龍 潘旭光 劉婧楠 高 明 陳永保 彭 昕,3 章立新

(1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200093；2 浙江三新科技有限公司 紹興 312521；3 中化工程滄州冷卻技術(shù)有限公司 滄州 061000)

凝汽式熱力發(fā)電需要冷凝電廠乏汽，然后將廢熱排放給環(huán)境，早期以水冷和空冷為主[1]，且大部分水冷向環(huán)境水體直接排放。目前水冷主要通過開式冷卻塔向空氣釋放循環(huán)冷卻水所攜帶的冷凝廢熱。蒸發(fā)式冷凝器原較多應(yīng)用于制冷行業(yè)，現(xiàn)也擴(kuò)展應(yīng)用于電廠乏汽冷凝和石化行業(yè)的工藝?yán)淠?，原理兼?zhèn)渌浜涂绽涞奶攸c(diǎn)，相比于其它兩種冷凝器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能節(jié)水和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。

國內(nèi)用蒸發(fā)式冷凝器冷凝電廠乏汽尚在起步階段。杜小澤等[5]建立了管式蒸發(fā)冷凝器的理論分析模型,獲得了噴淋水溫度、空氣和蒸氣的焓值在小型汽輪機(jī)排氣冷凝器內(nèi)沿程變化的規(guī)律。鐘振興[6]建立了板殼蒸發(fā)式乏汽凝汽器的熱質(zhì)傳遞模型，所研究板殼蒸發(fā)式乏汽凝汽器的空氣及水側(cè)通道、水蒸氣側(cè)通道間距均為19.6 mm，得到最佳淋水密度為0.20 kg/(m·s)，同時(shí)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析得到水膜傳熱系數(shù)、氣-液兩相間的傳質(zhì)舍伍德數(shù)和對(duì)流傳熱努塞爾數(shù)、空氣側(cè)壓降歐拉數(shù)的實(shí)驗(yàn)計(jì)算關(guān)聯(lián)式。呂凱等[7]將板式蒸發(fā)式冷凝器輔助運(yùn)用于300 MW直接空冷機(jī)組中，降低空冷島熱負(fù)荷，降低機(jī)組背壓。

板式蒸發(fā)式冷凝器相較于管式蒸發(fā)式冷凝器，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且可以采用溢流或引流到板片的布水方式，使布水更均勻，同時(shí)消除了噴淋帶來的氣側(cè)阻力，是近年新興的一種蒸發(fā)式冷凝器。董俐言[8]對(duì)板式蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，板式蒸發(fā)冷凝器的熱流密度隨濕球溫度的升高而減小，幾乎不受進(jìn)口干空氣干球溫度的影響。簡棄非等[9]研究空氣濕度對(duì)板式蒸發(fā)式冷凝器傳熱性能的影響,結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)入板片間的空氣相對(duì)濕度由85%增至90%時(shí)，板片的平均熱流密度和傳熱系數(shù)均隨相對(duì)濕度的增加而減小。Liu Q. M.等[10]對(duì)波紋板的蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了水膜流動(dòng)與風(fēng)速、風(fēng)向的相互影響，結(jié)果表明，氣水順流比逆流更有優(yōu)勢(shì)。D. Pandelidis等[11]實(shí)驗(yàn)研究了8種不同非金屬材質(zhì)的板片蒸發(fā)式空氣冷卻器，發(fā)現(xiàn)合成纖維板材更適合應(yīng)用于這類蒸發(fā)式空冷器。

蒸發(fā)式冷凝器按噴淋水與空氣流向的不同又可分為逆流、橫流、混合流等多種形式，其中混合流不易使水膜脫離換熱壁面產(chǎn)生干點(diǎn)，故具有一定優(yōu)勢(shì)。綜合板式及混合流的優(yōu)點(diǎn)，本文在將混合流鼓泡板片蒸發(fā)式冷凝器用于電廠乏汽冷凝的背景下，通過研究噴淋側(cè)熱質(zhì)傳遞規(guī)律及板間結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期提高鼓泡板片蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)用于電廠乏汽冷凝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

混合流鼓泡板片蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫度為tw1的噴淋水由底部經(jīng)泵抽至上部向下布水，經(jīng)過鼓泡板片后溫度升高至tw2，再流經(jīng)填料區(qū)降溫回至tw1；焓值為hi的外界空氣在風(fēng)機(jī)作用下，分別從板片區(qū)域的頂部和填料區(qū)域的側(cè)面流入，與噴淋水進(jìn)行熱質(zhì)交換，焓值為hpo和hfo的兩股空氣混合后進(jìn)風(fēng)機(jī)排出，焓值為ho。因此，在板片上半部，噴淋水與空氣呈順流，在板片下半部，噴淋水與空氣呈斜向流，而乏汽從板片上部進(jìn)入，冷凝水從下部流出，與噴淋水整體呈順流；在填料區(qū)域，噴淋水與空氣呈橫流。

圖1 混合流鼓泡板片蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)

由于前人對(duì)板片間距的研究主要以數(shù)值模擬為主，實(shí)驗(yàn)研究較少，且對(duì)于板片間凹坑與凸胞相對(duì)位置的研究非常欠缺，因此本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)相鄰板片的間距和板片間凹坑與凸胞的相對(duì)位置進(jìn)行研究，以優(yōu)化板式蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

為研究鼓泡板片噴淋水側(cè)的熱力與阻力特性，本文針對(duì)冷凝等溫特征設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由鼓泡板片實(shí)驗(yàn)段、噴淋水系統(tǒng)、冷卻風(fēng)系統(tǒng)3部分構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用電加熱模擬穩(wěn)定工況下恒壁溫的冷凝放熱，通過調(diào)節(jié)電加熱量，可將板片的壁面溫度控制在60 ℃，使其處于乏汽冷凝溫度范圍內(nèi)。

圖2 混合流蒸發(fā)式冷凝器鼓泡板片噴淋水側(cè)熱力與阻力特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的鼓泡板片實(shí)驗(yàn)段主要由鼓泡板片、導(dǎo)熱泥均溫層、電加熱層、絕熱層、背板組成，如圖3所示。圖4所示為鼓泡板片實(shí)物及板片凸胞的結(jié)構(gòu)尺寸。鼓泡板片的內(nèi)側(cè)壁上均布16個(gè)線徑為0.3 mm的銅-康銅熱電偶，其熱端與板的內(nèi)側(cè)壁緊貼并用導(dǎo)熱泥壓緊，冷端置于冰水混合物中，用于監(jiān)測板的壁溫(忽略板片的導(dǎo)熱熱阻)。在導(dǎo)熱泥中均勻埋入電加熱線，導(dǎo)熱泥后覆蓋絕熱材料，并在背板與鼓泡板的接縫間加密封墊后通過螺栓連接，確保試件不漏水。背板內(nèi)側(cè)(背板與絕熱材料間)也布置1個(gè)熱電偶，以監(jiān)測背板處的漏熱。板片間距D為凹點(diǎn)的間距(即流道最大間距，因板片壓制時(shí)，四周法蘭面與凹點(diǎn)平齊)，截面風(fēng)速取板片間截面的平均風(fēng)速(即計(jì)算風(fēng)道橫截面時(shí)取兩板片凹點(diǎn)與凸點(diǎn)中位面間的距離D0，并忽略水膜厚度)，D和D0的關(guān)系如圖3所示[12]。

圖3 鼓泡板片實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)

圖4 鼓泡板片表面形狀

噴淋水管路上串接兩個(gè)空冷器，可用于模擬有填料的蒸發(fā)式冷凝器(圖1)中填料部分對(duì)噴淋水的冷卻。但本文僅關(guān)注板片噴淋側(cè)的熱力與阻力特性，不研究設(shè)備的整體性能，所以以下各實(shí)驗(yàn)工況均未開啟空冷器，相當(dāng)于僅有鼓泡式板片的蒸發(fā)冷凝器。

此外，不同工質(zhì)的冷凝表現(xiàn)為冷凝溫度不同，即板片壁溫不同，故本文實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以模擬不同冷凝工質(zhì)，該設(shè)計(jì)使實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作簡便、目的性強(qiáng)、靈活性高。

2 實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

影響鼓泡板片蒸發(fā)式冷凝器換熱性能的主要因素有：板片間凹坑與凸胞的相對(duì)位置、噴淋水量、板片間距和風(fēng)量。因此，本文用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，各變量信息如下：

1)板片間凹坑與凸胞的相對(duì)位置。鼓泡板片結(jié)構(gòu)分為凸對(duì)凸(凹對(duì)凹)和凸對(duì)凹兩種，其中凸對(duì)凸(凹對(duì)凹)稱為正位，凸對(duì)凹稱為錯(cuò)位，如圖5所示。

圖5 板片間凹坑與凸胞的相對(duì)位置

2)噴淋水量、板片間距和風(fēng)量。將噴淋水量、板片間距和風(fēng)量在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行分段取值，具體設(shè)定值如表1所示。

表1 變量的設(shè)定值

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，始終控制板片溫度約為60 ℃，在正位和錯(cuò)位及一定板間距下，調(diào)節(jié)不同噴淋水量和風(fēng)量，實(shí)時(shí)采集進(jìn)出口空氣的干濕球溫度，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄大氣壓p0、進(jìn)出口空氣的干球溫度tθ,i和tθ,o、進(jìn)出口空氣的濕球溫度tτ,i和tτ,o、進(jìn)出口空氣壓損Δpa、兩板片壁溫(即模擬的冷凝溫度)tb1和tb2、兩背板的內(nèi)壁溫tbb1和tbb2、噴淋水溫度tw、風(fēng)量Ga、噴淋水流量Gw。

本實(shí)驗(yàn)的熱平衡：

Qr,e=Qa+Qw+Qs

(1)

熱平衡偏差β:

(2)

本文允許熱平衡偏差β在10%以內(nèi)，若β在10%以內(nèi)，則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理有效。在有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上研究板片的換熱性能與上述各變量之間的聯(lián)系。

2.2 數(shù)據(jù)處理

1)熱平衡偏差β的計(jì)算

由于實(shí)驗(yàn)采用電加熱來模擬電廠乏汽側(cè)的冷凝放熱情況，故乏汽側(cè)放熱量Qr,e：

Qr,e=UI×10-3

(3)

鼓泡板片換熱過程中外掠空氣所帶走熱量Qa[13]：

Qa=Gaρa(bǔ)(ha,o-ha,i)

(4)

其中ha,i、ha,o的計(jì)算通過大氣壓p0及干濕球溫度tθ和tτ按國標(biāo)GB/T 7190.1—2018附錄A[14]中公式(A.6)計(jì)算。

噴淋水帶走熱量Qw：

Qw=cwGwρw(tw,o-tw,i)

(5)

兩背板漏熱損失Qs：

(6)

按上述公式計(jì)算得到Qr,e、Qa、Qw、Qs，即可按式(2)計(jì)算熱平衡偏差β。

2)熱質(zhì)傳遞系數(shù)

本文的研究有蒸發(fā)傳熱和對(duì)流接觸傳熱，故定義熱質(zhì)傳遞系數(shù)K為單位溫差下單位蒸發(fā)面積所能傳遞的熱量，按式(7)計(jì)算：

(7)

此處引入兩個(gè)自定義系數(shù)，板間熱質(zhì)傳遞系數(shù)Kb和系統(tǒng)熱質(zhì)傳遞系數(shù)Kz。Kb表示板片外噴淋水側(cè)的換熱能力，式(7)中Q按通過板片間的空氣帶走熱量Qa計(jì)算。Kz表示整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的換熱能力，式(7)中Q按通過板片間的空氣帶走熱量Qa以及噴淋水溫增帶走的熱量Qw之和計(jì)算。

以空氣濕球溫度為基準(zhǔn)的板片與空氣的對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算如式(8)[15]所示：

(8)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 噴淋水量和風(fēng)量對(duì)板片噴淋水側(cè)熱質(zhì)傳遞的影響

實(shí)驗(yàn)表明，針對(duì)不同板間距，噴淋水量變化對(duì)板片噴淋水側(cè)性能的影響規(guī)律一致，因此只取板間距為25 mm的情況進(jìn)行闡述。圖6所示為板片間凹坑與凸胞的相對(duì)位置為正位和錯(cuò)位時(shí)的Kz和Kb隨噴淋水量Gw的變化。

圖6 板間距為25 mm時(shí)不同風(fēng)量下熱質(zhì)傳遞系數(shù)隨噴淋水量的變化

由圖6可知，在噴淋水量的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，Kz和Kb均隨Gw的增大而增大，其中Kb增大的速率隨Gw增大而變緩。Kz和Kb均隨風(fēng)量的增大而增大。

分析原因是，在Gw增加的初期，適當(dāng)增加Gw改善了鼓泡板片表面水膜分布的均勻性，有利于噴淋水在鼓泡板片表面蒸發(fā)，提升鼓泡板片的換熱效果。但隨著Gw逐漸增大，鼓泡板片外側(cè)水膜的厚度也不斷增大，導(dǎo)致鼓泡板片外側(cè)水膜熱阻不斷增大，進(jìn)而占據(jù)主導(dǎo)地位，使鼓泡板片噴淋水側(cè)的換熱能力弱化。同時(shí)隨著Gw的增加，水泵功耗也相應(yīng)增加，因此選擇Gw時(shí)要綜合考慮。風(fēng)量的增大加快了氣水間的相對(duì)流速，有利于對(duì)流換熱和蒸發(fā)，更多的空氣也有利于攜帶出更多的熱量。

3.2 板間距對(duì)板片噴淋水側(cè)熱質(zhì)傳遞及阻力性能的影響

針對(duì)不同噴淋水量，板間距對(duì)板片噴淋水側(cè)性能的影響規(guī)律仍是一致的，故只取Gw為300 L/h的情況闡述其規(guī)律。圖7所示為板片間凹坑與凸胞的相對(duì)位置為正位和錯(cuò)位時(shí)的Kz和Kb隨板間距B的變化。由圖7可知，在板間距的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，無論板片處于正位布置還是錯(cuò)位布置，Kz均隨B的增大而減小，且當(dāng)B超過30 mm時(shí)，隨著B的增大，Kz數(shù)值變化量逐漸變緩。

圖7 噴淋水量為300 L/h時(shí)不同風(fēng)量下熱質(zhì)傳遞系數(shù)隨板間距的變化

圖8所示為不同風(fēng)量下板間空氣進(jìn)出口壓損Δp隨板間距B的變化。由圖8可知，Δp隨B的增大而減小，而且在小間距時(shí)變化劇烈，在大間距時(shí)變化平緩。

圖8 噴淋水量為300 L/h時(shí)不同風(fēng)量下板間空氣進(jìn)出口壓損隨板間距的變化

關(guān)于Δp的變化，隨著B增大，空氣的流通截面積增大，經(jīng)過換熱后的濕熱空氣的流動(dòng)阻力損失減小，因此B由20 mm增至30 mm時(shí)，Δp下降顯著；隨著B的進(jìn)一步增大，空氣的流通截面積繼續(xù)增大，但此時(shí)空氣的流通截面積對(duì)于流動(dòng)阻力損失的影響減弱，因此再增加B，并不會(huì)對(duì)Δp產(chǎn)生較大影響，所以當(dāng)B在30～40 mm之間Δp的變化趨于平緩。

3.3 板片間凹坑與凸胞的相對(duì)位置對(duì)噴淋水側(cè)熱質(zhì)傳遞及阻力性能的影響

分別對(duì)比圖6和圖7可知，在其它變量相同時(shí)，錯(cuò)位布置對(duì)應(yīng)的Kz和Kb均大于正位布置。由圖8可知，錯(cuò)位布置對(duì)應(yīng)的Δp整體小于正位布置。

分析原因是，相較于正位布置，錯(cuò)位布置的流道截面積均勻，如圖5所示。錯(cuò)位布置時(shí)，流道截面順暢，空氣與水膜熱質(zhì)交換較充分，有利于噴淋水在鼓泡板片表面蒸發(fā)，換熱能力更好。而正位布置時(shí)流道截面忽大忽小，相當(dāng)于有多個(gè)節(jié)流點(diǎn)，因此正位布置的壓損大于錯(cuò)位布置，但隨著板間距的增大，正位布置的節(jié)流效應(yīng)減弱，二者差異逐漸縮小。因此在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于鼓泡板片蒸發(fā)式冷凝器中鼓泡板片換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量考慮錯(cuò)位布置，換熱效果更好，能耗更低。

4 結(jié)論

為使實(shí)驗(yàn)參數(shù)更有普適性和代表性，將噴淋水量換算為板片單位寬度上的值(即對(duì)240 mm的板寬，100、200、300、400 L/h的噴淋水量對(duì)應(yīng)的單位寬度淋水量分別為0.116、0.231、0.347、0.462 kg/(s·m))。將風(fēng)量換算為平均截面風(fēng)速，如表2所示。

表2 平均截面風(fēng)速(單位：m/s)

1)本實(shí)驗(yàn)過程中，單位寬度噴淋水量的范圍為0.116～0.462 kg/(s·m)，適當(dāng)增加噴淋水量，鼓泡板片的系統(tǒng)熱質(zhì)傳遞系數(shù)和板間熱質(zhì)傳遞系數(shù)均隨噴淋水量的增加而增大，換熱性能更好，建議不低于0.347 kg/(s·m)。

2)無論板片處于正位布置還是錯(cuò)位布置，由于小間距對(duì)空氣的流動(dòng)邊界層擾動(dòng)更大，因此板片的換熱性能隨板間距的增大而減小，同時(shí)也需考慮小間距帶來的壓損過大問題，故板間距取25 mm較為合適。

3)從整體傳熱系數(shù)結(jié)果來看，錯(cuò)位布置的換熱效果是正位布置的1.1～1.4倍。

4)從流道布置來看，相較于正位布置，錯(cuò)位布置時(shí)換熱能力強(qiáng)、壓損小，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮錯(cuò)位布置。

5)傳熱系數(shù)和壓損均隨截面平均風(fēng)速增大而增大，綜上所述優(yōu)選條件：板間距為25 mm、錯(cuò)位布置、單位寬度噴淋水量為0.347 kg/(s·m)、平均截面風(fēng)速為6.66 m/s、系統(tǒng)熱質(zhì)傳遞系數(shù)為140.009 W/(m2·K)、板間熱質(zhì)傳遞系數(shù)為168.672 W/(m2·K)、壓損為23 Pa。

符號(hào)說明

tw1——噴淋水收水池的水溫， ℃

tw2——流經(jīng)鼓泡板片后的水溫， ℃

hi——環(huán)境空氣焓值， kJ/kg

hpo——流經(jīng)鼓泡板片后空氣的焓值， kJ/kg

hfo——流經(jīng)填料后空氣的焓值， kJ/kg

ho——風(fēng)機(jī)出口空氣的焓值， kJ/kg

D——兩板之間流道距離最大值， mm

D0——兩板之間凹點(diǎn)與凸點(diǎn)中位面間的距離， mm

p0——大氣壓力， kPa

Δpa——進(jìn)出口空氣壓損， Pa

tθ,i、tθ,o——進(jìn)、出口空氣干球溫度， ℃

tw——噴淋水溫度， ℃

Qa——外掠板片空氣所帶走熱量， W

Qw——噴淋水所帶走的熱量， W

Qs——實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熱損失， W

U——電加熱的電壓， V

I——電加熱的電流， A

Qr,e——電加熱側(cè)的放熱量， kW

Ga——風(fēng)量， m3/s

ρa(bǔ)——空氣密度， kg/m3

ha,i、ha,o——空氣進(jìn)、出口焓， kJ/kg

cw——噴淋水的比熱容， kJ/(kg·℃)

Gw——噴淋水的質(zhì)量流量， L/h

ρw——噴淋水的密度， kg/m3

tw,i、tw,o——噴淋水入口、出口溫度， ℃

A——單塊絕熱板的面積， m2

λ——絕熱板的導(dǎo)熱系數(shù)， 0.018 kW/(m·℃)

δ——絕熱板的厚度， 10 mm

tb1、tb2——兩板片的壁溫， ℃

tbb1、tbb2——兩背板的內(nèi)壁溫， ℃

K——熱質(zhì)傳遞系數(shù)， kW/(m2·℃)

tτ,i，tτ,o——水膜-空氣側(cè)的進(jìn)、出口濕球溫度， ℃

tb——板片的壁溫(即冷凝溫度)， ℃

Δtm——板片與空氣的對(duì)數(shù)平均溫差，℃

B——板間距， mm