板壳蒸发式凝汽器热质传递机理及特性研究

摘要

随着我国国民经济的快速发展，能源相对不足的矛盾日益突出，因此国家提出了构建“资源节约型”社会的战略方针，将节能作为国民经济发展的长远战略方针和解决当前能源问题的首要途径，其中节能的一项重要措施是对余热资源进行回收利用，因此近年来余热发电得到了迅速的发展，但由于机组效率不高，经济性较差，制约了其应用和推广。本文提出采用板壳蒸发式凝汽器代替传统发电系统凝汽器和冷却塔以提高余热发电效率，但目前该方面的理论和实验数据十分缺乏，有鉴于此，本文主要进行了以下几个方面的研究：
　　 1.切应力作用下降膜传热特性的研究。从理论上建立了同向或反向切应力作用下层流液膜传热的物理模型，运用合流超几何函数推导了努塞尔数的统一表达式，分析努塞尔数和温度的变化趋势，结果表明：液膜在同向切应力作用下比反向切应力作用传热系数高，且努塞尔数随无量纲切应力的增大而增大。
　　 2.板间气液两相流传热传质现象的数值模拟。建立了考虑气相湍流、液相湍流、气-液界面切应力和气液相间传热传质的物理模型，并采用MATLAB编写了数值计算程序，搭建实验平台上对模拟结果进行验证，结果基本一致，说明模型正确可靠。模拟结果表明：气液界面上传热的形式是以水蒸发传质引起的潜热换热为主、显热传热为辅，潜热传热大约是显热传热的6～7倍；对喷淋水膜侧可以通过提高水膜温度、或在保证壁面完全润湿的前提下减小喷淋密度来强化传热传质；而对气相入口条件的研究表明，在相同的操作条件下，同一相对湿度下空气的温度越高，或同一空气温度下相对湿度越小，即空气干球温度与湿球温度之差越大，蒸发式凝汽器的性能越好。提高空气雷诺数，包括提高空气流速、增大板间距对界面潜热传热、显热传热均有明显的强化作用。
　　 3.板壳蒸发式凝汽器凝汽特性的实验研究。为了模仿板壳蒸发式凝汽器在余热发电系统中作为凝汽器实际的水蒸汽冷凝过程，首次设计并搭建了板壳蒸发式凝汽器凝汽特性的实验测试系统，采用回归分析法得到了水膜传热系数aw、传质舍伍德数Sh、对流传热努塞尔数Nu和空气侧欧拉数Eu的计算关联式，为板壳蒸发式凝汽器的工程应用提供了实验依据。通过实验确定了其最佳喷淋密度为0．18kg·m-1·s-1；且对板壳蒸发式凝汽器的传热热阻分析表明：热阻由大到小排列依次为气液界面热阻Raj>水膜热阻Rw>水蒸汽的凝结换热热阻Rs>换热板壁面的导热热阻Rp，即传热过程的控制热阻主要为气液界面热阻Raj。
　　 4.板壳蒸发式凝汽器静态传热模型的研究。在实验研究的基础上，根据质量、能量平衡方程，建立了板壳蒸发式凝汽器静态传热模型，将汽轮机排汽、喷淋水膜和冷却空气的相关参数联立成封闭的方程组，经过实验验证该模型可用于蒸发式凝汽器性能预测，其误差在可接受范围内。计算结果表明：空气湿球温度对板壳蒸发式凝汽器凝汽压力影响最大，其次为蒸汽负荷、空气流量、空气相对湿度和冷却水喷淋密度；而对总传热系数，入口空气湿球温度影响最大，其次为空气流量、蒸汽负荷、空气相对湿度、空气干球温度和喷淋水密度。与采用表面式凝汽器与湿式冷却塔的电站系统相比，采用板壳蒸发式凝汽器可以有效降低凝汽温度6℃以上，从而提高机组效率2．1％以上。
　　 5.板壳蒸发式凝汽器的结构优化。为了更好的发挥板壳蒸发式凝汽器的优势，本文以总传热系数atot最大为目标函数，以总换热量和空气侧压降作为约束条件，以换热板间距Sa、换热板高度H和板壳蒸发式凝汽器长度L为优化变量对其进行了结构优化，编写了结构优化程序，为其进行工程设计及应用打下了基础。
　　 本文的研究成果为板壳蒸发式凝汽器在余热发电中作为电站凝汽系统的应用提供了理论和实验数据，具有重要的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:物理量名称及符号表

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 电站凝汽设备和冷却系统

1.1.2 板壳蒸发式凝汽器在发电系统中的应用

1.1.3 蒸发式冷凝器的理论基础及特点

1.2 蒸发式冷凝技术的研究进展

1.2.1 理论与实验研究

1.2.2 应用研究

1.3 气-液两相流传热传质的研究进展

1.3.1 液膜流动和传热的理论与实验研究

1.3.3 传热传质数值模拟研究

1.4 课题来源、主要研究内容及章节安排

1.4.1 课题来源

1.4.2 主要研究内容

1.4.3 章节安排

1.5 创新之处与主要特色

第二章 切应力作用下降膜传热特性的数学分析

2.1 前言

2.2 物理模型

2.3 计算结果与分析

2.3.1 计算验证

2.3.2 水膜内温度分布

2.3.3 气-液界面切应力的影响

2.3.4 不同切应力下充分发展段努塞尔数

2.3.5 贝克来数的影响

2.4 本章小结

第三章 板间空气-水传热传质的数值模拟和实验研究

3.1 前言

3.2 数学模型

3.2.1 控制方程

3.2.2 边界条件

3.2.3 气相低雷诺数k-ε模型

3.2.4 水膜湍流模型

3.2.5 压力-速度耦合

3.2.6 参数无量纲化

3.2.7 求解方法

3.3 实验验证

3.4 结果与讨论

3.4.1 与文献实验值和模拟的比较

3.4.2 速度、温度、质量分数分布

3.4.3 气-液相界面处显热和潜热热流密度的相对关系

3.4.4 壁面热流密度的影响

3.4.5 不同液相进口条件的影响

3.4.6 不同气相进口条件的影响

3.4.7 板间距的影响

3.4.8 传热传质机理探讨

3.5 本章小结

第四章 板壳蒸发式凝汽器凝汽特性的实验研究

4.1 前言

4.2 实验装置

4.3 实验设备及测量仪器

4.3.1 实验设备

4.3.2 测量仪器

4.4 实验基本步骤

4.5 实验数据处理

4.5.1 实验数据的分析方法

4.5.2 实验数据的误差分析

4.6 实验结果与分析

4.6.1 红外热像结果分析

4.6.2 最佳喷淋密度的确定

4.6.3 传热传质系数计算关联式总结

4.6.4 热阻分析

4.7 本章小结

第五章 板壳蒸发式凝汽器静态传热模型的研究

5.1 前言

5.2 传热基本方程组

5.2.1 传热过程分析

5.2.2 蒸汽侧能量平衡方程

5.2.3 空气侧质量与能量平衡方程

5.2.4 水膜质量与能量平衡方程

5.2.5 蒸汽负荷与饱和蒸汽温度

5.2.6 边界条件

5.3 结果与分析

5.3.1 温度变化特性

5.3.2 蒸汽负荷的影响

5.3.3 空气流量的影响

5.3.4 喷淋密度的影响

5.3.5 入口空气湿球温度的影响

5.3.6 入口空气干球温度的影响

5.3.7 入口空气相对湿度的影响

5.3.8 与采用湿式冷却系统凝汽温度的比较

5.3.9 提高性能的几项建议

5.4 本章小结

第六章 板壳蒸发式凝汽器的设计优化

6.1 前言

6.2 优化设计的基本原理

6.2.1 数学描述

6.2.2 优化算法

6.3 结构优化

6.3.1 目标函数的建立

6.3.2 优化变量的选择

6.3.3 约束条件的确定

6.4 算例分析

6.4.1 优化模型

6.4.2 结构优化设计的程序实现

6.4.3 优化结果分析

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录：空气、水、水蒸汽物性参数计算公式

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢