空气湿度对翅片管换热器传热性能的影响研究

2020-03-05董光明付金龙

设备管理与维修 2020年3期

江峰，董光明，付金龙

（杭州华电半山发电有限公司，浙江杭州 310015）

0 引言

随着能源与资源危机的日益严重，和能源生产受到经济与环保等因素的限制，节能减排成了社会发展的必然趋势。在我国华北、西北、东北等广大水资源短缺地区，空冷机组是节约水资源的有效途径之一。与传统的水冷却技术相比，采用空冷机组可节省同等大小电厂2/3 的用水量；在同等用水量条件下，可装空冷机组数多达3 倍或更多[1-2]。

直接空气冷却机组的冷却介质是空气，空气流过翅片管束冷却汽轮机排出的已做过功的蒸汽，空气与蒸汽之间发生热量交换，冷却空气由风机提供。然而直接空气冷却机组在夏天高温时段大多数会发生高背压运行、不能满负荷运行等情况。因为直接空气冷却机组的冷却性能主要由制冷空气的干球温度所决定，因此周围环境温度对其的影响很大。

翅片管换热器是空气冷却器的核心部件，其工作原理是：制冷剂或高温液体在基管内流动，管外翅片间通道内流过空气，通过翅片、管壁与管内的制冷剂或高温液体进行热量交换。重庆大学胡汉波等运用数值模拟的方法对不同的环境温度和风机转速、不同的横向风、不同的风机叶片安装角等情况下空气冷却凝汽器的单元流动特性做了研究[3]。王磊研究了在TRL（Turbine Rating Load，汽轮机额定工况）下空冷单元的运行性能，采用数值模拟，其结果表明散热器处空气速度不匀称[4]。

陈继军等人[5]对直接空气冷却凝汽器中的冷却空气进行喷雾降温，研究过程当中假定温度降低后的空气达到了饱和状态，认为喷雾增湿使空气变成饱和湿空气时的最小温度是绝热饱和温度，研究结果表明供水能力太差以及喷雾雾化效果太差都将使喷雾增湿过程不能够达到预期效果。马庆忠等[6]针对直接空冷机组在夏季由于高温引起的高背压限负荷问题，对采用尖峰冷却系统的可行性进行了比较全面的分析。赵文升等对喷雾降温在直接空气冷却系统中应用做了经济性分析，表明它是可以实现的[7]。李文海等对空气冷却机组的散热器在加装喷雾增湿降温系统前后机组的运行情况做了比较，表明当环境温度300 K 时，喷雾降温系统投入运行后可使机组负荷增加1520 MW[8]。

随着直接空冷电站的不断发展，在空冷凝汽器内加装喷雾降温系统亦然成为克服夏季高温的必要措施，本文采用数值模拟的方法，研究喷雾降温对翅片管换热器换热性能的影响。

1 数值模型的建立

1.1 物理模型

散热器翅片结构如图1 所示，结构参数：长度L=200 mm，高度h=19 mm，厚度t=1.5 mm，翅距P=2.5 mm。翅片通过焊接固定在扁平基管上。扁平基管厚度为1.5 mm。翅片结构具有对称性，本文模拟采用的直接空冷凝汽器散热器基管材料为钢，翅片材料为铝，计算区域为一个对称性区域。翅片结构为“Z”字形，为了避免计算区域进口效应和出口边界出现回流现象，将进口区域延长50 mm，出口区域延长50 mm。选取的计算模型如图2 所示。为了便于计算，对翅片散热器物理模型作如下假设：

（1）翅片材料及扁平基管材料的导热系数为常数，翅片与扁平基管之间不存在接触热阻。

（2）扁平基管汽侧对流换热系数为常数，不考虑扁平基管外管面与翅片间的辐射换热。

（3）计算区域内的流动与换热都是稳态的，翅片末稍端面为绝热面。

（4）进口冷却空气为不可压缩气体、并且不考虑重力影响、空气做湍流流动、物性参数为常数且认为空气湿度为0。

1.2 网格划分

图1 翅片结构

图2 翅片管换热器简化结构模型

网格划分是数值模拟至关重要的一步，本文对翅片散热器空气侧采用结构化非均匀的多块结构网格，如图3 所示。网格划分的原则：网格全部采用六面体网格；进、出口处流体网格进行局部加密；网格单元总数为1 429 916 个。模型的创建和网格的划分均选用Gambit 软件。

图3 计算域网格划分

1.3 边界条件

该模型建立了多个边界条件，入口设为速度进口，空气速度（5 m/s）和温度（303 K）均匀,湍动强度设为1%；出口为压力出口，假设扁平基管内蒸汽为29 MPa 时的饱和蒸汽，温度为341.479 K，将基管内壁面设为等温固定壁面，翅片表面为耦合表面；假定翅片对称平面上为对称平面；扁平基管沿管长方向的边界设为周期性边界条件。

1.4 求解模型的选择

层流模型认为流体之间没有混合，但冷却空气流经扁平基管和散热器翅片时，要先横掠扁平基管，致使流体之间存在扰动，因此空气的流动模型应该选用湍流模型。运用FLUENT，选取标准k-模型，用有限容积法求解翅片管换热器扁平基管外空气流动换热的三维定常N-S 方程。

2 计算结果与分析

2.1 干空气的计算结果与分析

图4 给出了不同迎面风速下翅片管的温度分布云图。沿着空气流动方向，等温线会逐渐升高。由于翅片间流道内中间流动速度大，会出现等温线向前凸。靠扁平基管外侧，温度梯度变化比较小。翅片出口位置的温度最高位置与速度涡流区域几乎一致，可以看出尾部涡流不利于换热。空气流到扁平基管背风侧时速度减小而且存在着回流，热量不能被及时带走，致使尾流区域的局部温度变高，使得流体冷却效果变差。

图4 不同迎面风速下温度分布情况

图5 为不同迎面风速下翅片管换热器气侧换热系数和空气流动阻力的变化曲线。可以看出，气侧换热系数竖着迎面风速的增加呈曲线形式增加，流动阻力也呈曲线形式增加。当迎面风速从2 m/s 变为5 m/s 时，气侧换热增加163.65%，流动阻力增加353.56%，可以看出，流动阻力比换热系数增加的比例大很多，这必然会增加风机的功耗以及能耗。因此，在增加换热系数的同时，需要考虑功耗的剧烈增加。

图5 迎面风速对翅片管换热器性能的影响

2.2 湿空气的计算结果与分析

图6 给出了不同喷水量下的翅片管温度分布云图。与迎面风速为5 m/s 时干空气的温度分布图相比较，喷雾后，喷嘴附近流体的温度明显降低，然后沿着流体流动方向，等温线会逐渐升高。同样，在尾部速度涡流区内由于回流所以温度较高，冷却效果减弱。

图6 不同喷水量下的翅片管温度分布云图

图7 为在不同喷水量下翅片管换热器气侧的换热系数及空气流动阻力的变化曲线。从中可以看出，随着喷雾水质量流量的增加，气侧换热系数逐渐增大，之所以会出现这样的情况是因为喷雾水质量流量越大，经过喷嘴喷射后散发到干空气中的水微粒也就越多，液滴由于汽化而吸收干空气中的热量就越多，从而显著地降低了空气温度，增大了传热温差。而且液滴的运动也增强了空气在翅片间通道内的扰动，换热效果得到增强。同时可以发现不同喷水量下的流动阻力基本不变。