板式蒸發式冷凝器熱質傳遞過程模型分析

魏高升，陳林，李兵，陳永輝，杜小澤，楊勇平

(1.電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206；2. 中電投東北電力有限公司，沈陽市 110181)

板式蒸發式冷凝器熱質傳遞過程模型分析

魏高升1，陳林1，李兵1，陳永輝2，杜小澤1，楊勇平1

(1.電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206；2. 中電投東北電力有限公司，沈陽市 110181)

在分析板式蒸發式冷凝器工作原理的基礎上，通過合理簡化，提出了一種逆流熱質傳遞過程的數學模型。采用方程求解器對模型進行了分析求解，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板式蒸發式冷凝器換熱特性的影響規律。研究結果表明：空氣溫度越高，蒸發式冷凝器的換熱量越低，相對濕度越高，換熱量越小；空氣流速為1～3 m/s時，換熱量增加幅度較大；在空氣流速達到4 m/s之后，換熱量增加緩慢，趨于穩定；當水流量小于0.2 m/s時，換熱量與水流量呈線性關系，水流量越大，換熱量越大。

蒸發冷卻；凝汽器；板式；傳熱傳質

0 引 言

近年來，為解決在“富煤貧水”地區或干旱地區的火力發電廠缺水問題，火電廠汽輪機凝汽系統大量采用了空氣冷卻(空冷)系統。空冷技術具有明顯的節水效果，但同時也具有運行背壓高、煤耗高、對環境影響敏感及空冷設備造價高等不利因素[1-2]。另外，分析我國“三北”地區的特點可知，多數地區的缺水屬于季節性的，這些地區夏季并不缺水，而夏季正好是用電高峰期且空冷機組出力明顯不足的季節。為解決上述矛盾，最有效的方法就是采用聯合冷卻技術，實現空冷與水冷的互補發電，但聯合冷卻初投資高，目前還不適合于大規模發展。蒸發冷凝技術是一種主要利用水的汽化潛熱帶走凝結熱的換熱設備，與濕冷技術相比具有明顯的節能、節水效果，同時還具有結構緊湊，調節靈活等諸多優點，在冬季運行可完全采用空冷形式，近年來得到了各國學者的廣泛關注[3-8]，并在制冷行業和化工行業得到了廣泛應用。但大型火電機組采用該冷卻技術的還很少，只有國外幾個小型電廠采用了該種冷卻技術[9-10]，積極推進蒸發冷凝技術在火電機組冷卻系統中的研究和應用無疑具有重要價值，美國加州能源部研究報告就認為蒸發式冷凝器很有潛力成為火電機組新一代節水型冷凝技術[11]。

板式蒸發冷凝技術是綜合考慮板式換熱器和蒸發式冷凝器的特點開發出來的新一代冷凝技術，目前尚處于研究階段。傳統的板式換熱器一般抗壓能力比較差，全焊接板式蒸發冷凝器通過波紋板突起部分的巧妙對接實現換熱器的抗壓，具有很好的抵抗冷凝端真空的能力。這種換熱器既可設計成逆流，也可設計成順流，板片既可垂直布置，也可傾斜布置[12]，同時可制備成單元式，具有很好的大型化基礎，近年來得到了很多學者的關注和研究[13-18]。本文通過分析逆流式板式蒸發空冷凝汽器的熱質傳遞過程，采用方程求解器(engineering equation solver, EES)工具對換熱器內的熱質傳遞規律進行研究，分析空氣量、噴淋水量等關鍵因素對換熱器性能的影響規律，供板式蒸發式凝汽器設計時參考。

1 系統描述

圖1為逆流式板式蒸發式凝汽器的結構示意圖[13]。蒸汽從垂直放置的換熱板片上部進汽管進入板片內，在板片內冷凝放熱，凝結水從換熱板片的出口聯箱流出；換熱板片內的蒸汽冷凝放出的熱量經板壁傳遞給板外水膜，再經水膜表面的蒸發和對流傳熱，

圖1 板式蒸發式凝汽器示意圖

將熱量傳遞給板外流過的空氣，熱傳遞包括顯熱傳熱和由于蒸發引起的質量傳遞所帶走的潛熱；空氣在風機的作用下從蒸發式冷凝器的下部進入，經過換熱板片組，由上部排入大氣，帶走噴淋水蒸發生成的水蒸汽；沒有蒸發的水流入下部的儲水池，經由噴淋水泵壓送到換熱板片的上方，經噴嘴噴淋在換熱板片表面形成水膜，實現噴淋水的循環使用；采用吸風式結構可以使蒸發式冷凝器的箱體內部保持一定的負壓，可以降低水的蒸發溫度，更有利于換熱。噴淋裝置的上面設有擋水板，可以擋下濕空氣中的水滴，進一步節約用水。蒸發式冷凝器在運行過程中，噴淋水不斷蒸發，需要及時補充冷卻水以維持一定水量。

2 逆流熱質傳遞數學模型

分析圖1中逆流式板式蒸發式冷凝器可知，熱量主要從板片一側蒸汽到板片另一側噴淋水膜和空氣進行傳遞，為了便于分析，可將這一過程簡化為圖2的熱質傳遞過程，并作如下假設：(1)忽略空氣及水在流動截面的不均勻性；(2)熱質交換過程穩定；(3)空氣側壁面設為絕熱，液膜側壁面設為恒壁溫；(4)忽略水膜表面吸收水蒸汽的傳質阻力；(5)忽略表面摩擦力。結合文獻[3-4,18-21]的理論分析結果，進一步分析可得以下熱質傳遞數學模型。

圖2 熱質傳遞過程示意圖

質量守恒方程：

madωa=-dmw

(1)

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

水膜到空氣的質量傳遞方程：

(2)

式中：L為流程長度；y軸與空氣流的方向一致，空氣和水的進、出口參數已在圖2中標出，下標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；NTU為傳熱單元數，其表達式為

(3)

式中：hd表示傳質系數，kg/(m2·s)；An表示傳質表面面積，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，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 ；顯熱傳熱量計算為Q=hcΔtA，傳質速率為M=hdΔcAn，kg/s；Δc為濃度差，在此M=hdAnΔω；Le為路易斯數，其表達式為

(6)

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

3 結果與討論

采用EES對以上傳熱、傳質模型進行了分析求解，計算中循環水入口溫度設定為出口溫度減去0.5 ℃(考慮環境散熱)，液膜厚0.2 mm，蒸汽冷凝溫度固定為40 ℃，即壁溫設為恒定40 ℃。幾何條件為：板片長0.4 m，高0.1 m，壁厚2 mm；內部蒸汽流道寬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：流動過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式冷凝器主要依靠的是水的蒸發來實現熱量的傳遞的，而通過空氣顯熱所傳遞的熱量很少。

圖4分別為空氣溫度、濕度對換熱量的影響情況，空氣流量對換熱量的影響，水流量對換熱量的影響。由圖4(a)可知：隨著空氣溫度的升高，換熱量下降，這是因為當空氣的溫度較低時，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濕度成線性關系，相對濕度越高，換熱量越小；水膜與空氣之間既有顯熱傳遞又有傳質作用帶走的潛熱，相對濕度較高時，傳質作用的推動力，水膜與空氣間的水蒸汽濃度差變小，減弱了傳質作用。

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、水流量對換熱量的影響

由圖4(b)可以看出：空氣流速為1 ～3 m/s時，換熱量增加幅度較大，在空氣流速達到4 m/s之后，換熱量增加緩慢，趨于穩定；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，進一步強化了傳質作用，因此換熱量增加。隨著空氣流速不斷增大，與液膜接觸時間減少，所以達到一定流速后，換熱量的增幅減小。

由圖4(c)可看出：在所研究的參數范圍內，換熱量與水流量呈線性關系，水流量越大，換熱量越大。水溫沿程變化很小，且液膜側壁面設置為恒壁溫，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 論

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

(2)當空氣流速為1～3 m/s時，板式蒸發式冷凝器的換熱量隨空氣流速的提高增幅較大，當空氣流速達到4 m/s之后，換熱量增長緩慢，逐漸趨于穩定。

(3)噴淋水量對板式蒸發冷凝器的換熱量影響顯著，當水流量小于0.2 m/s時，換熱量與水流量呈線性關系，水流量越大，換熱量越大。

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

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

楊勇平(1967)，男，博士，教授，主要從事電站節能、電站空冷技術、分布式能源、太陽能熱利用、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

國家重點基礎研究發展計劃項目(973項目)(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，火電機組節能等領域的研究工作，E-mail:gaoshengw@126.com；

陳林(1982)，男，博士，講師，主要從事傳熱傳質學及換熱強化等領域的研究工作；

李兵(1984)，男，碩士研究生，主要從事傳熱傳質學及換熱強化等領域的研究工作；