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用C02一空气换热器冷却燃机进口空气的实验研究

点击:2075 日期:[ 2014-04-26 22:13:37 ]
                        用C02一空气换热器冷却燃机进口空气的实验研究              何明勋   陶正良   江薛麟   张健                               (上海理工大学   上海200093)     摘要:对CO2一空气换热器进行了研究和试验,得出了该类型换热器的传热和阻力特性曲线以及温度场分布规律。实验发现空气经冷却后压力损失比未冷却时有5%一10%的减小,而传热因子j和阻力因子f随换热条件的改变而基本保持不变。将实验结果与参考文献数据相比较,发现阻力因子f与参考文献基本吻合,而传热因子j有所减小。     关键词:紧凑式换热器;板翅式换热器;燃气轮机;进口空气冷却;C02     中图分类号:TK172;TKI74 文献标识码:A     1 问题的提出与实验系统介绍     燃气轮机受大气环境影响较大,随着压气机进气温度的上升,热耗率上升,进气质量流量和输出功率均明显下降。某自备电厂为燃气一蒸汽联合循环机组,额定功率150MW,夏季用电高峰期燃气轮机出力减少达50MW左右,严重影响了生产和生活,如采用LiBr吸收式制冷、冰储冷和电机械式制冷等方案,但由于场地、运行和改造等方面的限制,最后归结于换热器和制冷介质的选择。2003年,上海理工大学提出用CO2作制冷介质建立高低压闭式循环系统,并立项研究,2005年7月完成。    本文研究的主要工作是C02一空气换热器的设计和实验,实验系统如图1所示,包括液体C02喷射系统实验IC0 2一空气换热实验和水一空气换热实验三个部分。C02一空气换热实验系统是整个实验系统的主体,包括换热器箱体、C02一空气换热器、挡水板箱体、两侧离心风机、液态C02喷射系统、数据采集和工控系统等。     C02一空 气 换热器选定为板翅式换热器,根据电厂实际情况,设计参数设定为空气流量0.8kg/s,空气人口温度35℃,出口4℃.CO2流量为2.87kg/s,人口温度一30℃。两侧结构相同,翅片厚0.25 mm,内高9.25 mm,节距3.5m m,空气和二氧化碳通道数分别为13和24,ABBA布置方式,具体见表1。此外,为消除空气冷却产生的凝结水对压缩机叶片撞击和腐蚀的影响,在换热器芯体后部加设挡水板,以降低空气流速分离水滴。     2 实验测f及结果分析     实验是在大气温为2790,相对湿度为70%的条件下进行的。实验采用稳态测量方法,先测量CO2流量为零时即无热交换工况下空气侧的阻力特性,然后在不同的CO2流量下,测量不同空气流量下的空气侧压降,同时进行温度等数据的采集。CO2侧传热和阻力特性则因其结构与空气侧相同而无需测量。                           图2为无热交换工况与某两CO2流量下空气侧阻力损失比较,由图可见,当采用CO2对空气进行冷却时,空气侧压降减小约为5%一10%,原因是空气冷却后比容减小,使空气在换热器芯体内流速减小;另一方面,在换热器挡水箱底部有大量水凝结析出,水蒸汽含量减小,进一步减小了空气流速。压力损失减小量与冷却温度有关,工况A为冷却到8℃压损,工况B为冷却到15℃压损。曲线A设计流量下压损为261Pa,比设计计算略小。                                               图 5,6 分 别为该换热器空气侧的实验测量数据与文献〔8〕和日本ALEX数据阻力因子f和传热因子j的比较,参考换热器的结构形式与本项目所采用的结构形式大体相似,如节距、翅片厚度和水力直径,实验换热器中分别为6.3, 2 ,5 和5.34mm,参考文献[8〕中分别为6.2,2.54和5.54mm。从图可以看出测量所得阻力因子f基本与文献【8」相吻合,而传热因子j较文献「8」偏小。从实验数据与日本ALEX数据比较情况来看,阻力因子f比ALEX数据小10%左右,而传热因子j较ALEX数据普遍有20%左右偏小。                          图 7清楚反应了该换热器的性能,该换热器品质因子j/f基本在0.25到0.3之间,可能是实验误差原因,在Re数增大情况下品质因子也未发现明显增大,但从图中实验点的数据来讲,实验数据还是反映了该换热器的比较真实状况。从该图也可以看出,日本ALEX公司提供的数据与实际换热器性能更为接近。                        3 结 语     对于板翅式换热器,因其造价相对低廉,换热器的传热和阻力特性便是使用者关注的首要问题,用户一方面要求传热效果尽可能好,另一方面要求换热器阻力尽可能低,同时希望换热器温度场分布比较合理均匀,因而必须合理地选择换热器的结构形式和外形尺寸。本文通过上述选型与实验研究,得到如下结论:     (1) 气体加热或冷却对换热器阻力影响很大。本实验中空气侧空气被冷却,流动阻力损失减小,减小量约为5%一10%左右,主要原因是空气经冷却后比容减小使空气流速减小,从而压力损失降低。     (2) 从实验结果看,设计工况下实验数据与设计计算数据相比,换热器实际阻力损失和换热系数都较设计工况略有偏小,基本能满足工程需要,但还需进一步优化。     (3) CO2一空气换热器阻力因子f与参考文献〔8)大体相同,而传热因子普遍偏小。原因除实验误差外,实际换热器多次使用后结垢比较严重,同时由于加工方面原因,翅片结构形状偏差很大、钎焊不够严密,导致性能不能达到预期效果,换热能力降低。
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