空氣濕度對翅片管換熱器傳熱性能的影響研究

江 峰，董光明，付金龍

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，浙江杭州 310015）

0 引言

隨著能源與資源危機(jī)的日益嚴(yán)重，和能源生產(chǎn)受到經(jīng)濟(jì)與環(huán)保等因素的限制，節(jié)能減排成了社會發(fā)展的必然趨勢。在我國華北、西北、東北等廣大水資源短缺地區(qū)，空冷機(jī)組是節(jié)約水資源的有效途徑之一。與傳統(tǒng)的水冷卻技術(shù)相比，采用空冷機(jī)組可節(jié)省同等大小電廠2/3 的用水量；在同等用水量條件下，可裝空冷機(jī)組數(shù)多達(dá)3 倍或更多[1-2]。

直接空氣冷卻機(jī)組的冷卻介質(zhì)是空氣，空氣流過翅片管束冷卻汽輪機(jī)排出的已做過功的蒸汽，空氣與蒸汽之間發(fā)生熱量交換，冷卻空氣由風(fēng)機(jī)提供。然而直接空氣冷卻機(jī)組在夏天高溫時(shí)段大多數(shù)會發(fā)生高背壓運(yùn)行、不能滿負(fù)荷運(yùn)行等情況。因?yàn)橹苯涌諝饫鋮s機(jī)組的冷卻性能主要由制冷空氣的干球溫度所決定，因此周圍環(huán)境溫度對其的影響很大。

翅片管換熱器是空氣冷卻器的核心部件，其工作原理是：制冷劑或高溫液體在基管內(nèi)流動，管外翅片間通道內(nèi)流過空氣，通過翅片、管壁與管內(nèi)的制冷劑或高溫液體進(jìn)行熱量交換。重慶大學(xué)胡漢波等運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對不同的環(huán)境溫度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、不同的橫向風(fēng)、不同的風(fēng)機(jī)葉片安裝角等情況下空氣冷卻凝汽器的單元流動特性做了研究[3]。王磊研究了在TRL（Turbine Rating Load，汽輪機(jī)額定工況）下空冷單元的運(yùn)行性能，采用數(shù)值模擬，其結(jié)果表明散熱器處空氣速度不勻稱[4]。

陳繼軍等人[5]對直接空氣冷卻凝汽器中的冷卻空氣進(jìn)行噴霧降溫，研究過程當(dāng)中假定溫度降低后的空氣達(dá)到了飽和狀態(tài)，認(rèn)為噴霧增濕使空氣變成飽和濕空氣時(shí)的最小溫度是絕熱飽和溫度，研究結(jié)果表明供水能力太差以及噴霧霧化效果太差都將使噴霧增濕過程不能夠達(dá)到預(yù)期效果。馬慶忠等[6]針對直接空冷機(jī)組在夏季由于高溫引起的高背壓限負(fù)荷問題，對采用尖峰冷卻系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了比較全面的分析。趙文升等對噴霧降溫在直接空氣冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用做了經(jīng)濟(jì)性分析，表明它是可以實(shí)現(xiàn)的[7]。李文海等對空氣冷卻機(jī)組的散熱器在加裝噴霧增濕降溫系統(tǒng)前后機(jī)組的運(yùn)行情況做了比較，表明當(dāng)環(huán)境溫度300 K 時(shí)，噴霧降溫系統(tǒng)投入運(yùn)行后可使機(jī)組負(fù)荷增加1520 MW[8]。

隨著直接空冷電站的不斷發(fā)展，在空冷凝汽器內(nèi)加裝噴霧降溫系統(tǒng)亦然成為克服夏季高溫的必要措施，本文采用數(shù)值模擬的方法，研究噴霧降溫對翅片管換熱器換熱性能的影響。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 物理模型

散熱器翅片結(jié)構(gòu)如圖1 所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)：長度L=200 mm，高度h=19 mm，厚度t=1.5 mm，翅距P=2.5 mm。翅片通過焊接固定在扁平基管上。扁平基管厚度為1.5 mm。翅片結(jié)構(gòu)具有對稱性，本文模擬采用的直接空冷凝汽器散熱器基管材料為鋼，翅片材料為鋁，計(jì)算區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)對稱性區(qū)域。翅片結(jié)構(gòu)為“Z”字形，為了避免計(jì)算區(qū)域進(jìn)口效應(yīng)和出口邊界出現(xiàn)回流現(xiàn)象，將進(jìn)口區(qū)域延長50 mm，出口區(qū)域延長50 mm。選取的計(jì)算模型如圖2 所示。為了便于計(jì)算，對翅片散熱器物理模型作如下假設(shè)：

（1）翅片材料及扁平基管材料的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，翅片與扁平基管之間不存在接觸熱阻。

（2）扁平基管汽側(cè)對流換熱系數(shù)為常數(shù)，不考慮扁平基管外管面與翅片間的輻射換熱。

（3）計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流動與換熱都是穩(wěn)態(tài)的，翅片末稍端面為絕熱面。

（4）進(jìn)口冷卻空氣為不可壓縮氣體、并且不考慮重力影響、空氣做湍流流動、物性參數(shù)為常數(shù)且認(rèn)為空氣濕度為0。

1.2 網(wǎng)格劃分

圖1 翅片結(jié)構(gòu)

圖2 翅片管換熱器簡化結(jié)構(gòu)模型

網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬至關(guān)重要的一步，本文對翅片散熱器空氣側(cè)采用結(jié)構(gòu)化非均勻的多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖3 所示。網(wǎng)格劃分的原則：網(wǎng)格全部采用六面體網(wǎng)格；進(jìn)、出口處流體網(wǎng)格進(jìn)行局部加密；網(wǎng)格單元總數(shù)為1 429 916 個(gè)。模型的創(chuàng)建和網(wǎng)格的劃分均選用Gambit 軟件。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件

該模型建立了多個(gè)邊界條件，入口設(shè)為速度進(jìn)口，空氣速度（5 m/s）和溫度（303 K）均勻,湍動強(qiáng)度設(shè)為1%；出口為壓力出口，假設(shè)扁平基管內(nèi)蒸汽為29 MPa 時(shí)的飽和蒸汽，溫度為341.479 K，將基管內(nèi)壁面設(shè)為等溫固定壁面，翅片表面為耦合表面；假定翅片對稱平面上為對稱平面；扁平基管沿管長方向的邊界設(shè)為周期性邊界條件。

1.4 求解模型的選擇

層流模型認(rèn)為流體之間沒有混合，但冷卻空氣流經(jīng)扁平基管和散熱器翅片時(shí)，要先橫掠扁平基管，致使流體之間存在擾動，因此空氣的流動模型應(yīng)該選用湍流模型。運(yùn)用FLUENT，選取標(biāo)準(zhǔn)k-模型，用有限容積法求解翅片管換熱器扁平基管外空氣流動換熱的三維定常N-S 方程。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 干空氣的計(jì)算結(jié)果與分析

圖4 給出了不同迎面風(fēng)速下翅片管的溫度分布云圖。沿著空氣流動方向，等溫線會逐漸升高。由于翅片間流道內(nèi)中間流動速度大，會出現(xiàn)等溫線向前凸。靠扁平基管外側(cè)，溫度梯度變化比較小。翅片出口位置的溫度最高位置與速度渦流區(qū)域幾乎一致，可以看出尾部渦流不利于換熱。空氣流到扁平基管背風(fēng)側(cè)時(shí)速度減小而且存在著回流，熱量不能被及時(shí)帶走，致使尾流區(qū)域的局部溫度變高，使得流體冷卻效果變差。

圖4 不同迎面風(fēng)速下溫度分布情況

圖5 為不同迎面風(fēng)速下翅片管換熱器氣側(cè)換熱系數(shù)和空氣流動阻力的變化曲線。可以看出，氣側(cè)換熱系數(shù)豎著迎面風(fēng)速的增加呈曲線形式增加，流動阻力也呈曲線形式增加。當(dāng)迎面風(fēng)速從2 m/s 變?yōu)? m/s 時(shí)，氣側(cè)換熱增加163.65%，流動阻力增加353.56%，可以看出，流動阻力比換熱系數(shù)增加的比例大很多，這必然會增加風(fēng)機(jī)的功耗以及能耗。因此，在增加換熱系數(shù)的同時(shí)，需要考慮功耗的劇烈增加。

圖5 迎面風(fēng)速對翅片管換熱器性能的影響

2.2 濕空氣的計(jì)算結(jié)果與分析

圖6 給出了不同噴水量下的翅片管溫度分布云圖。與迎面風(fēng)速為5 m/s 時(shí)干空氣的溫度分布圖相比較，噴霧后，噴嘴附近流體的溫度明顯降低，然后沿著流體流動方向，等溫線會逐漸升高。同樣，在尾部速度渦流區(qū)內(nèi)由于回流所以溫度較高，冷卻效果減弱。

圖6 不同噴水量下的翅片管溫度分布云圖

圖7 為在不同噴水量下翅片管換熱器氣側(cè)的換熱系數(shù)及空氣流動阻力的變化曲線。從中可以看出，隨著噴霧水質(zhì)量流量的增加，氣側(cè)換熱系數(shù)逐漸增大，之所以會出現(xiàn)這樣的情況是因?yàn)閲婌F水質(zhì)量流量越大，經(jīng)過噴嘴噴射后散發(fā)到干空氣中的水微粒也就越多，液滴由于汽化而吸收干空氣中的熱量就越多，從而顯著地降低了空氣溫度，增大了傳熱溫差。而且液滴的運(yùn)動也增強(qiáng)了空氣在翅片間通道內(nèi)的擾動，換熱效果得到增強(qiáng)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)不同噴水量下的流動阻力基本不變。

圖7 噴水量對翅片管換熱器性能的影響

3 結(jié)論

（1）隨著迎面風(fēng)速的增加，翅片管換熱器氣側(cè)的換熱系數(shù)得到增強(qiáng)，但是空氣的流動阻力也隨之增大，這會增加風(fēng)機(jī)的能耗。

（2）與干空氣下工況相比，對翅片管換熱器的冷卻空氣進(jìn)行噴霧增濕能有效改善翅片散熱器的散熱效果。單排翅片管換熱器氣側(cè)在對冷卻干空氣噴霧增濕后，氣側(cè)換熱系數(shù)顯著增加，但同時(shí)空氣流動阻力變化不大。