空氣冷凝器單排管束沖洗實驗換熱特性研究

齊清，宋錦春，張凱，倪克

(東北大學液壓與氣動研究所，遼寧沈陽110819)

單排管是空氣冷凝器的重要組成部分，廣泛應用于火力發電系統，具有蒸汽側流通面積大，阻力小，防凍性能好，傳熱系數高的優點，在實際工作中，空氣冷凝器受到周圍實際環境的影響，其換熱特性也必然受到影響，需要沖洗。那么有必要對單排管沖洗前后的換熱特性進行分析和研究，這對火電站的建設和維護有十分重要的參考價值。

1 單排管沖洗實驗裝置

如圖1所示，該實驗系統由600 mm×600 mm單排管束、噴嘴、清洗水泵、風機、風管組成，風速調節通過變頻器調節電機轉速。利用做過污垢試驗的600 mm×600 mm單排管試驗管束，其翅片表面已進行了均勻地布污，污垢量為5 g/m2，將該管束放在一移動小車上，其上方固定了清洗噴淋組件，噴嘴與管束翅片上表面距離約為220 mm;將小車推離噴嘴噴射范圍，啟動清洗水泵，將清洗壓力調節到9 MPa;勻速推動小車，模擬實際工程中對換熱管束清洗的方式和速度清洗管束，記錄管束清洗干凈所需時間，將清洗干凈的試驗管束進行測試，并記錄相關數據。

圖1 單排管沖洗實驗裝置

2 FLUENT換熱性能仿真分析及對比

2.1 仿真模型建立及邊界條件設定

針對單排管的翅片部位建立幾何模型，并在FLUENT軟件中進行仿真分析。根據經驗，設出入口空氣溫度為300 K，空氣流速固定為2 m/s，翅片在未有污垢前厚度0.3 mm，有污垢后厚度變為0.4 mm厚，將污垢前的鋁材質變為污垢后的新材料屬性，即改變熱導系數由202.4 W·K/m為150 W·K/m。

設空氣在翅片周圍為紊流，采用K－ε模型，速度入口，壓力出口，滿足質量守恒，動量守恒，以及能量守恒方程。

質量守恒方程:

動量守恒方程:

式中:ρ為空氣密度;t為空氣溫度;u，v，w為空氣在x，y，z方向上的速度分量;p為空氣靜壓力;μ為動力黏性系數;α為導溫系數。

2.2 仿真結果對比

圖2表示了翅片清洗前后的速度場，可以看出，空氣在流過翅片前后位置都有一個漩渦出現，前面的漩渦大于后面的漩渦，流經翅片周圍的空氣速度變大，這是由于橫截面變小的緣故。清洗前后的速度場沒有明顯區別，說明對風阻的影響不大。

圖3表示了翅片清洗前后的溫度度場，可以看出，兩者在空氣流入部位溫度基本保持一致，但是在翅片尾部，清洗后的高溫區域稍大一些，這說明翅片表面由于沒有污垢阻礙傳熱效果，傳熱的效率更高一些。

能量守恒方程:

圖2 清洗前后翅片的速度場

圖3 清洗前后翅片的溫度場

3 實驗數據與分析

在環境溫度為20℃，一個標準大氣壓的的情況下，測得的實驗數據如圖4所示。

圖4 平均傳熱系數與元件迎面風速的關系曲線圖

平均傳熱系數與元件迎面風速的關系曲線圖如圖4所示。從試驗數據比較，加垢管束經過清洗處理后，在迎面風速1.5～3 m/s條件下，清洗后管束與加垢前的管束相比換熱系數的略低2%。

平均傳熱系數與迎面風速的關聯方程式:

按上述關聯式計算，在單排管常用的2.0～2.3 m/s風速范圍內，加垢清洗后，換熱系數與加垢前基本相同。

平均傳熱系數與元件迎風面單位面積空氣質量流量的關系曲線圖如圖5所示。

圖5 平均傳熱系數與元件迎面單位面積空氣質量流量的關系曲線圖

平均傳熱系數與元件迎風面單位面積質量流量的關聯方程式

元件空氣阻力與元件迎風面風速的關系曲線圖如圖6所示。

空氣阻力與元件迎面風速的關聯方程式

圖6 元件空氣阻力與元件迎風面風速的關系曲線圖

按以上試驗得出的關聯式計算，在單排管常用的2.0～2.3 m/s范圍內，管束加垢后比加垢前風阻增加13～14%，清洗后比加垢前仍大約4%。

本次試驗清洗前管束翅片外表面污垢量為5 g/m2，即翅片每平方米外表面上污垢量為5 g污垢，污垢的平均厚度小于5 μm。通過對加垢前管束和加垢清洗后管束性能測試、及加垢前后管束性能測試數據對比分析，發現清洗后管束的空氣側阻力明顯下降，但仍然比同風量下加垢前管束空氣側阻力大。試驗數據顯示，同等風量條件下，當管束上污垢量為5 g/m2時，加垢后的管束空氣阻力比加垢前均大12%;清洗后管束空氣側阻力在1.5～5.0 m/s的范圍內平均比加垢前大3%左右。

加垢管束經過清洗處理后，在迎面風速1.5～3 m/s條件下，清洗后管束與未做處理的管束相比換熱系數的略高2%。

對比仿真結果與實驗數據，傳熱系數變化基本吻合，但是仿真中風阻無明顯變化，實驗中風阻有明顯變化，這是由于仿真中僅僅對其中一個翅片進行分析，并且在仿真中假設已有污垢的表面為絕對光滑表面的緣故。

4 結論

通過對具體單排管的沖洗實驗研究與FLUENT仿真相對比，表明:

(1)對于存在污垢的管束，經過認真清洗后，管束的風阻可降低，其數值可以基本恢復到或略高于污垢前的值，并且換熱系數在經過沖洗后有所提高。

(2)管束的污垢存在一定時間后，須對其清洗，否則影響換熱特性及風阻。

(3)該FLUENT仿真模型換熱特性結果基本與實驗結果一致。

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