（工程热物理专业论文）otec实验系统上板翅式冷凝器的实验研究.pdf

中文摘要 板翅式换热器是一种高效、紧凑式换热器，具有良好的传热特性，本文的目 的是研究以氨为工质的板翅式换热器在冷凝工况下的传热特性。 设计并搭建了实验台，利用一个两侧流道与冷凝器水侧流道完全相同的换热 器对水侧对流换热进行了实验研究。对换热器的冷热两侧流量和进出口温差进行 了测量，根据实验数据拟合出冷凝器水侧的对流换热关联式。 在0 r r e c 实验台上进行了板翅式冷凝器换热性能实验，测定换热器总换热系 数，研究了总换热系数的影响因素。在此基础上导出了氨侧凝结换热系数，并对 影响凝结换热系数的因素进行了分析。利用理论分析与实验相结合的方法，建立 了板翅式冷凝器氨工质凝结换热系数半经验关联式，该关联式的预测精度为 2 0 。 关键词：o t e c 实验台、板翅式冷凝器、对流换热系数、凝结换热系数 a b s t r a c t t h ep l a t e f i nh e a te x c h a n g e ri sak i n do fh i g he f f i c i e n c ya n dc o m p a c t h e a te x c h a n g e r ，w h i c hi so fg o o dc h a r a c t e r i s t i ci nh e a tt r a n s f e r t h e o b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st oi n v e s t i g a t et h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c o fp l a t e f i nh e a te x c h a n g e rw h e ni ti su s e da sac o n d e n s e r am i n i t y p ee x p e r i m e n t a ls y s t e m , w h i c hi sas e l f s a m eh e a te x c h a n g e r a st h ec o n d e n s e ri nt h ew a t e rs i d ep a t h ，h a db e e nd e s i g n e da n db u i l tu p i no r d e rt os t u d ya n dt e s tt h eh e a tc o n v e c t i o nc o e f f i c i e n to ft h e c o n d e n s e r sw a t e rs i d e t h em e a s u r e m e n to nt h ef l o wo ft h eb o t ht w os i d e s o ft h ew a t e ra n dt h ei m p o r ta n de x p o r tt e m p e r a t u r eo ft h ew a t e rs h o u l d b ec a r r i e do n t h ec a l c u l a t e de x p e r i m e n t a ld a t aw a su s e dt of i t t h e f o r m u l a t h ec o n d e n s e re x p e r i m e n t w h i c hw a sc o n c e r n e da th e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo ft h ep l a t e f i nc o n d e n s e r ，h a db e e nd e s i g n e da n do p e r a t e d i nt h es y s t e mo ft h eo c e a nt h e r m a le n e r g yc o n v e r s i o n ( c r r e c ) t h eo b j e c t i v e o ft h ee x p e r i m e n ti st oi n v e s t i g a t ed i f f e r e n tf a c t o r s ( v e l o c i t yo ff l o w ， t e m p e r a t u r e ) i n f l u e n c i n go nt h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y o ft h eh e a t e x c h a n g e r t h e nt h ef o r m u l ao fc o n d e n s a t i o ns u r f a c ec o e f f i c i e n to ft h e c o n d e n s e r sa m m o n i as i d eh a db e e nf i tb yt h em e a n so ft h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha sw e l la st h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a tl a s t ，t h ec a l c u l a t i o n e r r o ro ft h ef o r m u l ah a db e e na n a l y z e da n dp o i n t e do u ta b o u t2 0 k e yw o r d s ：0 r r e cs y s t e m , p l a t e f i nc o n d e n s e r ，c o n v e n t i o ns u r f a c e c o e f f i c i e n t c o n d e n s a t i o ns u r f a c ec o e f f i c i e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名。店卅沐一 签字日期： 2 。口f 年1 月矿侣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：管仍讲一 导师签名： 互塑乙 签字日期： 加口5 年 f 月日 签字日期：知5 年月 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 海洋温差能 第一章绪论 占地球总面积约7 0 的海洋就像一个巨大的宝库，蕴含着丰富的能源。其中 包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。这些能源均是清洁、可再生 能源。可以说海洋能源是取之不尽用之不竭的“绿色”能源，是人类未来能源的 希望。在陆上资源面临枯竭的今天，许多国家已经把目光投向了海洋，并制定了 相关的能源开发计划。 在诸多的海洋能中，海洋温差能储量最大，被认为是具有开发潜力的能源之 一”。海洋温差能是由于表层海水吸收太阳能而温度升高，而深层海水温度较低、 基本恒定，表、深层海水之间存在着温差构成的能量。深层海水温度较低是由于 海水的导热系数较小，特别是海水在纵深方向的运动比水平方向要小得多，因此， 表面热能就难以传到深层。海水的水温分布，在从表面到1 0 0 米处的水温则急速 下降，深度超过i 0 0 0 米的水温基本保持在6 - 4 。图1 - 1 为几个不同地域海洋 的纵深温度分布图【2 】。从图中可以看出在海底有一巨大冷水层，海水的上层是一 个约为1 0 0 米厚度的较高温水的薄层。在亚热带、热带，一般表层水和深层水的 温度差大约在2 0 2 5 范围。 海洋温差能具有以下特点：( 1 ) 可再生： 海洋温差能实质是蕴藏的太阳能，是可再生 的清洁能源；( 2 ) 储量大：每年相当于3 7 万亿千瓦的太阳能被海水吸收，是全世界人 类所用电力的4 0 0 0 倒3 1 。( 3 ) 稳定；海水 温差能2 4 小时不间断，昼夜波动小，不受 多变的潮汐和海浪的影响，只稍有季节性的 变化，因此海水温差能相对较稳定。不像太 阳能、潮汐能和海浪能那样具有间歇性。( 4 ) 能量密度低：冷热海水的温差小，循环效率 低。 海洋温差能可以转换成电能，这种发电 装置叫海洋温差发电( o c e a nt h e r m a l 图i - i 海水纵深方向温度分布 第一章绪论 e n e r g yc o n v e r s i o n 简称叽e c ) 。目前0 r r e c 系统的循环形式主要有三种：开式 循环、闭式循环和混合式循环。o t e c 系统直接利用储存在海洋中的热能，不消 耗燃料，不排放污染物，且储存在海洋中的能量随时可用。全世界范围内的海水 温差能如果有1 得到利用，意味着有0 5 兆千瓦的能量可以利用。它相当于2 0 0 0 年世界所需能量的5 0 倍【4 】。海洋温差能不仅可以用来发电，还可以搞海水淡化 和海水养殖等各种综合利用，海洋温差能的开发不仅可以缓解能源短缺的现状， 还可以提供淡水资源，因此海洋温差能的开发具有重要意义。 1 1 2 海洋温差能研究现状 海洋温差发电( o c e a nt h e r m a le n e r g yc o n v e r s i o n ，简称0 r r e c ) 的概念是在 1 8 8 1 年由法国人d a r s o n v a l 出的嗍。1 9 2 6 年法国科学家克劳德在分别装两个 烧瓶里的2 8 的温水和冰块的之间实现温差至电能之间的转换，从而说明利用 海洋温差发电是完全可能的，如图1 2 所示。 克劳德实验成功后，于1 9 2 9 年 在古巴建成了一座海水温差发电 的试验装置，发电功率为2 2 千瓦 【6 l 。虽然后来被风浪摧毁，但是实j 验证明了海水温差发电在技术上 是可行的。 然而，直到2 0 世纪7 0 年代7 0 年代第一次石油危机才使得以美 国、日本为代表的国家把海洋温差 发电研究列入基础研究范围。日本 图1 2 克劳德的温差发电试验 已把温差发电纳入其解决能源问题的“阳光”计划，做了许多基础研究和试验工 作。并正式成立了海洋温差发电研究所，专门开展温差发电研究。 各国研究现状如下： 美国：1 9 7 9 年美国建立了闭式循环的m i n i - o t e c 系统，额定功率5 0 k v ，净 输出功率1 8 8 k w 【7 1 。这是世界上首次从海洋温差能中获得具有实用意义的电力。 1 9 9 3 年美国在夏威夷建成2 1 0k w 开式循环系统，净输出4 0 5 0k w ，并开始探 索对于海水温差能的综合利用【引。p i c h t r 还开发了利用冷海水进行空调、制冷及 海水养殖等附属产业，在太平洋热带岛屿显示出良好的市场前景【们。 日本：日本在海洋温差能研究开发方面投资力度很大，并在海洋热能发电系 2 第一章绪论 统和换热器技术方面领先于美国。迄今日本共建造了3 座海洋温差试验电站： 1 9 8 1 年日本在瑙鲁建造闭式循环实验设施，额定功率1 2 0k 计埘。1 9 8 5 年日本佐 贺大学建成闭式循环的7 5 肼实验设施【l l l 。1 9 9 4 年日本佐贺大学建成新型闭式 循环( 上原循环) 的9 k w 实验设施并进行海水淡化方面的研究。 印度：印度也己对海水温差能利用进行了多年研究，1 9 9 8 年印度国家海洋技 术研究所在日本佐贺大学技术支持的基础上，准备投资建立海上平台式海水温差 能利用系统并将使其商业化。 中国：除八十年代末，广州能源所、台湾研究机构有少量研究外基本处于空 白。 目前，对开式和闭式循环研究较多，对混合式循环的研究较少。总的来说， 各国对海洋温差能的利用都还处于实验阶段。 1 1 3 开发海洋温差能的意义 我国海洋温差能比较丰富【1 2 】，如果能够因地制宜的开发这一清洁可再生能 源，将会对我国的能源结构的调整、缓解能源压力、开发岛屿资源等有重要意义。 朱镕基总理也曾在“十五”计划纲要报告中强调了综合开发海洋资源的重要性。 我国开发海洋温差能的意义： ( 1 ) 我国海洋温差能资源分布同主要耗能区接近。我国工业，商业、贸易 主要分布在沿海城镇，是能源的主要消耗区，也是目前能源供应最紧张的地区。 有的省份9 0 以上的化石燃料需从外省输入，平均运距1 5 0 0 公里以上；许多地 区不仅缺油少煤，水电资源也很有限，随着工业技术的不断发展，能源需求量的 不断增加，不仅供煤越来越紧张，运输压力也会越来越大。 ( 2 ) 开发海洋温差能在解决我国沿海岛屿用电方面有重要的现实意义。全 国海岛资源综合调查表明，我国拥有面积5 0 0 平方米以上的岛屿6 5 0 0 多个，其 中有人居住的4 3 3 个，人口4 5 3 万( 未包括台湾省及其附属岛屿) 。随着近年来 国家经济的迅速发展，包括海岛在内的海洋开发日益显得重要。许多沿海地区， 如广东，山东，南海等，均将海洋资源开发利用列为经济建设的重大战略措施， 而海岛又成为海洋开发的前哨和基地。但是，大多数岛屿常规能源( 如煤、石油) 资源短缺，能源供应依靠大陆运送，电力联网困难，普遍缺能少电。独立电网大 都依靠高价柴油发电，不少地方成本超过每千瓦时1 元，且只能提供生活用电， 因此严重影响岛屿的渔、副、工、农及国防的发展和建设。所以解决岛屿能源问 题具有重要的政治、国防、经济意义。沿海岛屿虽然缺乏常规能源，但是海洋温 3 第一章绪论 差能资源丰富，若能因地制宜地开发环岛周围的海洋温差能，对岛屿的经济发展 和守士固疆必将产生重大影响。 ( 3 ) 海洋温差能资源的开发，还能为将来地海上工程作业提供便利的电力。 随着人类对海洋资源认识地深入和科学技术的发展，海洋开发已经处于离岸向纵 深发展的阶段。海洋开发本身需要越来越多的能源，例如海上钻井平台主要依靠 柴油机发电，电源有限。如果发展海上移动式海洋温差能发电装置，可以跟随海 上工程活动使用，解决离岸用电问题。在海南、西沙群岛等地，开发海洋热能发 电，既解决用电，还可以搞海水淡化，解决淡水供应问题。 综上可知，此开发利用海洋温差能具有很大的实用价值。开发海洋温差能不 仅可以缓解我国能源压力，调整能源结构，也有利于我国的环境保护。所以，海 水温差能作为一种清洁、可再生的能源，其开发、利用对我国经济可持续发展和 人民生活水平的提高具有重要的现实意义。 1 2 板翅式换热器的研究 o t e c 系统中的关键部件是蒸发器和冷凝器，两个换热器的性能直接影响整个 系统的效率，所以一般采用传热系数比较高的换热器。目前换热器已由最初使用 的管壳式换热器转为使用传热系数较高的板式或板翅式换热器，因此在本研究中 冷凝器采用板翅式换热器。下面主要介绍板翅式换热器的研究情况。 板翅式换热器具有它的特点，传热系数高，结构紧凑，轻巧而牢固，适应性 强，经济性好。在国外，板翅式换热器已有半个多世纪的发展历史，工业上有了 相当规模的应用。 1 2 1 板翅式换热器的历史 1 3 】 板翅式换热器的问世，首先是为了满足飞机中间冷却器的需要。早在1 9 3 0 年英国马尔斯顿公司就用浸渍钎焊方法，用铜及其合金制成板翅式换热器用做航 空发动机的散热器。 美国早在四十年代末期就开始生产了板翅式换热器并用于空气分离设备中。 目前特兰公司和司徒华脱华纳公司南温特分厂已成为美国石油化工、空气分离、 工程机械等工业部门所需的铝、铜、镍、不锈钢等各种材质大型板翅式换热器主 要供应者。英国的马尔斯顿公司是最早制造板翅式换热器的工厂。该公司在五十 年代初期首先将板翅式换热器应用于空气分离设备低温换热器上，1 9 5 7 年又研 制成了可逆式换热器，1 9 5 9 年提供第一套乙烯装置中承压4 m p a 的换热器。该公 4 第一章绪论 司从1 9 6 0 年至1 9 7 9 年生产了设计压力达1 o m p a 的换热器3 9 4 3 个单元。日本在 四十年代即对板翅式换热器进行研究，日本神户制钢所和住友精密工业株式会社 两家公司从1 9 6 3 年到1 9 7 8 年，共生产各种大中型板翅式换热器单元3 3 0 0 多个， 最高工作压力可达6 3 m p a 并，并试制成功承压8 m p a 高压板翅式换热器。 我国在6 0 年代开始自行开发这种高效的换热设备，成为继英、美、日之后 第四个生产板翅式换热器的国家。3 0 年来，我国的板翅式换热器技术取得了显 著的进步。1 9 7 9 年开封空分设备厂研制成功锯齿型翅片冲床技术。1 9 9 1 年杭氧 集团引进美国s w 公司大型真空钎焊炉和板翅式换热器制造技术，并于1 9 9 3 年成 功开发了8 o 咿a 石油化工用高压铝制板翅式换热器，我国板翅式换热器设计和 制造技术水平的提高，使我国在该项技术领域接近世界先进水平。 1 2 2 板翅式换热器的制造工艺与研究现状 一、板翅式换热器制造工艺 1 真空钎焊工艺 真空钎焊工艺已被世界各国的板翅式换热器生产厂家所接受，并己取代了原 来的盐浴浸渍老工艺。目前世界上真空钎焊设备的主要供应商是英国康萨克 ( c 0 n s a r c ) 公司、日本真空技术株式会社、美国伊普森( i p s e n ) 公司以及国内的兰 州真空设备厂，他们的产品性能比较可参见文献【14 嘲。我国板翅式换热器真空钎 焊工艺应用时间虽短，但发展迅速 1 4 , 1 6 】。目前大型真空钎焊炉生产的最大工件尺 寸已达1 2 0 0 r i o n 1 2 0 0 m 6 0 0 0 m m ，最高设计压力可达8 o m p a ，流体股数最多达 1 2 股。 2 高热流密度的换热表面技术【”】 目前对于高热流密度的翅片表面的开发研究也很活跃，美国空气研究公司报 道，已开发出一种错位片条翅片，其翅片密度为1 4 5 1 片m ，传热面积率高达 5 6 5 0 m 2 一。美国3 m 公司已有紧密度为4 0 0 0 - - 8 6 0 0 片m 的翅片，水力直径仅为 0 1 m ，并曾在试验中获得2 w m m 2 的热流密度。德国卡尔斯鲁厄核研究中心也宣 称开发出传热面积率为1 5 0 0 0 m 2 m 3 的微型换热器。 3 钛和不锈钢板翅式换热器钎焊工艺【1 1 】 据国外文献报道，现在不锈钢板翅式换热器产品的耐温和耐压极限已达到 8 5 0 及1 4 o m p a 。不锈钢板翅式换热器常用的钎料是镍基、铜基、银基和锰基 钎料，其中只有采用镍基钎料才能使产品既耐高温又耐腐蚀。目前镍基钎料钎焊 不锈钢的工艺还不成熟，特别是大型不锈钢板翅式换热器，还有许多问题需要解 5 第一章绪论 决，如不锈钢热膨胀系数大，导热系数低，容易因热应力产生裂纹等。另外，不 锈钢板翅式换热器对钎焊前的处理要求非常高，对表面异物敏感性很高。钛板翅 式换热器的制造工艺研究国内刚刚起步。 二、板翅式换热器的研究 1 翅片表面的研究 1 3 , 1 7 l 板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片来完成的。常用的翅片型式主要 有以下几种：平直翅片、多孔翅片、锯齿翅片、波纹翅片、百叶窗翅片。美国斯 坦福大学的k a y s 和l o n d o n 等人对紧凑表面进行了较系统的实验研究，总结出 4 0 多种翅片形状的板翅式换热器传热和阻力关联式。j o s h i 和w e b b 比对锯齿翅 片的表面特性进行了研究，提出了一系列关联式。s h a h 通过多种多孔翅片表面 传热、压降和流动特性试验，提出了一些可供设计参考的结论。 表面选择一般可从定性分析和定量分析来考虑，定量分析方法基本上可分为 筛法和性能比较法，性能比较法适用于管翅式换热器，而筛法则用于板翅式换热 器。筛法每次只考虑流体一侧，在给定压降时，根据最小迎风面和最小换热面积 ( 或体积) 来选择最佳表面。 2 传热和流动分析 传热计算中确定流体物性的温度值，在冷侧流体温度降不是很大的情况下， 可用平均温度计算物性。但若流体物性变化很大，则应将换热器按能量平衡分成 几部分，假定各部分内的物性为一常数。 物流不均匀会引起板翅式换热器性能显著下降。简单的封头分配不均匀性分 析可通过解析方法完成，复杂的只有通过数值计算方法来分析传热过程。对通道 间物流分配不均匀的情况，l o n d o n 采用单通道模型对低r e 层流状态下的情况进 行了理论分析。后来又将该理论分析推广于多通道模型分析【1 8 】。对于两相流问 题，不均匀分配问题显得尤为突出【1 9 - 2 h ，物流的不均匀分配使得板翅式换热器严 重偏离设计工况。现在的研究，较多是定性的，离设计应用仍有很大距离，因此 物流不均匀性问题仍是中外学者研究的一个重要方向。 多股流板翅式换热器目前研究的重点在通道分配及通道排列问题上，对于这 方面的研究还不充分，从来没有形成一个较为一致的原则来指导设计通记分配及 通道排列。因此，对多股流换热的物理模型和计算方法等还有待于进一步研究。 板翅式换热器表面在沸腾与冷凝的工况下，换热系数比较大，但相对于单相 流的传热和流动，两相流传热机理研究还很不够，目前公开发表的关于板翅式表 面在相变和两相流方面的文献还较多局限于空分设备领域中。由于板翅式换热器 中沸腾和冷凝的性能数据非常有限，因此还无法提供用于设计的通用综合关系 6 第一章绪论 式。 3 计算机辅助工程( c a e ) 【1 3 】 由于板翅式换热器的设计公式较为复杂，通道设计十分困难，近年来随着计 算机辅助工程技术的发展，应用计算机模拟技术对换热器稳态和瞬态进行性能模 拟已成为可能。英国传热服务公司( h t f s ) 、美国a l t e c 公司和s w 公司等都曾推 出专用商业软件。 1 2 3 板翅式换热器的发展趋势【2 2 - 2 6 当前，国际上对板翅式换热器的研究正在不断深入，主要的研究方向集中在 以下几个方面。 1 耐高压、高温和耐腐蚀的新型板翅式换热器开发 虽然板翅式换热器的优点已得到公认，但人们始终没有放弃对适应性更广， 特别是能耐更高压力、耐高温和耐腐蚀、不易结垢的新型板翅式换热器的追求。 日本仲摩信人 2 2 1 的试验表明，用铝碳纤维复合材料制成板翅式换热器可以承受 3 5 肝a 的压力。南京化工大学开发的石墨改性碳纤维增强聚四氟乙烯板翅式换热 器，具有极强的抗腐蚀和抗结垢能力，可以用于石油化工领域的许多恶劣工况条 件下。由特殊陶瓷材料制成的板翅式换热器，可耐1 0 0 0 ( 2 以上高温。由于航天、 电子及超导等工业的要求，各种微型板翅式换热器的研制与改进正方兴未艾。 2 真空钎焊工艺的推广和改进以及新制造工艺的研究 铝板翅式换热器的真空钎焊工艺已经成熟，但钛和不锈钢板翅式换热器真空 钎焊工艺还有待进一步完善和改进。采用钎焊技术制造板翅式换热器，很难大幅 度提高其耐压能力。扩散熔合焊为大幅度提高板翅式换热器的耐压能力提供新的 途径。 3 传热、流动及防结垢研究 ( 1 ) 传热、压降系数及有关关联式：目前这些系数和关联式还不齐备，有 许多工业上用的传热表面的数据不全或缺少可用的关联式，对于传热单元数n t u 较大的情况，试验技术有较大的误差，有待于改进，翅片与隔板联接的热阻及其 对整个传热过程的影响也需要更进一步研究。 ( 2 ) 伴有相变及两相流的传热及流动【捌；相对于单相流的传热与流动，多 相流以及相变换热的研究显得很薄弱，今后仍是重点研究的一个领域。 ( 3 ) 防结垢问题：气侧结垢一般并不十分严重，但是传热面紧凑程度越高， 其水力直径越小，垢层对流道截面减小的影响就越大，因而这一问题仍然是工业 7 第一章绪论 界最为关心的问题之一。 4 应用领域的进一步拓宽 在化学工业中，利用板翅式换热器作为反应器的研究己进行多年，使板翅式 换热器除了起换热作用外，还同时完成其它功能如传热反应等一直是工业界关心 的问题。在核能、宇航、超导等尖端技术中应用板翅式换热器还遇到不少问题。 随着板翅式换热器技术的进一步发展与完善，可以预期其应用领域将不断拓宽。 1 3 本文研究内容 现在国内外对板翅式换热器传热性能的研究已有一定的基础，但是目前并没 有建立起一个统一的关联式，加上对于板翅式换热器有相交的传热研究非常少， 导致本系统中板翅式冷凝器工质侧凝结换热系数的确定没有现成的换热关联式 以及实验数据，所以本文将针对o t e c 实验系统的关键部件冷凝器进行理论和实 验研究，找出影响工质侧凝结换热的主要因素，建立凝结换热系数的实验关联式。 具体内容如下： 一、设计并搭建小型实验台，进行板翅式换热器换热试验，研究板翅式换热 器水侧对流换热系数影响因素，建立水侧对流换热关联式； 二、在温差发电系统实验台上进行冷凝器的传热实验，测定冷凝器总换热系 数置，研究其影响因素； 三、分析板翅式冷凝器工质侧凝结换热系数的影响因素，结合实验数据，建 立板翅式冷凝器氨侧凝结换热关联式。 8 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 2 1o t e c 实验系统介绍 2 1 1 实验系统介绍 根据工质、流程的不同，o t e c 系统一般可分为开式循环、闭式循环和混合 式循环。混合式循环是在闭式循环的基础上结合开式循环与闭式循环两者特点发 展起来的一种循环形式。本实验系统为混合式循环系统，工质为自然工质氨。图 2 - 1 为该实验系统的原理图，图2 - 2 为该实验系统的平面布置图。 本系统由两部分组成：海洋温差能发电系统和海水淡化闪蒸系统。 发电系统由蒸发器、冷凝器、汽轮机、发电机、工质泵、温海水泵和冷海水 泵等设备组成。其具体流程为：液态工质在蒸发器内被温海水加热变为饱和蒸汽， 蒸汽进入汽轮机膨胀做功并带动发电机发电，从汽轮机排出的乏汽进入冷凝器， 与冷海水进行热交换被冷凝至液态，然后回到储液罐中，再由工质泵重新泵入蒸 发器中蒸发进行下一次循环。 。 闪蒸系统由闪蒸器、喷嘴、汽液分离器、淡水冷凝器、真空泵等设备组成。 由于海水闪蒸比率和海水流量大小无关，考虑到闪蒸室的大小和冷水机组的负 荷，这里采用分流的形式，即将从蒸发器出来的温海水分流一部分进入闪蒸室， 在低压下部分温海水急速汽化，气体进入淡水冷凝器，被从冷凝器出来的冷海水 冷凝，冷凝得到的淡水收集入淡水箱。 2 1 2 换热器设备及其设计工况介绍 一、蒸发器 常用的换热器有管壳式、板式、板翅式等，其中管壳式换热器应用较多，其 技术也相当成熟，但是其换热系数低，末端温差大，体积也较为庞大。板式换热 器与之相比具有换热系数高、占地面积小、对数平均温差大、末端温差小的优点， 考虑到本实验可利用温差小的特点，为了增强有效换热，这里采用板式换热器。 一般的板式换热器是采用不锈钢薄板片压制而成的。由于在本实验中拟用 n a c l 水溶液来模拟海水，而盐水对钢具有很强的腐蚀性，即使使用缓蚀剂等化 学药品，不锈钢换热器的使用寿命也将大大缩短。另外，因腐蚀而脱落的氧化皮 常常会堵塞通道，影响系统的正常运行。而钛板式换热器具有良好的耐腐蚀性， 如果使用钛板式蒸发器则能大大改善这种状况。 9 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 图2 - 1 实验系统原理图 1 0 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 奢剡 1 1 蜘剁 柱 太 一 黯 籍七 蟋聪描 罨黯 搋掣瞒越*糕 黑辞蜊 婶 埋臻城删 赠晡槭蹙 血卜 骡 麓 獬 七稚 槲器繇瓣 *斌蟹r露舞 吏*撄 嘴 嫩糕出 唧受*婕*剥 婶赠齄容 麟铽撅 鲻佥爆憾 d p 骡 霉赠避暑蜒畸*螂。n忙印靠晦啭素撰*嗡越答警催担 ，雌禽*端，雌糖段，雌粼榷，畔繇奢 睾稠啦窨*样 帆叶祆蜒畸忙羽粼盛鸟早撰*嚼娶撰*耷 睾嚼肇苗 *螂=坟蜊畸懈单去制瓤争od3暑*糊 一靛砖鳓*御。寸妖堪每匠张拣嘶砖* 霉啊啦留蜊峙*脚。一懈羽阻礤鹰瓤挚搭嚣窨*御tn吠 甘鳓*瑚nh嗽搿畚匠啭螺嘶簿姆 *一_r犍恒絮惺呻碹套*_i摇晦曾崔 雌辣砖*粥晕井氓*喇墨暂分盟* 器舔 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 本系统采用了烟台中技海洋技术有限公司生产的b r o i 型钛板式换热器作为 蒸发器。 二、冷凝器 由于冷海水在实验中只涉及到了传热问题，所以本实验拟用自来水来替代冷 海水。这样工质冷凝器也不像蒸发器那样要求耐盐水腐蚀，只要耐氨腐蚀就足够 了。板翅式换热器通常采用全铝结构，氨对铝不能产生腐蚀。板翅式换热器与管 壳式换热器相比结构较为紧凑、单位体积传热面积较大：与板式换热器相比板翅 式换热器重量轻、体积小且经济性好。因此，本系统确定选用板翅式换热器作为 冷凝器。 实验中用到的氨冷凝器是由烟台冰轮集团制造的，淡水冷凝器是实验室原有 设备。 三、温海水、冷海水进出口温度 考虑实际海水的表面温度和深层温度，模拟冷海水的温度定为4 c ，温海水 温度定为2 9 ，符合一般海水温度范围，温、冷海水之间的设计温差为2 5 。 额定换热负荷下，蒸发温度一定时，换热器内海水的温降越大，所需的海水流量 也越小，但是换热器的对数平均温差会随之降低，由此换热系数也会降低，只有 加大换热面积才能满足换热要求。因此要协调好二者之间的关系。因此不能一味 的加大换热器内海水的温差。根据研究表明【2 7 】，换热器内海水的进出口温差约 为2 4 为宜。 为了使得蒸发器内氨有足够的沸腾过热度，使得冷凝器内氨有足够的过冷度 冷凝，这里选择温海水温降2 ，冷海水温升2 。即蒸发器入口温度2 9 ，出 口温度2 7 ；冷凝器入口温度4 ，出口温度6 c 四、工质的蒸发和冷凝温度 0 r r e c 温度差约2 0 - 2 5 ，焓差很低，额定温度稍有不同对经济性影响很大， 因此系统温度参数、热交换器性能参数都应选择最佳值。根据美国、日本等国的 研究表明鲫，透平的有效利用温差为全温差的5 0 ，蒸发器、冷凝器的端差约为 2 叫。因此，这里选择蒸发温度2 3 ，冷凝温度为9 ，理论上，透平的有效 利用温差为1 4 ，为全温差的5 6 ，蒸发器冷凝器的端差分别为4 和3 。和 上述经验数据基本接近。 一1 2 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 2 2 板翅式换热器的基本结构 板翅式换热器的基本元件包括： 隔板、翅片、封条、导流片。见图 2 3 所示板翅式换热器基本元件。在 相邻的隔板之间放置翅片、导流片及 封条组成一夹层，称为通道，将这样 的夹层根据流体的不同方式重叠起 妊 来，钎焊成一整体便组成板束，板束 是板翅式换热器的核心，配以必要的 封头、接管、支撑等就组成了板翅式 换热器。 图2 3 板翅式换热器的基本元件 磊 翅片是板翅式换热器的基本元件，板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅 片的热传导以及翅片与流体之间的对流换热来完成的。翅片扩大了传热面积，从 而在提高传热效率的同时也大大提高换热器的紧凑性：另外，翅片还提高了换热 器的强度和承压能力，目前板翅式换热器已经能够可以承受l o o b a r 以上的操作 压力。根据不同工质与各种换热器工况可以采用不同结构形式的翅片，常采用的 翅片结构形式如下：平直翅片，锯齿翅片，多孔翅片，波纹翅片。 隔板的作用在于分隔并形成流道，同时承受压力，隔板还起着一次传热表面 的作用，故其厚度应在满足承压能力的前提下尽可能减薄，隔板通常使用两面涂 复合铝硅合金的复合板，隔板与翅片、隔板与封条之间的钎焊连接就是依靠之一 薄层的铝硅合金作为焊料，钎焊成立牢固整体。 封条也叫做侧条，它位于通道四周，起到分割、封闭流道的作用。板翅式换 热器的封条有多种形式，常用的有：矩形、燕尾形、燕尾槽形等。封条上下两面 向两侧具有斜度约为3 的斜面，这是为了在于隔板组成板束时，形成楔形缝隙， 便于钎焊焊料渗入，形成饱满的焊缝。 导流片位于流道的两端，其作用为了引导由进口管径封头流入板束的流体， 使之均匀地分布于流道之中，或是汇集从流到流出的流体使之经过封头有出口管 排出，导流片尚有保护翅片，避免通道堵塞的作用。它的结构与多孔翅片相同， 但是其翅矩、翅厚和小孔直径比多孔直径大。封头的作用就是聚集流体，使板束 与工艺管道连接起来。 1 3 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 2 3 板翅式换热器的传热原理 2 3 1 板翅式换热器的结构参数 t 一换热器有效长度乙一换热器有效厚度皿一换热器有效宽度 日翅片高度 s 翅片间距艿翅片厚度 图2 4 板翅式换热器的结构图 实验中用到的氨冷凝器是由烟台冰轮集团制造的，其外形与内部结构如图 2 - 4 所示，冷凝器所选用翅片为铝合金平直翅片。表2 - 1 为冷凝器的基本几何参 数。 表2 - 1 翅片的基本几何参数 基本几何参数冷水侧( m ) 氨侧( m m ) 翅片型号3 0 b w 3 0 0 33 0 j c l 5 0 2 翅片高度日3 ，o3 0 翅片厚度万 o 3o 2 翅片间距s3 o1 5 翅片板长度l 3 0 0 3 0 0 翅片板宽度丑2 1 02 1 0 翅片板厚度， 1 2 1 2 通道总数栉 1 6 1 5 除由换热器生产厂家提供的换热器基本结构参数外，还需要计算出板翅式换 热其的导出参数。 ， 根据几何尺寸的关系，翅片的结构参数计算公式如下： 1 4 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 1 ，翅片内距z ：z = s 一占 2 ，翅片内高】r ：y ：日艿 3 ，当量直径见：见= 熹 4 ，每层通道的有效截面积z ：z = 芸盯 5 ，每层通道高为1 米时传热总面积巧：曩= 2 ( z + y ) 导 6 ，冷凝器单侧截面积q ：q = z 研 7 ，单一板片单侧总换热面积4 ：4 = 只 8 ，冷凝器单侧总换热面积4 ：a = 五以 计算后得出实验用板翅式换热器的导出参数数值见表2 - 2 。 表2 - 2 翅片的导出几何参数 导出几何参数 冷水侧氨侧 x2 7 聊1 3 所m y 2 7 订研f2 8 坍m 见。 2 7 肼厅l1 7 7 5 6 m 埘 石 0 5 1 x l o om 20 5 1 x 1 矿费 e 0 7 5 6 埘j1 1 4 8 2 q 8 1 6 x j 矿m 27 6 5 1 0 4 4 0 2 2 6 8 研jo 3 斗描研2 彳3 6 2 8 8 m j5 1 6 6 m 2 2 3 2 板翅式换热器的传热基本原理 板翅式换热器属于间壁式换热器，从传热机理来说，它的主要特点是具有扩 展的二次传热面，传热过程不仅在一次传热面，而且也同时在二次传热面进行。 取一个翅片间距的单元来进行分析，放大图见图2 5 ，通过一次传热面的热量以 呜表示，通过二次传热面的热量以哆表示，隔板表面温度为乙，流体温度为互， 翅片高度为日。 1 5 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 一次传热面的热量嚷可以用下式表示： 曩= 恤( 乙一互) 式中，i l 为壁面与流体间的对流换热系数， w ( m 2 q c ) ；4 为一次传热面积。 2 5 单个翅片示意图 二次传热面的传热过程是沿着翅片高度方向进行的，这时一方面通过热传导 不断导入热量，另一方面通过翅片表面和流体的对流换热把热量传给冷流体。由 于翅片长度大大超过翅片厚度，所以翅片的导热可以作为一维导热处理。分布均 匀的两流体冷侧换热翅片表面温度分布，两端的温度最高，等于隔板温度l ， 在翅片中部温度最低，趋于流体温度z 。假定翅片表面的平均温度为，则通 过二次传热面的热量西，可以用下式表示： 兜= 矗4 ( 瓦一z )( 2 - 1 ) 式中，4 为二次传热面积，单位为m 2 由上述可知，翅片表面的平均温度低于翅片根部，也就是低于隔板表面温度。 在传热计算上为便于处理，可以把二次传热面的换热量作如下变换： 哆= 矗4 叩，( 乙一正)( 2 - 2 ) 式中，r ，为翅片效率。即把二次传热面的传热温差看作和一次传热面的传热温 差相等，都等于乙一乃，但是对二次传热面的面积乘上翅片效率可，。 2 3 3 翅片效率和肋面总效率 1 翅片效率 从式( 2 - 1 ) 和式( 2 - 2 ) 的对比可以看出：翅片效率可以表示成下式： 钐= 翳 ( 2 - 3 ) 翅片效率就是二次传热面的实际平均传热温差和一次传热面传热温差的比值。由 于隔板温度0 ，翅片表面温度已，不是固定的，f 面l e i 在测量上也是很困难的。 所以上面的公式( 2 - 3 ) 实际上是无法用于翅片效率的计算的。 对于两股流的板翅式换热器，当一个热通道与冷通道间隔排列时，根部温度 x , j - 称，定性尺寸应为6 ：罢，则翅片的效率为哪】： 1 6 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 以= t a n h ；r ( m b ) 式中， m 为翅片参数，它取决于翅片的厚度0 ， 翅片的对流换热系数 ，以下式表示： 肌= 睁； ( 2 - 4 ) 材料的导热系数五以及流体对 ( 2 5 ) 由上面的公式可以看到影响翅片效率的因素有f 2 8 】： ( 1 ) 翅片高度日越小，则热阻越小，墨一瓦，翅片效率，7 ，越大，所以单 叠布置的翅片效率高于复叠布置。( 单叠布置是一层冷通道与一层热通道间隔排 列，复叠布置是两个冷通道或热通道间隔几个热通道或冷通道的排列) 。 ( 2 ) 翅片厚度越厚，热阻越小，乙一已，巩越大。 ( 3 ) 翅片与流体之间的对流换热表面传热系数越小，则沿翅片表面的散热 量也越小，已一l ，翅片效率，7 ，越大。 ( 4 ) 翅片材料的导热性越好，即导热系数旯越大，则翅片表面的平均温度咒 越趋近于根部温度已，翅片效率，7 ，就越高。 2 肋面总效率 如上所述，板翅式换热器的传热过程是在一次传热面和二次传热面同时进行 的，所以其总的传热量等于一次传热面传热量和二次传热面传热量之和。对于两 股流的换热器，当一个热通道和一个冷通道间隔排列时，换热量可用下式表示： q = q i + q 2 ( 2 6 ) q = h 4 ( r 一z ) + 儿如叩，( l 一互) ( 2 - 7 ) 一次传热面和二次传热面的对流换热表面传热系数可视为相等，而在引进二次传 热面的翅片效率概念以后，两者的传热温差也就统一起来，所以对于板翅式换热 器总的传热方程式，可以设想这样一个传热面4 = 4 + 4 和肋面总效率，从而 可以表达成如下的形式： q ；缸b ( 瓦一z )( 2 - 8 ) 从公式( 2 - 7 ) 和公式( 2 - 8 ) 可以得到： 4 = 4 叩o = 4 + 4 ，7 ，( 2 - 9 ) 式中：4 为有效传热面积，单位m ? ：为肋面总效率。 所以肋面总效率： 吼= 等产= 坐学小鲁。训 肋面总效率的物理意义是：把二次传热面积和一次传热面积等同对待( 总的传热 1 7 - 第二章板翅式冷凝器实验原理及实验步骤 面就等于一、二次传热面相加) ，而传热温差等于一次传热面的传热温差时对总 传热面积所需打的折扣。 2 4 换热器实验的步骤 由于作为冷凝器的板翅式换热器两侧通道几何尺寸不同，且两侧流体的流动 和换热方式也不同，所以两侧的换热关联式也不相同。氨侧凝结换热关联式对于 冷凝器的研究有很重要的意义，但凝结换热关联式很难用实验的方法得到。冷凝 器总传热系数量可以通过实验方法来得到，如果能知道水侧换热关联式，并忽略 隔板和翅片的导热热阻，就可以通过关系式( 2 1 1 ) 得到凝结换热系数，所以，为 得到氨侧换热关联式，实验过程至少需分三步进行。 一、搭建小型实验台，测定水侧对流换热系数鬼； 二、在温差发电系统试验台上进行冷凝器的传热试验，测定冷凝器总换热系 数量； 三、还要根据式( 2 一1 1 ) 导出各工况下氨工质冷凝换热系数吃数值，建立其数 学关系式。 这两个实验的具体内容将在第三、四章中分别予以详细介绍。 吾：丢+ 三 ( 2 - 1 1 ) k见h ， 、7 其中： 置一换热器总传热系数州( 聊2 。c ) 啊一换热器水侧对流换热系数叫( m 2 ，c ) 岛一换热器氨侧凝结对流换热系数叫( m 2 。o 一1 8 第三章水侧对流换热系数的实验研究 第三章水侧对流换热系数的实验研究 3 1 实验系统介绍 3 1 1 实验系统方案的确立 。为了测试冷凝器的水侧对流换热系数，本研究设计并建立了如图3 1 所示的 实验系统。实验系统包括冷水循环、热水循环以及测试仪表。 在冷水循环中，从自来水管流出的冷水流入板翅式换热器，与热水进行换热， 在换热器进口处有温度计测量其温度；水的温度升高后流出换热器，在出口处又 有一个温度计测量其温度，然后冷水流入水桶，用称重法测其流量，最后进入下 水道排走。在冷水的进、出口接有u 型管压力表，以便测量冷水经过板翅式换 热器后的压力损失。冷水的流量可以由水龙头上的调节开关控制。 在热水循环中，水在热水箱中被加热器加热，然后被水泵抽出，泵后装有阀 门可以调节流量；然后流入板翅式换热器与冷水进行换热，在换热器进口处有温 度计，测量进口温度；经过换热器水的温度下降，流出换热器后再经一个温度计、 进行测量；然后热水流入水桶，用称重法测其流量；最后流回热水箱，加热后继 续进行下一次循环。在热水的进、出口同样接有u 型管压力表，以便测量热水 经过板翅式换热器后的压力损失。 图3 - 1 水侧对流换热系数测定实验系统示意图 3 1 2 实验部件的选择 实验的主要部件为热水箱、板翅式换热器、水泵、管路系统，下边对系统各 都件分别进行介绍： 1 9 第三章水侧对流换热系数的实验研究 1 热水箱；采用o t e c 实验系统中的热水箱，其外型尺寸为：高1 5 米，长、宽 均为1 米。箱外包有保温材料，内壁涂有氰凝，防止箱体被水腐蚀。箱内安装有 6 个4 l ( 1 的加热器，总功率为2 4 k w ，其中1 个加热器用可控硅可做微调。水由电 加热器进行加热以便获得所需要的