板式蒸发式冷凝器热质传递过程模型分析

魏高升，陈林，李兵，陈永辉，杜小泽，杨勇平

(1.电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206；2. 中电投东北电力有限公司，沈阳市 110181)

板式蒸发式冷凝器热质传递过程模型分析

魏高升1，陈林1，李兵1，陈永辉2，杜小泽1，杨勇平1

(1.电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206；2. 中电投东北电力有限公司，沈阳市 110181)

在分析板式蒸发式冷凝器工作原理的基础上，通过合理简化，提出了一种逆流热质传递过程的数学模型。采用方程求解器对模型进行了分析求解，得到了空气温度、空气湿度和水温沿流程分布的情况，以及空气温度、空气湿度、空气流量和水流量对板式蒸发式冷凝器换热特性的影响规律。研究结果表明：空气温度越高，蒸发式冷凝器的换热量越低，相对湿度越高，换热量越小；空气流速为1～3 m/s时，换热量增加幅度较大；在空气流速达到4 m/s之后，换热量增加缓慢，趋于稳定；当水流量小于0.2 m/s时，换热量与水流量呈线性关系，水流量越大，换热量越大。

蒸发冷却；凝汽器；板式；传热传质

0 引 言

近年来，为解决在“富煤贫水”地区或干旱地区的火力发电厂缺水问题，火电厂汽轮机凝汽系统大量采用了空气冷却(空冷)系统。空冷技术具有明显的节水效果，但同时也具有运行背压高、煤耗高、对环境影响敏感及空冷设备造价高等不利因素[1-2]。另外，分析我国“三北”地区的特点可知，多数地区的缺水属于季节性的，这些地区夏季并不缺水，而夏季正好是用电高峰期且空冷机组出力明显不足的季节。为解决上述矛盾，最有效的方法就是采用联合冷却技术，实现空冷与水冷的互补发电，但联合冷却初投资高，目前还不适合于大规模发展。蒸发冷凝技术是一种主要利用水的汽化潜热带走凝结热的换热设备，与湿冷技术相比具有明显的节能、节水效果，同时还具有结构紧凑，调节灵活等诸多优点，在冬季运行可完全采用空冷形式，近年来得到了各国学者的广泛关注[3-8]，并在制冷行业和化工行业得到了广泛应用。但大型火电机组采用该冷却技术的还很少，只有国外几个小型电厂采用了该种冷却技术[9-10]，积极推进蒸发冷凝技术在火电机组冷却系统中的研究和应用无疑具有重要价值，美国加州能源部研究报告就认为蒸发式冷凝器很有潜力成为火电机组新一代节水型冷凝技术[11]。

板式蒸发冷凝技术是综合考虑板式换热器和蒸发式冷凝器的特点开发出来的新一代冷凝技术，目前尚处于研究阶段。传统的板式换热器一般抗压能力比较差，全焊接板式蒸发冷凝器通过波纹板突起部分的巧妙对接实现换热器的抗压，具有很好的抵抗冷凝端真空的能力。这种换热器既可设计成逆流，也可设计成顺流，板片既可垂直布置，也可倾斜布置[12]，同时可制备成单元式，具有很好的大型化基础，近年来得到了很多学者的关注和研究[13-18]。本文通过分析逆流式板式蒸发空冷凝汽器的热质传递过程，采用方程求解器(engineering equation solver, EES)工具对换热器内的热质传递规律进行研究，分析空气量、喷淋水量等关键因素对换热器性能的影响规律，供板式蒸发式凝汽器设计时参考。

1 系统描述

图1为逆流式板式蒸发式凝汽器的结构示意图[13]。蒸汽从垂直放置的换热板片上部进汽管进入板片内，在板片内冷凝放热，凝结水从换热板片的出口联箱流出；换热板片内的蒸汽冷凝放出的热量经板壁传递给板外水膜，再经水膜表面的蒸发和对流传热，

图1 板式蒸发式凝汽器示意图

将热量传递给板外流过的空气，热传递包括显热传热和由于蒸发引起的质量传递所带走的潜热；空气在风机的作用下从蒸发式冷凝器的下部进入，经过换热板片组，由上部排入大气，带走喷淋水蒸发生成的水蒸汽；没有蒸发的水流入下部的储水池，经由喷淋水泵压送到换热板片的上方，经喷嘴喷淋在换热板片表面形成水膜，实现喷淋水的循环使用；采用吸风式结构可以使蒸发式冷凝器的箱体内部保持一定的负压，可以降低水的蒸发温度，更有利于换热。喷淋装置的上面设有挡水板，可以挡下湿空气中的水滴，进一步节约用水。蒸发式冷凝器在运行过程中，喷淋水不断蒸发，需要及时补充冷却水以维持一定水量。

2 逆流热质传递数学模型

分析图1中逆流式板式蒸发式冷凝器可知，热量主要从板片一侧蒸汽到板片另一侧喷淋水膜和空气进行传递，为了便于分析，可将这一过程简化为图2的热质传递过程，并作如下假设：(1)忽略空气及水在流动截面的不均匀性；(2)热质交换过程稳定；(3)空气侧壁面设为绝热，液膜侧壁面设为恒壁温；(4)忽略水膜表面吸收水蒸汽的传质阻力；(5)忽略表面摩擦力。结合文献[3-4,18-21]的理论分析结果，进一步分析可得以下热质传递数学模型。

图2 热质传递过程示意图

质量守恒方程：

madωa=-dmw

(1)

式中：ma为空气质量流率，kg/s；ωa为空气含湿量，kg/kg；mw为水的质量流率，kg/s；下标a表示空气，w表示水。

水膜到空气的质量传递方程：

(2)

式中：L为流程长度；y轴与空气流的方向一致，空气和水的进、出口参数已在图2中标出，下标i表示入口，o表示出口，equ表示界面处水与空气的平衡状态；NTU为传热单元数，其表达式为

(3)

式中：hd表示传质系数，kg/(m2·s)；An表示传质表面面积，m2。

能量守恒方程：

madha+mwdhw+hwdmw-

(4)

式中：α为单位体积的有效面积，m2/m3；A表示横截面面积；h表示焓值，J；h0为壁面到液膜的传热系数，W/(m2·K)；T0、Tw分别表示壁面与水膜温度，℃。

水膜与空气间的能量传递方程：

(5)

式中：λ为汽化潜热，kJ/kg ；显热传热量计算为Q=hcΔtA，传质速率为M=hdΔcAn，kg/s；Δc为浓度差，在此M=hdAnΔω；Le为路易斯数，其表达式为

(6)

式中：cp为比热容，kJ/(kg·K)；hc为对流换热系数，W/(m2·K)。

3 结果与讨论

采用EES对以上传热、传质模型进行了分析求解，计算中循环水入口温度设定为出口温度减去0.5 ℃(考虑环境散热)，液膜厚0.2 mm，蒸汽冷凝温度固定为40 ℃，即壁温设为恒定40 ℃。几何条件为：板片长0.4 m，高0.1 m，壁厚2 mm；内部蒸汽流道宽10 mm，外部空气流道宽26 mm，共625组。

图3为空气温度、湿度、水温、蒸汽冷凝温度沿程的分布情况。由图3可知：流动过程中不断从板壁吸收热量，水温逐渐趋近冷凝温度，但这种温度变化并不显著；空气温度略有提高，而空气湿度变化非常显著，表明这种逆流式蒸发式冷凝器主要依靠的是水的蒸发来实现热量的传递的，而通过空气显热所传递的热量很少。

图4分别为空气温度、湿度对换热量的影响情况，空气流量对换热量的影响，水流量对换热量的影响。由图4(a)可知：随着空气温度的升高，换热量下降，这是因为当空气的温度较低时，空气与水膜之间的温差较大，有利于换热；空气温度升高，与水膜之间的温差减小，换热能力下降。换热量与空气的相对湿度成线性关系，相对湿度越高，换热量越小；水膜与空气之间既有显热传递又有传质作用带走的潜热，相对湿度较高时，传质作用的推动力，水膜与空气间的水蒸汽浓度差变小，减弱了传质作用。

图3 空气温度、湿度、水温、蒸汽冷凝温度沿程分布情况

图4 空气温度和湿度、空气流量、水流量对换热量的影响

由图4(b)可以看出：空气流速为1 ～3 m/s时，换热量增加幅度较大，在空气流速达到4 m/s之后，换热量增加缓慢，趋于稳定；随着空气流速增加，空气流量变大，带走了传递到空气中的显热及水蒸汽，进一步强化了传质作用，因此换热量增加。随着空气流速不断增大，与液膜接触时间减少，所以达到一定流速后，换热量的增幅减小。

由图4(c)可看出：在所研究的参数范围内，换热量与水流量呈线性关系，水流量越大，换热量越大。水温沿程变化很小，且液膜侧壁面设置为恒壁温，因此换热量主要受水流量的影响，随水流量的增大而增大。

4 结 论

(1)逆流板式蒸发冷凝器的换热量随着空气温度的升高而降低，随着空气相对湿度的提高线性降低，低温干燥环境是采用蒸发式空冷凝汽器的有利条件。

(2)当空气流速为1～3 m/s时，板式蒸发式冷凝器的换热量随空气流速的提高增幅较大，当空气流速达到4 m/s之后，换热量增长缓慢，逐渐趋于稳定。

(3)喷淋水量对板式蒸发冷凝器的换热量影响显著，当水流量小于0.2 m/s时，换热量与水流量呈线性关系，水流量越大，换热量越大。

[1]周兰欣，王晓斐，吴瑞康.空冷岛加装挡风网对凝汽器换热效率的影响[J]. 电力建设,2014,35(1):88-92.

[2]高沛，张学镭.环境风影响直接空冷凝汽器换热的研究综述[J]. 电力建设,2013,34(7):81-84.

[3]Qureshi B A，Zubair S M. A comprehensive design and rating study of evaporative coolers and condensers Part Ⅰ: Performance evaluation[J]. International Journal of Refrigeration, 2006, 29(4): 645-658.

[4]Ren C Q, Yang H X. An analytical model for the heat and mass transfer processes in indirect evaporative cooling with parallel/counter flow configurations[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(3-4): 617-627.

[5]Heyns J A, Kroger D G. Experimental investigation into the thermal-flow performance characteristics of an evaporative cooler[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(5): 492-498.

[6]Hasan A，Siren K. Performance investigation of plain and finned tube evaporatively cooled heat exchangers[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(3): 325-340.

[7]朱冬生, 孙荷静, 蒋翔，等.蒸发式冷凝器的研究现状及其应用[J].流体机械，2008，36(10)：28-34.

[8]许旺发，张旭，罗海燕.板式蒸发冷却器阻力与热工特性实验研究[J].同济大学学报，2008, 36(6)：823-826.

[9]郭胜江，陈国邦，董兴杰.蒸发式冷凝器用于火电厂冷却系统中的可行性分析[J].能源工程，2004，4(1): 53-57.

[10]魏高升，刘育松，曹涛，等.1 000 MW直接空冷机组汽泵冷凝采用蒸发式冷凝器的探讨[J].汽轮机技术，2009，51(3): 214-216.

[11]California Energy Commission. Comparison of alternate cooling technologies for California power plants economic, environmental and other tradeoffs[R]. California，2002.

[12]许旺发，江华鹏，杨青山，等.顺流板式蒸发空冷凝汽器系统：中国，CN201964786U[P].2011.

[13]李兵. 板式蒸发空冷凝汽器的热质传递特性研究[D]. 北京：华北电力大学，2013.

[14]朱冬生，沈家龙，蒋翔，等.蒸发式冷凝器管外水膜传热性能实验研究[J].高校化学工程学报，2007，21(1)：31-36.

[15]王志坤，王春生，杨玉成，等.板式蒸发空冷器在汽轮机凝汽系统的应用[J].石油化工设备，2009，38(2)：73-74.

[16]李元希，蒋翔，张景卫，等.板式蒸发式冷凝器热工性能实验[J].化工进展，2009，28(1)：27-30.

[17]钟振兴, 朱冬生，刘清明，等.板式蒸发式冷凝器传热性能试验研究[J].流体机械，2011，39(2)：58-61.

[18]Guo C Q, Zhu D S, Tang X Y. Simplified calculation of heat and mass transfer in plate evaporative condenser[J]. Journal of Shanxi University of Science & Technology, 2008, 26(6): 45-50.

[19]许旺发，张旭.基于湿球温度的板式蒸发空冷器传递模型分析[J].同济大学学报，2007，35(6)：797-800, 805.

[20]郭常青，朱冬生，蒋翔，等.板式蒸发式冷凝器传热传质的数值模拟[J].华南理工大学学报，2009，37(3)：53-57.

[21]陈晓阳，刘晓华，李震，等.溶液除湿/再生设备热质交换过程解析解法及其应用[J].太阳能学报，2004，25(4): 509-514.

陈永辉(1977)，硕士，高级工程师，主要从事火力发电厂生产管理等方面的工作;

杜小泽(1970)，男，博士，教授，主要从事强化传热与电力节能、火电站空冷技术等的研究工作；

杨勇平(1967)，男，博士，教授，主要从事电站节能、电站空冷技术、分布式能源、太阳能热利用、CO2减排、IGCC等方面的研究工作。

(编辑：蒋毅恒)

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

国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(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，主要从事热物性理论，火电机组节能等领域的研究工作，E-mail:gaoshengw@126.com；

陈林(1982)，男，博士，讲师，主要从事传热传质学及换热强化等领域的研究工作；

李兵(1984)，男，硕士研究生，主要从事传热传质学及换热强化等领域的研究工作；