齊清，宋錦春，張凱，倪克

(東北大學(xué)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(yīng)用于火力發(fā)電系統(tǒng)，具有蒸汽側(cè)流通面積大，阻力小，防凍性能好，傳熱系數(shù)高的優(yōu)點，在實際工作中，空氣冷凝器受到周圍實際環(huán)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(shè)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(tǒng)由600 mm×600 mm單排管束、噴嘴、清洗水泵、風(fēng)機、風(fēng)管組成，風(fēng)速調(diào)節(jié)通過變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(guān)數(shù)據(jù)。

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(shè)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(jù)經(jīng)驗，設(shè)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?yōu)?.4 mm厚，將污垢前的鋁材質(zhì)變?yōu)槲酃负蟮男虏牧蠈傩?，即改變熱?dǎo)系數(shù)由202.4 W·K/m為150 W·K/m。

設(shè)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(zhì)量守恒，動量守恒，以及能量守恒方程。

質(zhì)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(shù);α為導(dǎo)溫系數(shù)。

2.2 仿真結(jié)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(xiàn)，前面的漩渦大于后面的漩渦，流經(jīng)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(qū)別，說明對風(fēng)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(qū)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(shù)據(jù)與分析

在環(huán)境溫度為20℃，一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的的情況下，測得的實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 平均傳熱系數(shù)與元件迎面風(fēng)速的關(guān)系曲線圖

平均傳熱系數(shù)與元件迎面風(fēng)速的關(guān)系曲線圖如圖4所示。從試驗數(shù)據(jù)比較，加垢管束經(jīng)過清洗處理后，在迎面風(fēng)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(shù)的略低2%。

平均傳熱系數(shù)與迎面風(fēng)速的關(guān)聯(lián)方程式:

按上述關(guān)聯(lián)式計算，在單排管常用的2.0～2.3 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，加垢清洗后，換熱系數(shù)與加垢前基本相同。

平均傳熱系數(shù)與元件迎風(fēng)面單位面積空氣質(zhì)量流量的關(guān)系曲線圖如圖5所示。

圖5 平均傳熱系數(shù)與元件迎面單位面積空氣質(zhì)量流量的關(guān)系曲線圖

平均傳熱系數(shù)與元件迎風(fēng)面單位面積質(zhì)量流量的關(guān)聯(lián)方程式

元件空氣阻力與元件迎風(fēng)面風(fēng)速的關(guān)系曲線圖如圖6所示。

空氣阻力與元件迎面風(fēng)速的關(guān)聯(lián)方程式

圖6 元件空氣阻力與元件迎風(fēng)面風(fēng)速的關(guān)系曲線圖

按以上試驗得出的關(guān)聯(lián)式計算，在單排管常用的2.0～2.3 m/s范圍內(nèi)，管束加垢后比加垢前風(fēng)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(shù)據(jù)對比分析，發(fā)現(xiàn)清洗后管束的空氣側(cè)阻力明顯下降，但仍然比同風(fēng)量下加垢前管束空氣側(cè)阻力大。試驗數(shù)據(jù)顯示，同等風(fēng)量條件下，當(dāng)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(cè)阻力在1.5～5.0 m/s的范圍內(nèi)平均比加垢前大3%左右。

加垢管束經(jīng)過清洗處理后，在迎面風(fēng)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(shù)的略高2%。

對比仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，傳熱系數(shù)變化基本吻合，但是仿真中風(fēng)阻無明顯變化，實驗中風(fēng)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(shè)已有污垢的表面為絕對光滑表面的緣故。

4 結(jié)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(jīng)過認(rèn)真清洗后，管束的風(fēng)阻可降低，其數(shù)值可以基本恢復(fù)到或略高于污垢前的值，并且換熱系數(shù)在經(jīng)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(fēng)阻。

(3)該FLUENT仿真模型換熱特性結(jié)果基本與實驗結(jié)果一致。

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