（制冷及低温工程专业论文）空冷凝汽器变径圆管连续平滑翅片散热器的性能分析.pdf

摘要 摘要 本文对空冷凝汽器中以不同管径圆管为基管的连续平滑翅片管束的流场进行 数值分析，得到在不同迎面风速下的换热性能和气侧流动阻力变化状况，以及采 用不同横向管问距对管束的换热和流动阻力的影响。并通过试验对数值分析结果 进行验证，得到变径圆管连续平滑翅片管束的努谢尔数、欧拉数随雷诺数的变化 状况。 目前在空冷凝汽器的换热设备上使用最广的是椭圆管翅片管束，本文通过对 双排椭圆管矩形翅片管束的流场进行分析，与变径圆管连续平滑翅片管束进行特 性对比，指出变径圆管连续平滑翅片管束的优缺点。在采用多排管结构时必须面 对管内冻结问题，因此本文分析了多排管的冻结原因，并比较了双排椭圆管矩形 翅片和变径圆管连续平滑翅片在缓解冻结问题时的不同措施。管排数不同对换热 器的换热和气侧流动阻力都有较大影响，本文对变径圆管连续平滑翅片管束采用 两排、三排基管时进行数值分析，得到换热器的换热和流动性能随管排数的变化 的情况；并提出丌设扰流孔，进行强化换热。 关键词：空冷凝汽器，变径圆管连续平滑翅片，冻结，强化换热 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep a p e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e df o rh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o w c h a r a c t e r i s t i c so fp l a i np l a t ef i na n dv a r i o u sd i a m e t e rc i r c u l a rt u b eh e a te x c h a n g e r s w h i c ha r eu s e di n d i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e ro fp o w e rp l a n t s t h e nt h ee f f e c to f v e l o c i t ya n ds p a n w i s et u b ep i t c ho nt h eh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o wc h a r a c t e r i s t i c sc a n b er e c e i v e d o nt h eo t h e rh a n d ，e x p e r i m e n t sa r ea d o p t e dt ov a l i d a t et h e s er e s u l t so f s i m u l a t i o n s t h et r e n d so fn un u m b e ra n de un u m b e rc h a n g i n gw i t hr en u m b e ra r e f o u n do u t s i n c et h ed o u b l er o w sr e c t a n g u l a rf i na n de l l i p t i c a lt u b eh e a te x c h a n g e r sa r eu s e d m o s tw i d e l yi nt h ed i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e ro fp o w e rp l a n t s ，i t sc h a r a c t e r i s t i c sc a l lb e a c h i e v e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n dc o m p a r e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a i n p l a t ef i na n dv a r i o u sd i a m e t e rt u b eh e a te x c h a n g e r st oc h e c ko u tt h ef e a s i b i l i t yo f t h e p l a i np l a t ef i na n dv a r i o u sd i a m e t e rt u b eh e a te x c h a n g e r s i np o w e rp l a n t s i fh e a t e x c h a n g e r su s es e v e r a lr o w st u b e , t h ew a t e r - f r e e z i n gi nt u b em u s tb e f a c e dw i t h i nt h e p a p e r , t h ew a t e r - f r e e z i n gr e a s o ni sa n a l y z e da n dt h em e a s u r et a k e ni nt h ed o u b l er o w s r e c t a n g u l a rf i na n de l l i p t i c a lt u b eh e a te x c h a n g e r so rf o u rr o w sp l a i np l a t ef i na n d v a r i o u sd i a m e t e rt u b eh e a te x c h a n g e r si sc o m p a r e d f o rt u b er o wn u m b e rh a sa ne f f e c t o nm eh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e d t oi n d i c a t et h ep r o p e r t yv a r i a t i o nw i t hd i f f e r e n tt u b er o wn u m b e r i no r d e rt or e i n f o r c e h e a t e x c h a n g e ，s e v e r a lf i n e s t r a sa r es u g g e s t e ds e t t i n go n t h ep l a i np l a t ef i ni nt h ep a p e r k e yw o r d s ：a i r - c o o l e dc o n d e n s e r , p l a i np l a t ef i n a n d v a r i o u sd i a m e t e rc i r c u l a rt u b e ， f r e e z i n g ，r e i n f o r c eh e a t - e x c h a n g e l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：何佑，l i 承 z 荔 年芗月心日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：简传0 彘 2 ，护力年弓r 多a 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1研究背景、课题来源与意义 1 1 1 研究背景 电站凝汽器就冷却介质分有水冷和空冷两种方式。由于水的换热系数较高， 可使设备结构紧凑、投资低，且对环境气温变化不敏感因而受到重视，是最重要 的冷却方式。但是由于：1 、随着经济发展，水的消耗和电能消耗急剧增加，出现 了水源紧张局面；2 、保护环境的需要，采用水冷却对水资源造成热污染，若在化 工行业的冷却设备有泄漏则会引发更严重的问题；3 、空冷技术的不断完善，空冷 凝汽器的使用经济性大为提高。因此在电站空冷技术提出后的6 0 余年里，采用 空冷凝汽器的机组容量由小到大，技术也由不成熟到成熟，应用领域由燃煤火力 发电厂推广到燃气一蒸汽循环电站、垃圾电站、工业企业自备电站中，越来越得到 人们的重视。 我国空冷技术的大规模应用丌始于2 0 世纪8 0 年代。早期主要以海勒式和哈 蒙式间接空冷系统为主。2 0 0 0 年以后，直接空冷系统的应用逐渐成为主流趋势， 据统计，采用直接空冷凝汽器的机组总装机容量约2 8 8 1 0 m w ，已投入运行装机容量 9 0 7 0 m w 1 。在过去几十年中，我国的空冷技术也有了长足的进步，基本掌握了大型 直接空冷的设计、制造、安装、运行和调试技术。与间接空冷相比，直接空冷有 以下优势：( 1 ) 直接空冷系统不需要间接空冷中采用循环冷却水来冷却汽轮机排 汽，而是采用空气直接冷却排汽，减少了中间环节，冷却效率高；( 2 ) 直接空冷 系统采用将凝汽器和散热器合二为一的空冷凝汽器，并高位布置在汽轮机厂房外， 大大节省了占地；( 3 ) 投资较省，节约了一次投资；( 4 ) 直接空冷系统调节灵活， 直接空冷可通过改变风机转速来调节进风量。由于我国西部和华北地区是重要的 能源基地，但同时面临水资源严重僵乏的问题，需要直接空冷技术得到快速的发 展。可以预见在未来我国火力发电机组中的直接空冷技术应用水平和规模都将处 于世界前列瞪1 。 对于直接空冷凝汽器。首先，由于空气的比热较小( 约为1 0 0 5 j ( k g ) ) ， 仅为水的比热的四分之一，因此若传热量相同，冷却介质温升相同时，所需空气量 第1 章绪论 ( 按质量计算) 将为水的四倍；若再考虑空气的密度远小于水，则所需空气的流量 ( 按体积计算) 必然很大。其次，由于空气侧的换热系数很低，这就要求空冷冷 却面积比水冷的要大的多。这些都造成了空冷凝汽器的体积庞大。为了尽可能使 结构紧凑，直接空冷凝汽器普遍使用翅片管，通过扩展换热表面来强化换热，并 采用三角立式( a 型) 布置以减少占地面积h 1 。在已建造的大型直接空冷凝汽器中， 3 0 0 m w 的发电机组一般需凝汽器散热面积8 5 万m 2 左右，6 0 0 m w 的发电机组一般需 凝汽器散热面积1 5 0 万m 2 左右( 双排椭圆管矩形翅片结构) 。目前采用的空冷凝汽 器散热器结构为双排椭圆管矩形翅片结构、三排椭圆管椭圆形翅片结构、单排扁 管蛇形翅片结构。采用这些翅片管结构后散热器管束布置紧凑，且流场内气动特 性良好。相对于早期的四排圆管圆翅片结构，这些后出现的结构换热效果更好， 流动阻力则较低。但是采用椭圆管或扁管作为基管的翅片结构在降低阻力时，却 也使得制造复杂度上升，特别是扁管蛇形翅片结构由于制造太过复杂，还无法得 到推广。三排椭圆管椭圆形翅片结构的风阻较少，但传热效果比双排椭圆管矩形 翅片结构略差，并且冻结问题比双排管要严重瞄1 。在目前大型直接空冷凝汽器一般 仍采用双排椭圆管矩形翅片形式。 1 1 2 课题来源与意义 本课题来源于对直接空冷凝汽器变径圆管连续平滑翅片结构的研究 直接空气冷却凝汽器散热器是直接空冷机组的一个重要部件，甚至可以与锅 炉、汽轮机、发电机、脱硫装置并称为电站的五大设备。对新构想的直接空冷凝 汽器的性能进行分析，这对设计是有指导意义的。可为设计提供支持；为空气流 动时传热需要和动力需求之间的优化提供了基础，为大型空冷凝汽器的散热器选 型提供一定的依据。特别是在符合冬季防冻要求的情况下若以不同直径圆管为基 管的连续平滑翅片结构在气侧流动阻力、整体换热性能方面与目前常用的直接空 冷凝汽器散热器结构相差不大，则由变径圆管平滑翅片结构简单、制造工艺简单， 可以降低制造成本，同时也降低电站凝汽器的初投资费用，有着巨大经济效益， 从而促进直接空冷凝汽器的发展。 2 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状与发展动态 1 2 1应用领域的发展动态 1 9 3 9 年西德g e a 公司首次提出在电站中采用直接空冷凝汽器，1 9 5 0 年匈牙利 海勒教授在第4 届世界动力会议首次提出在电站使用间接空冷凝汽器。时至今天， 电站空冷经历了技术由不成熟到成熟的发展过程。据统计，在全世界空冷机组的 装机容量中，间接空冷系统约占4 0 ，直接空冷系统约占6 0 。3 0 多年前k o s s i e j p 认为直接空冷由于需要大直径排汽管和庞大的真空体，直接空冷单机容量应该限 制在2 0 0 m w 之内，但这一个观点已经为现实发展所否定，直接空冷单机容量已经 可以达到6 0 0 m w 以上。 目前电站空冷系统主要有三种：( 1 ) 直接空冷系统；( 2 ) 采用混合式凝汽器 的间接空冷系统；( 3 ) 采用表面式凝汽器的问接空冷系统。其中直接空冷系统发 展最为迅速。冷却元件的结构进展3 大致分为：四排等径圆管圆翅片结构阶段，双 排椭圆管矩形翅片结构和三排椭圆管椭圆形翅片结构阶段，单排扁管蛇形翅片结 构阶段。首先是等径圆管绕铝翅片结构在空冷系统得到使用；其后为了缓解冻结 问题，避免凝结水的过冷和冻结，减少管内汽体的阻力，同时也降低管外空气的 阻力，德国g e a 公司开发了两排管的大直径椭圆管套矩形翅片的结构，并得到广 泛成功的应用；由于双排椭圆管矩形翅片结构的阻力和噪声较大，在8 0 年代德国 b d t 公司开发了一种三排椭圆管带椭圆形翅片的结构，这样降低了噪声和外部风 阻，但也使得传热效果有点下降；在9 0 年代，德国g e a 公司和比利时h a m o n l u m m u s 公司投入开发大口径扁管带蛇形翅片的结构，并得到了工程的试用，这既能降低 外部风阻，又能使传热得到加强哺1 。g e a 公司还根据冷却系统的投入和运行时所需 的各种费用编制了空冷系统的优化计算程序( o p c ) 。直接空冷机组为减少占地面 积，管束长度可达到9 l o m ，并普遍采用a 型结构。 在国内，1 9 8 7 和1 9 8 8 年，大同第二发电厂各投入一台2 0 0 m w 的采用间接空冷 凝汽器的机组，为我国大型电站空冷事业的发展奠定了基础。哈尔滨空调机厂先 引进了间接空冷系统的散热器制造技术，其产品先后在内蒙古丰镇电厂和山西太 原第二热电厂投入使用。后来哈尔滨空调机厂和山西电力设备厂与g e a 公司合资 生产热浸锌椭圆管套矩形翅片管。目前国内已掌握电站直接和间接空冷凝汽器的 设计、制造、安装和运行的技术。在1 9 8 4 年，哈尔滨工业大学、哈尔滨空调机厂 第1 章绪论 在山东胜利炼油厂小型空冷凝汽器改造中，将1 0 的管束作为逆流管束使用，使空 冷凝汽器顺逆流结合，可起到明显的防冻效果。另外还有对汽轮机的背压确定、 风机选型、自动控制、防止热风再循环、夏季防过热冬季防冻等方面都有研究。 在2 0 0 5 年7 月底，中央领导在视察山西漳山发电厂的2 3 0 0 m w 燃煤机组后指出： 在我国北方地区空冷技术，直接空冷技术有非常广泛的应用空间，特别是富煤缺 水地区，采用节水效果明显的直接空冷技术，对于促进经济的可持续发展具有重 大意义。 1 2 2 换热元件的研究现状 空冷凝汽器是随空冷技术的发展而出现并得到发展的。其l 、日j 与空冷凝汽器相 关技术研究有：1 9 5 6 年s h e p h e r d 砷3 分析了平翅片圆管散热器。s c h u l e m b e r g 归1 在1 9 6 6 年对平翅片椭圆管进行了相似的研究。s a b o y a 和s p a r r o w n o 1 纠于1 9 7 4 年到1 9 7 6 年期间对不同结构的翅片椭圆管进行了实验，得到局部和整体的换热、传质系数。 1 9 9 7 年k u n d u 和d a s n 3 3 确定了管子分别为顺排和叉排的平翅片管换热器的最佳尺 寸。2 0 0 0 年w a n g 和c h i n 4 3 在前人的基础上，通过实验确定了平板翅片管的管排数、 翅片间距和管直径对传热和压降的作用。在国内1 9 9 4 年康海军卅等对9 种平直翅 片管的传热与阻力进行了实验研究，发现翅片间距对传热的影响依赖于临界雷诺 数r e ；当流动处于层流区域，随翅片间距增加，换热下降，阻力减小，且2 排管 的性能优于3 排和4 排管；当流动处于紊流区域，当翅片间距增加，换热是增强 的，且随r e 增加，翅片间距对换热的影响逐渐增强；在相同的r e 数下，翅片间 距越小，阻力系数越大；在相同的翅片间距下，随着管排数的增加，换热能力逐 渐下降，并且随r e 数的增加，阻力系数曲线逐渐趋于平坦，管排数对阻力系数没 有明显影响。1 9 9 7 年高延福n 6 1 比较了不同长短轴之比的椭圆管的换热性能，发现 表面传热系数与长短轴之比和r e 数有关，在一定的r e 数范围内，长短轴之比越 大，热流密度越大。1 9 9 8 年孔昭文n 7 1 对扁管的防冻机理做了分析，指出单排管换 热器纵宽度比较大，有利于汽液两相流的分离，因此散热性能好，防冻性能优越。 2 0 0 0 年徐传海n 印通过分析三排管内部蒸汽流量和换热，得出了空冷凝汽器冻结的 原因。2 0 0 5 年赵顺安n 们通过模型试验，得出了在不同平台高度、不同风量等工况 下空冷装置气流从进口到出口的总阻力系数及沿程各部分的阻力系数。2 0 0 6 年朱 大宏乜们根据大型电厂的设计经验，对直接空冷凝汽器的防冻能力和度夏能力提出 了看法。同年，王佩璋乜分析了不利大风使空冷岛产生热风回流的原因及存在的 4 第1 章绪论 危害，提出了利用风能来消除强热风回流的威胁。 通过数值分析方法对空冷凝汽器换热元件的研究也有不少：宋富强瞳2 1 对不同 风速下的传热机理进行场协同数值研究，得到了不同位置速度矢量与温度梯度的 协同程度并总结出低气流速度时，全场的温度梯度与速度协同程度好，因而换热 速率随流速几乎呈线性增加，但管子背风侧的换热强度较差。黄德斌瞳3 1 指出气流 横向冲刷等直径圆管连续平滑翅片管束时叉排的速度场与温度场的协同性要优于 顺排，纵向管间距较小的管束场协同性要好于纵向管间距较大的管束。何江海心们 对双排管整体翅片进行了数值模拟，发现风速在0 5 - 3 5 m s 范围内，对流换热系 数及压降均随流速呈线性增大。rsm a t o r s 心神等人通过三维数值模拟，参照实验 数据得出，椭圆平直翅片管束整体性能要优于圆管平直翅片管束等等。胡汉波乜6 3 通过对直接空冷凝汽器三维流场特性的数值分析，发现横向风速的增大、环境温 度的提高都对a 型布置的单排管直接空冷凝汽器的流场产生不利的影响，散热器 的平均迎面风速随风机叶片安装角和转速的增大而呈线性规律递增。周文平心7 1 在 对空冷凝汽器单元流场耦合计算时发现a 型框架内部的流场中空气分配不均匀， 风机转速的增加有利于提高散热器的换热性能。许伟心卅对平直翅片、百页窗翅片 以及带纵向涡发生器的翅片的换热及阻力特性进行了数值研究，并以传热因子，与 摩擦因子厂的比值j 厂及，厂3 ，作为评价准则对翅片性能进行评价。 1 2 3文献小结 前人在换热设备的流体流动和换热方面研究已经做了很多，积累了大量的研 究成果，并使研究方法也得到了完善。但是，对以不同管径的圆管作为基管的连 续平滑翅片结构形式研究还很少，因此本文对该形式的流场和换热特性进行分析， 并与目前较为常用的椭圆管带矩形翅片结构进行对比，从经济性和实际应用可能 达到的效果角度出发，来探讨该结构的可行性，同时也探讨该结构存在的优缺点， 为结构的改进提出合理的建议。 1 3 研究内容 根据文献已有的研究成果，结合试验和数值分析方法，对结构的换热性能和 流动阻力进行分析，为设计提出合理的建议，并提供一定的依据。 ( 1 ) 对变径圆管连续平滑翅片结构的凝汽器散热器进行结构初步选定，建立 第1 章绪论 计算模型，并通过数值模拟方法，对在不同迎面风速下的散热器流场进行分析， 得到换热性能、流场阻力与迎面风速的关系；并对采用不同管子横向问距时的结 构流场进行数值分析，得到换热性能和流动阻力随横向管间距的变化状况； ( 2 ) 通过试验得到初始结构的换热性能、流动阻力与迎面风速的关系，对数 值分析结果进行验证，并得到变径圆管连续平滑翅片结构的努谢尔数、欧拉数随 雷诺数的变化状况。 ( 3 ) 通过对双排椭圆管矩形翅片结构在不同迎面风速下的流场分析，得到双 排椭圆管矩形翅片结构的换热性能和流动阻力随迎面风速的变化状况，与本文研 究的变径圆管连续平滑翅片结构的性能进行对比；对多排管的冻结原因进行分析， 对比双排椭圆管矩形翅片结构和变径圆管连续平滑翅片结构在缓解冻结问题采用 的措施。分析管排数对变径圆管连续平滑翅片结构的换热性能和流动阻力的影响， 并对加扰流片后管束的换热性能和流动阻力进行了数值模拟。 6 第2 章四排变径圆管连续平滑翅片管束的流场分析 第2 章四排变径圆管连续平滑翅片管束的流场分析 2 1 结构分析 2 1 1结构及设计工况 由于目前在电站中使用的直接空冷凝汽器结构是以双排椭圆管矩形翅片结构 或三排椭圆管椭圆翅片结构为主，根据当前使用的椭圆管结构的换热和阻力特性， 并参照早期在空冷凝汽器中使用的四排等径圆管错列布置结构。本文研究的初始 结构也采用四排圆管结构，与以往的圆管结构的最大不同是该结构中各排圆管的 直径不相等，由于圆管结构一般换热系数要小于椭圆管结构，为了使换热得到较 大的强化，采用连续平滑翅片结构以增加翅化比。 参照生产厂家直接空冷凝汽器的散热器设计，本文研究的变径圆管连续平滑 翅片结构具体的管子规格、管间距以及翅片厚度、长度尺寸见图2 1 ，四排管板式 结构中的迎风第一排管子直径最大，往后依次减少。管子长度方向的翅片之间间 距为2 5 m m ，翅化比为2 1 3 6 。翅片是由模具冲压而成，与管子之间采用胀接。材 质：翅片为铝，管子为1 0 号钢。 图2 1 管束结构 采用图2 1 管束结构时的设计工况如下：管内侧流体为饱和蒸汽，冷凝压力 一般为0 0 2 m p a ，饱和温度为6 0 。c ；管外侧流体为空气，入口温度为3 7 c ，设计 迎面空气流速为2 5 m s 。设计计算入口空气密度为1 1 4 k g m 3 ，空气比热为 7 第2 章四排变径圆管迕缍平滑翅片管柬的流场分析 1 0 0 5 j ( k g k ) ，导热系数为00 2 5 7 w ( m k ) 2 12 单元的选取 为了防止计算结果和流动模拟失真，选取的单元体必须能够代表换热器的总 体，并能较准确地反应总体的授热性能和流动状态。对于特殊的几何对称结构和 流体流动过程，在流体流动过程中流场分布及表血换热部有一定的规律，即如同 整个换热器可以看作由数个相同结构的小单元组成一样，其流场分却和换热也可 看做是由数个具有相同特性的单元组而成。根据f 1 0 w e r 和b e j a n ”1 研究发现， 在流体绕流柱体时，流场可以通过列一个申兀体的流动状态的计算柬精确模拟： 由于热变换器的几何对称性，在紧接的单元流体通道之间无沦是哪个表面都没有 热传递和流体流通，同样往相接的单元体同体连接面( 如翅片c i0 而) 也没有热 量传递。为了更好的模拟进出口的实际流体流动状态，在换热器单兀进口和出几 笄加了个延伸段，长度等于该换热器的流程长的l5 倍，因此计算单元由进【i 段、换热器段、出u 段= 部分组成。如罔22 所示。 本文需要研究探讨的如图21 所示的吼不同管径圆管为堆管的管束结构，也 具自与上述类似的几何对称性，可以参照图22 进行单元选取得到如图23 的 计算单元。 图22 计算单元选取示意引 第2 章 四排变径圆管连续平滑翅片管束的流场分析 图2 3 计算单元换热器段 2 1 3 网格的划分 网格质量对计算精度和稳定性有很大的影响。连续性区域被离散化使得流动 的特征解与网格上节点的密度和分布直接相关。正常环境下，近壁面区域有边界 层存在，而边界层内温度、流速梯度都比较大，在计算壁面剪切应力和热传导系 数的精度时有重要意义，因此需要在计算单元的近壁面设置边界层网格。 从文献 3 5 可知：( 1 ) 模拟计算时数值耗散量的大小是与网格的分辨率成反 比的，精化网格可以减少数值的耗散；( 2 ) 网格类型的选择也对数值耗散有影响， 在三维结构体中采用六面体网格有可能会实现流动与网格成一直线，使得耗散量 较小。 在本文研究的结构体计算单元网格划分中采用的网格为六面体网格。网格的 精化程度在考虑减少数值耗散同时还要考虑所需计算的时间。根据文献 3 6 中的 方法，先采用较为粗略的网格模型，然后不断进行调整细化，通过考核每次计算 结果和前一次的相对偏差程度来确定最终的网格划分，要求保证前后两次的计算 结果相对偏差在1 之内。 本文最终采用的网格划分如下：在管壁上边界层第一排为0 1 m m ，边界层比率 为1 2 ，共5 排；翅片表面上的边界层第一排为0 0 2 r a m ，边界层比率为1 2 ，共5 排。整个计算单元总网格数为7 1 5 3 8 6 。图2 3 是计算单元翅片局部表面网格形状。 9 第2 章四排变释倒管连续下滑翅片管柬的流场分忻 ，一”j 一4 ：。4 。 里j ，7 ”“4 一| 一0 0 薯j 7 、r_ 鼍_ 簟警一i i , i = ；| _ “ h2 3计算单兀的翅片表面嘲格模型 214 边界设定 引算币7 c 体的边界丰要有进口、出、换热表而及提取单元体时产生晌对称 面。另外还有流体通道分成二段后在各段之i r j 的交界面。 进口：速度进1 ：3 ：初始数据：迎而风速、温度。 出ji ：h 山出几：初始数据：外界雕力、回流温度。 换热表面：壁而：初始数据：管予内表面温度，固体之问、固体与流体之间 的接触而热交换采用耦合。 对称面：对称。 流体通道的交界面：内 _ ； f 面。 计算单元分为八个体，分别为进口延段、h 口延长段、换热器流体流动通 道、四排管子的管壁体、翅片。 215 流动状态 在平行于自由流的方向j ，当流体流过安装有肋片的圆管束外部时，流动为 圆柱绕流和翅片间的槽道流混合，肋片r 的边界层勺尉柱体的边界层相互干扰， 流动极其复杂。 一、从管子来看，视为圆柱绕流。浸没在不可压缩流体中的圆柱体各种流动 状态，雷诺数以圆柱体直径d 为定性尺寸。在雷诺数很低的极限状况下，流动表现 为前后完全对称；随着雷诺数的增加先是在圆柱背面开始发生分离，形成稳定的 回流漩涡，然后下游尾迹的震荡向前发展慢慢抵达回流漩涡；在雷诺数达到1 0 0 数量级时，稳态流动分裂成冯卡门涡街；然后蜕变为不规则的非稳定态尾迹，最 后转化为完全湍流尾迹。参考文献 3 6 得到如下分区： 第2 章四排变径阋管连续平滑翅片管束的流场分析 ( 1 ) 当r e 一0 时，雷诺数很低，稳态流动，无尾迹，前后对称。 ( 2 ) 当3 4 r e 3 0 4 0 ，为双涡旋阶段，稳态流动，分离回流，出现旋涡。 ( 3 ) 4 0 r e 9 0 ，冯卡门范围初期，层流尾流，具有不稳定性。 ( 4 ) 9 0 r e 3 0 0 ，纯冯卡门范围，产生冯卡门涡街。 ( 5 ) 3 0 0 r e 1 3 0 0 0 0 ，亚临界流动状态，此时流动仍以层流为主，但出现近 尾迹涡街，并且很不稳定。 ( 6 ) 1 3 0 0 0 0 r e 3 5 0 0 0 0 0 ，流动处于临界和过临界范围，层流分离，湍流再附， 最终湍流分离，湍流尾迹。 ( 7 ) 3 5 0 0 0 0 0 r e ，流动状态为超临界状态，转换为湍流边界层，湍流分离。 当按外掠圆管流动计算时，特性尺寸为圆管管外直径d ，有 r e = u m d v ( 2 1 ) 其中r e 是雷诺数；“，是截面最大平均流速，单位m s ；d 为圆管外径，单位m ；y 是运动粘性系数，单位m 2 s 。 电力行业中空冷凝汽器的迎面风速一般较低，因此本文研究的凝汽器换热设 备迎面风速范围1 - - 一4 m s ；而截面最大平均流速是在迎风面第一排直径为4 0 的管 子之间出现，最大平均流速在2 7 - - - 1 0 8 m s 之间；本文所研究的四排圆管翅片结 构的管子直径分别为4 0 、3 6 、3 2 、2 8 n u n ；常温下，空气的动力粘性系数为1 5 1 0 喃m 2 s ，则可得雷诺数在7 2 0 0 - 2 8 8 0 0 之间。根据流体外掠管束时当雷诺数在3 0 0 到1 3 0 0 0 0 之间流动处于亚临界状态，此时是以层流状态为主，但出现近尾迹涡街， 并且很不稳定。 二、管束结构为平板穿管，其中翅化比高达2 0 以上，大部分热量是通过翅片 和流体交换的，并且与管子外部流体接触产生的沿程阻力也主要是翅片。从翅片 来看，由于翅片间距很小，可视为槽道流动。槽道间的流体流动可以看作为非圆 管管内流动，其当量直径为两倍的翅片间距。当流体以很低的速度流动时，流体 内的质点都沿着平行线流动，此时流体处于层流状态。一具有均匀速度场的流体 进入槽道时，速度场发生改变。从进口经过一段足够长的距离，速度分布曲线变 得稳定起来，使流体在板间的速度分布曲线形状是抛物线。若流体速度逐渐增大， 将会从某一个点开始，流动中将会出现湍流状态，流体不再以平行线的形式流动， 而是产生一系列涡流，导致流动着的所有部分完全混合起来。一般说来管内流层 流变为湍流的临界雷诺数在2 4 0 0 左右。当雷诺数达到1 0 4 时，流动完全成为湍流。 具体划分如下： 第2 章四排变径圆管连续平滑翅片管束的流场分析 ( 1 ) r e 2 4 0 0 ，层流状态。 ( 2 ) 2 4 0 0 r e 3 0 0 0 0 0 0 ，湍流状态。 当忽略圆管时，两翅片间的流体流动可近似看做非圆管管内受迫流动。则当 量直径的定义为 d 。= 4 8 s u ( 2 2 ) 其中万是翅片表面之间间距，单位i l l ；j 是管子之间的间距，单位m ；u 是湿周长， 单位m ；当翅片间距万 、 、 、 2 0 04 0 06 0 08 0 0i 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 r e 图3 1 2 欧拉数随雷诺数的变化 由图3 1 2 可以看出，随雷诺数的增大，欧拉数是不断减少，但在雷诺数大于 1 7 0 0 ，欧拉数还有1 2 时，趋势就变得平缓。雷诺数反映了惯性力和粘性力的对 比关系，而欧拉数反应的是压力与惯性力的比值。根据文献 3 7 ，对于已定结构， 在雷诺数较小时j 两流动点之间的压力的大小，主要取决于粘性产生的摩擦阻力； 流速逐渐增大后，雷诺数随之增加，惯性力上升，在总阻力中压力阻力加大，而 摩擦阻力所占的比例迅速减小。 4 0 3 7 3 4 3 1 2 8 主2 5 2 2 1 9 1 6 1 3 1 o ，一一， ， 一 “ 一 一 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 01 1 0 0 r e 图3 1 3 努谢尔数随雷诺数的变化 由图3 1 3 ，努谢尔数是随雷诺数的增大而增大的。由计算结果中c 。= 0 4 9 ，将 努谢尔数对雷诺数取偏导可知，当雷诺数较小时，努谢尔数随雷诺数的增加上升 8 6 4 2 0 8 6 4 2 o 8 6 2 2 2 2 2 1 1 l l 1 0 0 j 叫 第3 章四排变径圆管连续平滑翅片管束的试验研究 较快；而当雷诺数较大时，努谢尔数随雷诺数的增加上升较慢。 3 4 试验总结 热源采用饱和蒸汽，保证了试验时管子内部温度的稳定，使试验条件相似于 实际工况，并且测量用的仪表仪器均能满足试验精度的要求，为试验的可信性提供 了保证。 由传热系数与外部流体流动阻力都是随迎面风速的上升而增加的。其中传热 系数与风速的0 4 4 8 次方成正比；而流动阻力是与j x l 速的1 5 次方成证比的。 努谢尔准则数、欧拉准则数与雷诺数之间有如下关系： e u ：4 9 7 1 2 r e - o 5 ( 3 1 8 ) n u ：0 1 3 8 7r e o 4 9 3 l ( 3 1 9 ) 第4 章变径圆管连续平滑翅片管束的可行性分析 第4 章变径圆管连续平滑翅片管束的可行性分析 由于空冷机组中散热器的体积庞大、占地面积广且制造和运行费用较高。在 实际中必然要求：散热器要有较好的散热能力和较小的空气侧阻力；制作时基管 与翅片问的接触热阻要小；材料要价廉易得，有良好的耐温、耐腐蚀、抗振性能； 管子内部阻力要小，能承受较高的负压；散热器要结构紧凑，却又易于清洗；有 较好的防冻能力。一种新的结构要能得到认可，并广泛应用于实际，应当拥有不 同于已有结构的优越性。 从前边几章的分析中，已经对在不同风速下的空冷凝汽器变径圆管连续平滑 翅片散热器结构的流场阻力和换热性能做出了分析。由于目前双排椭圆管矩形翅 片结构在直接空冷凝汽器中应用最广，因此本文对该结构的流场特性进行简单的 分析，并将变径圆管连续平滑翅片管束与该双排椭圆管矩形翅片管束进行特性对 比。 4 1 双排椭圆管矩形翅片管束的流场分析 在空冷凝汽器中采用椭圆管代替圆管已经有三四十年的历史了。以钢制椭圆 管矩形翅片为例，采用的全钢制基管为椭圆管外套矩形翅片结构，它的总传热系 数比早期的普通圆管缠绕翅片空冷器结构要大许多。其中主要区别就是管芯用 椭圆管代替了圆管，并且钢制矩形翅片胀套在管子上，然后热浸锌代替了过去的 铝制缠绕片。在电站空冷凝汽器中使用的椭圆管翅片的布置形式按使用的椭圆管 排数不同主要分为两种，分别为双排管和三排管形式。相比后期出现的三排椭圆 管椭圆形翅片结构，双排椭圆管矩形翅片结构虽然有外部风阻较大，导致了厂用 电增多的缺点，但是它具有管排少、质量轻、换热性能好、并且冻结问题不大的 优点瞳1 i 。就目前的直接空冷机组中，双排椭圆管矩形翅片管结构是目前使用最广 的凝汽器散热器形式。 4 1 1 双排椭圆管矩形翅片管束的结构 椭圆形芯管尺寸：长短轴分别为l o o m m 2 0 m m ，管内蒸汽流通面较大，壁厚为 1 5 r a m ；管子中心横向间距为5 0 m m ，纵向间距为1 2 5 m m 。矩形翅片尺寸：外形为1 1 9 m m 4 9 m e ，翅片厚度为0 3 5 m m ；为了保证减少前后两排管内流体放热量的差距，前 3 2 第4 章变径圆管连续平滑翅片管束的可行性分析 后两排管子上的翅片之间采用不同的间距，第一排管子上的翅片间距4 m m ，第二排 管子上的翅片间距为2 5 m m ，并且翅片上开有干扰流体的小孔，以加强换热，但这 也增加了气流的阻力。详见图4 1 ，翅化比为1 3 8 5 。 审气 图4 1 双排椭圆管带矩形翅片的结构 第二肄片耀 瓢i * 2 , 5r n m 檠律片距 s l l 一4 籼 4 1 2 双排椭圆管矩形翅片结构的计算单元及网格划分 计算单元选取的原则和第二章中所述相同，不过由于双排椭圆管矩形翅片结 构的前后排翅片间距不同，需要重新考虑单元选取的模型。根据第一排翅片间距 为4 m m ，第二排翅片问距为2 6 m m ，本文选取的双排椭圆管矩形翅片结构计算单元 如图5 2 ，高度l o m m ；第一排有3 个翅片，最下边的翅片仅有半个厚度；第二排 有5 个翅片，最上边和最下边的翅片也仅有半个厚度。 ? 一一 图4 2 双排椭圆管矩形翅片结构计算单元儿何模型 同样在换热器单元进口和出口各加了一个延伸段，长度等于该换热器的流程长的 1 5 倍，因此计算单元由进口段、换热器段、出口段三部分组成。如图5 3 所示。 3 3 第4 章变释圆瞥连续平滑翅片管_ 柬的可行性分析 幽43 般排椭圆管矩形翅片结构计算区域模型 构建几何体后就可以进行模型的网格划分，采用分块画嘲格方法首先对绕流 片和翅片表血进行划分，生成面网格，然后依次到儿何体进行体阿格生成，主要 是人面体网格。图44 是最终的翅片表面网格划分示意图。 目44 翅片局部表面网格划分幽 413 双排椭圆管矩形翅片结构的流场模型 对双排椭圆管矩形翅片结构流场特性研究已经有很多，当风速在1 到4 m s 之 间时，由相关文献= 。”“”可知取排椭圆管矩形翅片结构的流场选用标准湍流模型 进行计算，则控制方程有 连续性方程 兰咖) = 0 ( 41 ) v x , 动量方程 第4 章变径圆管连续平滑翅片管束的可行性分析 掣+ 刿a t 一言+ 丢a x 旧a u l 2 ， 西 苏，l 。；川l 能量方程 v ( 五( 店+ p ) ) = v ( 嘞r 一日了+ ( 哳：) ) c 4 3 ， 湍流动能方程 瓦a ( p k u ，) = 邻“+ 箦剧崛一胪 4 ， 扩散方程 毒c 舢乒考陋+ 纠考 + c - 。k g k - c 2 。p 譬 c 4 5 ， 其中“，为流体在方向上的速度，单位m s ，i ：1 ，2 ，3 ，分别代表x ，y ，z 方向；p 为流体密度，k g m 3 ；p 是流体静压力，单位p a ；v 为哈密顿算子符号；h 是流体 比焓，j k g ；e 是流体比内能，j k g ；了为扩散流量，单位为k g ( m 2 s ) ；锄为 应力张量，单位为p a ；恕f r 为有效导热系数，w ( m 。k ) ；f 为耗散率；g x 是由于 平均速度梯度产生的湍动能，m v s 2 ；吼为湍流普朗特数；常系数巳= 0 0 9 ，c 。，= 1 4 4 ， c 2 ，= 1 9 2 ，吒2 1 0 ，q 2 1 3 ，q 2 1 0 。 根据文献4 3 中的工泖管内蒸汽温度为1 1 2 ，入1 2 1 窄气温度为1 5 。进行 初步计算，并把计算结果与文献 4 3 的试验结果进行对比，可得表4 1 。 表4 1 计算结果与试验值的比较 流速m s 11 522 533 54 偏差( ) 换热系数 试验 2 5 1 43 1 0 43 6 0 54 0 4 84 4 5 14 8 2 35 1 6 9 ( w m 2 k ) 模拟2 7 5 83 3 0 6 3 7 4 73 9 3 44 2 7 6 4 5 9 4 4 8 6 99 7 流动阻力 试验3 4 4 86 3 69 8 21 3 7 51 8 1 12 2 8 62 7 9 7 ( p a ) 模拟 3 2 5 85 7 4 39 5 7 61 2 1 51 6 7 52 1 2 32 5 8 71 2 2 从表中数据可以看出采用标准k 。占模型的计算结果与由文献 4 2 1 得到的试验 结果偏差不大，因此采用该模型对双排椭圆管矩形翅片结构进行流场分析是合适 的。 4 1 4 设计工况下双排椭圆管矩形翅片管束流场模拟结果 根据第一章中的空冷机组设计工况：管内侧流体为饱和蒸汽，冷凝压力为 3 5 第4 章变径圆管连续平滑翅片管束的可行性分析 o 0 2 m p a ，饱和温度为6 0 * c ；管外侧流体为空气，入口温度为3 7 。c ；空气密度为 1 1 4 k g m 3 ；空气比热为1 0 0 5 j ( k g k ) 。 表4 2 设计工况。卜双排椭圆管矩形翅片结构的流场计算结果 流速( m s )11 522 533 5 管内流体温度( k )3 3 33 3 33 3 3 3 3 33 3 33 3 3 入口空气温度( k ) 3 1 03 l o3 1 03 1 03 1 03 1 0 山口空气温度( k ) 3 3 1 3 23 3 0 5 93 2 9 7 43 2 8 6 23 2 7 8 43 2 7 0 7 一排管换热( w )3 9 4 94 9 6 75 8 2 96 4 9 67 1 9 07 8 3 8 二排管换热( w )2 1 5 43 8 8 45 4 8 86 8 3 7 8 1 3 49 2 8 7 总换热( w ) 6 1 0 38 8 5 11 1 3 1 71 3 3 3 31 5 3 2 41 7 1 2 5 进口温著( k ) 2 32 32 32 32 32 3 出口温差( k )1 6 82 4 13 2 6 4 3 85 1 6 5 9 3 对数温差( k )8 1 4 8 9 1 2 71 0 1 01 1 2 31 1 9 41 2 5 9 传热系数( w ( m 2 k ) ) 2 5 3 13 2 7 63 7 8 44 0 1 24 3 3 74 5 9 4 压差( p a ) 2 8 74 6 5 36 7 8 29 5 31 2 7 11 5 7 4 4 2 流场特性对比 4 2 1阻力特性 从设计工况条件出发，由第2 章的四排变径圆管连续平滑翅片结构的数值模 拟结果和本章4 1 节的双排椭圆管矩形翅片结构的模拟计算结果可得图4 5 。 嗅i 管 j - 一椭圆管 夕 j杉 么矽 r 彳r 厂 l， 0 51 01 5 2 0 2 5 3 o 3 54 0 迎面风速( m s