空气冷凝器单排管束冲洗实验换热特性研究

齐清，宋锦春，张凯，倪克

(东北大学液压与气动研究所，辽宁沈阳110819)

单排管是空气冷凝器的重要组成部分，广泛应用于火力发电系统，具有蒸汽侧流通面积大，阻力小，防冻性能好，传热系数高的优点，在实际工作中，空气冷凝器受到周围实际环境的影响，其换热特性也必然受到影响，需要冲洗。那么有必要对单排管冲洗前后的换热特性进行分析和研究，这对火电站的建设和维护有十分重要的参考价值。

1 单排管冲洗实验装置

如图1所示，该实验系统由600 mm×600 mm单排管束、喷嘴、清洗水泵、风机、风管组成，风速调节通过变频器调节电机转速。利用做过污垢试验的600 mm×600 mm单排管试验管束，其翅片表面已进行了均匀地布污，污垢量为5 g/m2，将该管束放在一移动小车上，其上方固定了清洗喷淋组件，喷嘴与管束翅片上表面距离约为220 mm;将小车推离喷嘴喷射范围，启动清洗水泵，将清洗压力调节到9 MPa;匀速推动小车，模拟实际工程中对换热管束清洗的方式和速度清洗管束，记录管束清洗干净所需时间，将清洗干净的试验管束进行测试，并记录相关数据。

图1 单排管冲洗实验装置

2 FLUENT换热性能仿真分析及对比

2.1 仿真模型建立及边界条件设定

针对单排管的翅片部位建立几何模型，并在FLUENT软件中进行仿真分析。根据经验，设出入口空气温度为300 K，空气流速固定为2 m/s，翅片在未有污垢前厚度0.3 mm，有污垢后厚度变为0.4 mm厚，将污垢前的铝材质变为污垢后的新材料属性，即改变热导系数由202.4 W·K/m为150 W·K/m。

设空气在翅片周围为紊流，采用K－ε模型，速度入口，压力出口，满足质量守恒，动量守恒，以及能量守恒方程。

质量守恒方程:

动量守恒方程:

式中:ρ为空气密度;t为空气温度;u，v，w为空气在x，y，z方向上的速度分量;p为空气静压力;μ为动力黏性系数;α为导温系数。

2.2 仿真结果对比

图2表示了翅片清洗前后的速度场，可以看出，空气在流过翅片前后位置都有一个漩涡出现，前面的漩涡大于后面的漩涡，流经翅片周围的空气速度变大，这是由于横截面变小的缘故。清洗前后的速度场没有明显区别，说明对风阻的影响不大。

图3表示了翅片清洗前后的温度度场，可以看出，两者在空气流入部位温度基本保持一致，但是在翅片尾部，清洗后的高温区域稍大一些，这说明翅片表面由于没有污垢阻碍传热效果，传热的效率更高一些。

能量守恒方程:

图2 清洗前后翅片的速度场

图3 清洗前后翅片的温度场

3 实验数据与分析

在环境温度为20℃，一个标准大气压的的情况下，测得的实验数据如图4所示。

图4 平均传热系数与元件迎面风速的关系曲线图

平均传热系数与元件迎面风速的关系曲线图如图4所示。从试验数据比较，加垢管束经过清洗处理后，在迎面风速1.5～3 m/s条件下，清洗后管束与加垢前的管束相比换热系数的略低2%。

平均传热系数与迎面风速的关联方程式:

按上述关联式计算，在单排管常用的2.0～2.3 m/s风速范围内，加垢清洗后，换热系数与加垢前基本相同。

平均传热系数与元件迎风面单位面积空气质量流量的关系曲线图如图5所示。

图5 平均传热系数与元件迎面单位面积空气质量流量的关系曲线图

平均传热系数与元件迎风面单位面积质量流量的关联方程式

元件空气阻力与元件迎风面风速的关系曲线图如图6所示。

空气阻力与元件迎面风速的关联方程式

图6 元件空气阻力与元件迎风面风速的关系曲线图

按以上试验得出的关联式计算，在单排管常用的2.0～2.3 m/s范围内，管束加垢后比加垢前风阻增加13～14%，清洗后比加垢前仍大约4%。

本次试验清洗前管束翅片外表面污垢量为5 g/m2，即翅片每平方米外表面上污垢量为5 g污垢，污垢的平均厚度小于5 μm。通过对加垢前管束和加垢清洗后管束性能测试、及加垢前后管束性能测试数据对比分析，发现清洗后管束的空气侧阻力明显下降，但仍然比同风量下加垢前管束空气侧阻力大。试验数据显示，同等风量条件下，当管束上污垢量为5 g/m2时，加垢后的管束空气阻力比加垢前均大12%;清洗后管束空气侧阻力在1.5～5.0 m/s的范围内平均比加垢前大3%左右。

加垢管束经过清洗处理后，在迎面风速1.5～3 m/s条件下，清洗后管束与未做处理的管束相比换热系数的略高2%。

对比仿真结果与实验数据，传热系数变化基本吻合，但是仿真中风阻无明显变化，实验中风阻有明显变化，这是由于仿真中仅仅对其中一个翅片进行分析，并且在仿真中假设已有污垢的表面为绝对光滑表面的缘故。

4 结论

通过对具体单排管的冲洗实验研究与FLUENT仿真相对比，表明:

(1)对于存在污垢的管束，经过认真清洗后，管束的风阻可降低，其数值可以基本恢复到或略高于污垢前的值，并且换热系数在经过冲洗后有所提高。

(2)管束的污垢存在一定时间后，须对其清洗，否则影响换热特性及风阻。

(3)该FLUENT仿真模型换热特性结果基本与实验结果一致。

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