（动力机械及工程专业论文）管壳式换热器凝结换热特性的研究及数值计算.pdf

华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 作为管壳式换热器的凝汽器在电厂中有其重要的作用，而凝汽器壳侧是由凝结 和不凝结气体组成。在换热过程中，因存在凝结换热，气体流速、压力、不凝结气 浓度、传热系数及各气体相对份额等参数，随着蒸汽的凝结，沿气体流动方向发生 很大变化，使流动与传热过程十分复杂。因此，在考虑凝结对换热影响的基础上， 利用多孔介质理论，对凝汽器汽侧的换热过程建立数值计算的控制方程，通过编程 计算，得到了压力、温度、速度、密度场等，通过对结果分析，不凝结气体的含量 对换热系数影响很大，因此利用计算结果，拟合出传热系数与空气体浓度之间的关 系式。为凝结换热器的设计及计算提供了依据。 关键词：管壳式换热器，凝汽器，凝结换热，传热系数，数值传热学 a bs t r a c t a sas h e l l a n d - t u b eh e a te x c h 柚g e rc o n d e n s c ri si m p o r t a n tt op 1 0 w e rp l a n t ，s t e 锄a n d n o n c o n d e n s a b l eg a s e si se x i s t e di ns h e l ls i d e0 fc 0 n d e n s e r i nt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，a sa r e s u l t0 ft h ee x i s t e n c e0 fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r ，f l o wr a t e ，p r e s s u r e ，n o n c o n d e n s i n gg a s c o n c e n t f a t i o 璐，h e a tt 瑚l s f e rc o e f f i c i e n t 锄do t h e rp 掘衄e t e 璐0 fg 弱e sw i t ht h cc 0 n d e n s a t i o n w h i c hw 弱c h a n g 阋a l o n gt h ed i r e c t i o no fg a sf l o w i n g l e d 幻t 量l ef l o wa n dh 髓t 虮m s f e r p r o c e s sc 伽叩l i c a t e d s ob a s e do nt h ec o n d e n s a t i o no nt h ee 虢c t so fh e a tt 瑚s f e r u s i n gt h e t h e o r ) ，o fp o r o u sm e d i a ，e s t a b i i s ht h ee q u a t i o no fh e a tt r 觚s f e rp r o c e s si nt h es i d eo fs t e 锄， g e t t i n gt h ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，s p e e d d e n s i t yf i e l db yp r o 粤a m m i n gc a l c u l a t i o n ，a n a l y z i n g m er e s u l t ，c o n c l u d et h en o n c o n d e i l s a b l eg a sc o n c e n t r a t i o nh a da 伊e a ti m p a c to nt h eh e a t t r a n s f e rc o e f ! f i c i e n t ，s of i t t i n gt h ef u n c t i o no ft h er e l a t i o nb e m e e nh e a tt r a n s f e rc o e 硒c i e n ta n d a i rc o n c e n t r a t i o n p r o v i d et h eb a s i sf o rt h ec o n d e n s a t i o nh e a te x c h a n g e rd e s i g n i n ga i l d c a l c u l a t i o n f a nw e i ( p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ih u i - j u n k e yw o r d s ：s h e a n dt u b eh e a te x c h a n g e r c o n d e n s e r ，c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r ， h e a tt r a n s f 电rc o e f f i c i e n t n u m e r i c a lh e a tt r a n s f b r 华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 作为管壳式换热器的凝汽器在电厂中有其重要的作用，而凝汽器壳侧是由凝结 和不凝结气体组成。在换热过程中，因存在凝结换热，气体流速、压力、不凝结气 浓度、传热系数及各气体相对份额等参数，随着蒸汽的凝结，沿气体流动方向发生 很大变化，使流动与传热过程十分复杂。因此，在考虑凝结对换热影响的基础上， 利用多孔介质理论，对凝汽器汽侧的换热过程建立数值计算的控制方程，通过编程 计算，得到了压力、温度、速度、密度场等，通过对结果分析，不凝结气体的含量 对换热系数影响很大，因此利用计算结果，拟合出传热系数与空气体浓度之间的关 系式。为凝结换热器的设计及计算提供了依据。 关键词：管壳式换热器，凝汽器，凝结换热，传热系数，数值传热学 a bs t r a c t a sas h e l l a n d - t u b eh e a te x c h 柚g e rc o n d e n s c ri si m p o r t a n tt op 1 0 w e rp l a n t ，s t e 锄a n d n o n c o n d e n s a b l eg a s e si se x i s t e di ns h e l ls i d e0 fc 0 n d e n s e r i nt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，a sa r e s u l t0 ft h ee x i s t e n c e0 fc o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r ，f l o wr a t e ，p r e s s u r e ，n o n c o n d e n s i n gg a s c o n c e n t f a t i o 璐，h e a tt 瑚l s f e rc o e f f i c i e n t 锄do t h e rp 掘衄e t e 璐0 fg 弱e sw i t ht h cc 0 n d e n s a t i o n w h i c hw 弱c h a n g 阋a l o n gt h ed i r e c t i o no fg a sf l o w i n g l e d 幻t 量l ef l o wa n dh 髓t 虮m s f e r p r o c e s sc 伽叩l i c a t e d s ob a s e do nt h ec o n d e n s a t i o no nt h ee 虢c t so fh e a tt 瑚s f e r u s i n gt h e t h e o r ) ，o fp o r o u sm e d i a ，e s t a b i i s ht h ee q u a t i o no fh e a tt r 觚s f e rp r o c e s si nt h es i d eo fs t e 锄， g e t t i n gt h ep r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，s p e e d d e n s i t yf i e l db yp r o 粤a m m i n gc a l c u l a t i o n ，a n a l y z i n g m er e s u l t ，c o n c l u d et h en o n c o n d e i l s a b l eg a sc o n c e n t r a t i o nh a da 伊e a ti m p a c to nt h eh e a t t r a n s f e rc o e f ! f i c i e n t ，s of i t t i n gt h ef u n c t i o no ft h er e l a t i o nb e m e e nh e a tt r a n s f e rc o e 硒c i e n ta n d a i rc o n c e n t r a t i o n p r o v i d et h eb a s i sf o rt h ec o n d e n s a t i o nh e a te x c h a n g e rd e s i g n i n ga i l d c a l c u l a t i o n f a nw e i ( p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l ih u i - j u n k e yw o r d s ：s h e a n dt u b eh e a te x c h a n g e r c o n d e n s e r ，c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r ， h e a tt r a n s f 电rc o e f f i c i e n t n u m e r i c a lh e a tt r a n s f b r 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文管壳式换热器凝结换热特性 的研究及数值计算，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，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 得华北电力大学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：日期：竺三至塑翻 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盛 日 期：之缢兰小历a乏一型辔 v 名 期 签 】 师导 日 华北电力人：学硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 能源工业是国民经济的基础产业，是实现现代化的物质基础，世界各国都把建 立可靠、安全、稳定的能源供应保障体系作为国民经济的战略问题之一。我国是世 界上能源蕴藏和能源生产大国，我国的一次能源生产居世界第二位，但人均拥有的 煤、石油和天然气等不可再生能源只占世界平均值的5 5 6 7 、1 1 1 4 和4 3 8 ，同 时我国的能源利用率比较低，只有3 3 4 ，远低于发达国家的5 2 5 6 ，而单位 国民生产总值能耗却是发达国家的3 4 倍。这就使得我国的能源供需矛盾十分突 出，因此迫切需要加强能源管理，合理开发和有效利用能源。我国政府对能源问题 十分重视：早在8 0 年代就提出了“节约和开发并重，近期把节约放在优先地位”的能 源方针政策；在2 0 0 4 年，经国务院批准，国家发改委发布了节能中长期专项规 划，提出了节能的指导思想、原则和目标，以及十大重点节能工程和十条保障措 施l 。在“十一五”( 2 0 0 6 2 0 1 0 年) 规划纲要中提出了“十一五”期间单位国内生产总 值能耗降低2 0 左右，主要污染物排放总量减少1 0 的约束性指标。而后又明确了 2 0 1 0 年中国实现节能减排的目标任务和总体要求，即到2 0 1 0 年，中国万元国内生 产总值能耗将由2 0 0 5 年的1 2 2 吨标准煤下降到1 吨标准煤以下，降低2 0 左右； 单位工业增加值用水量降低3 0 。“十一五”期间，中国主要污染物排放总量减少 1 0 ，到2 0 1 0 年，二氧化硫排放量由2 0 0 5 年的2 5 4 9 万吨减少到2 2 9 5 万吨，化学 需氧量由1 4 1 4 万吨减少到1 2 7 3 万吨；全国设市城市污水处理率不低于7 0 ，工业 固体废物综合利用率达到6 0 以上。 换热器广泛的应用于许多工业部门中，其中管壳式换热器占了1 3 以上【2 】。由于 管壳式换热器结构可靠、技术成熟、适用面广，已成为目前热力系统中最为常用的 换热设备结构形式。化工厂中的加热器、冷却器，火力发电厂中的凝汽器、冷油器 以及压缩机的中间冷却器等都是管壳式换热器的实例1 3 l 。 在现代工业中，火力发电厂作为将一次能源转化为二次能源的场所，是消耗一 次能源的大户。每年我国有约1 4 的煤炭用于发电。管壳式换热器的性能对火力发 电厂的安全可靠性和经济性以及能源的有效利用有着重要的影响。以火力发电厂中 重要的管壳式换热器凝汽器为例，国产高压2 0 0 m w 机组，如果凝汽器真空下 降o 9 8 k p a ，则机组热耗上升6 3 ( k wh ) ，而机组初压下降4 9 0 k p a ，机组热耗彳 上升2 0 9 3 ( k wh ) ：对一台超高压汽轮机，凝汽器压力每降低o 9 8 1 k p a ，循环热 效率可提高0 5 o 7 ；而对一台亚临界6 0 0 m w 汽轮机，循环热效率相应可提高 约o 5 。以全国年发电量1 5 力亿千瓦时计算，如果真空提高o 3 k p a ，则每年可节 l 华北电力人学硕十学位论文 约标准煤约7 8 7 万吨。 在当前国家能源供应十分紧张的情况下，提高管壳式换热器的传热特性，进行 强化传热技术的研究已经成为节能降耗工作中的一项重要内容，为实现节能减排的 目标打下坚实的基础。因此要节能减排，提高火力发电厂的经济效益和节能意识， 必须研究各种传热过程的强化问题，开发适用不同过程的强化传热结构及高效换热 设备，这不仅是现代电力工业发展过程中必须解决的课题，同时也是开展节能工作 的迫切任务。 1 2 目前国内外研究状况 1 2 1 强化传热技术发展简介 管壳式换热器强化传热就是使换热器在单位时间、单位传热面积传递的热量尽 可能多。管壳式换热器强化传热方法主要有：采用改变传热元件本身的表面形状及 其表面处理方法，以获得粗糙表面和扩展表面；用添加内插物的方法增强流体本身 的扰流；改变管束支撑形式以获得良好的流动分布，充分利用传热面积；将换热管 的内外表面轧制成各种不同的表面形状，使管内外流体同时产生湍流以达到同时扩 大管内外有效传热面积的目的，提高换热管的传热性能；将换热管表面制成多孔状， 使气泡核心的数量大幅度增加，从而提高传热系数。 从传热学的发展历史来看，2 0 世纪6 0 年代之前，研究的重点仍是揭示基本传 递现象的规律。这一时期及以前的各类文献中，几乎从未出现“强化传热”( h e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n t ) 的术语。发生于2 0 世纪7 0 年代的世界性能源危机，客观上 极大的促进了强化传热技术的研究和发展，其实质是探求在消耗一定能量的条件下 尽可能多的传递为某种过程所需的热量。因此，从7 0 年代开始，各国均十分重视 强化传热技术的开发和应用研究。进入9 0 年代以后，强化换热技术开始由第2 代 向第3 代发展，第2 代强化传热技术已经被逐渐认同为一种常规技术：最近又提出 了第4 代强化传热技术的概念1 4 l 。 近年来，随着激光多谱勒测速仪( l d v ) 、粒子图像测速仪( p i v ) 等先进实验 和测试仪器在流体力学学科的深入应用，为换热器实验研究提供了强有力的实验手 段，极大的提高了换热器的实验测试能力，进一步推动了换热器实验研究向着高精 度、高效率和数控化方向发展。实验研究固然有其有点，但实验研究周期长、实验 过程费用较高，受多方面因素限制，实验模型经过简化后，与工程应用中换热器原 型尺寸和结构差别往往较大，难以完全相似，不可避免的存在着原始缺陷与误差， 难以进行放大设计和优化设计，且测量误差的存在对测量仪器及测量人员的测量经 验都有较高的要求。因此随着换热器向着大型化、高参数化不断发展，单纯依靠实 2 华北电力人学硕十学位论文 验研究方式已不能很好的适应换热器的研究和丌发需要。 为了更好的适应换热器的研究和丌发需要，数值模拟技术已经广泛的应用在换 热设备研究丌发和设计的各个环节。近年来，国内学者在国外数值模拟研究的基础 上，在换热器数值模拟方面也开展了越来越多的工作。 1 2 2 数值传热学的基本思想简介 随着计算机的迅速发展，用数值方法对传热问题的分析研究取得了重大进展， 在2 0 世纪7 0 年代已经形成一个新兴分支数值传热学。在介绍数值传热学的基 本思想之前，需要先介绍描述流动与传热问题的控制方程组。 设在如图1 1 所示的三维直角坐标系中有一对流换热过程，流体的速度矢量u 在三个坐标上的分量分别为“，v ，w ，压力为p ，流体的密度为p 。这里，为一般 化起见，比，l ，w ，p 及p 都是空间坐标及时间的函数。对图中所示的微元体积d x d y d z ， 应用质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。可得出三个守恒定律的数学表 达式【2 l 。 u x 图卜l 三维直角坐标系及微元体 ( 1 ) 质量守恒方程 对图1 1 中固定在空间位置的微元体，质量守恒定律可表示为 单位时间内微元体中流体质量的增加= 同一时间间隔内流入该微元体的净质量 据此，可以得出以下的质量守恒方程，又称为连续性方程 望+ 堕型+ 堕丛+ 堕趟；o a ta x a y a z ( 1 1 ) 上式中的第2 ，3 ，4 项是质量流密度( 单位时间内通过单位面积的流体质量) 的散 度，可用矢量符号写出为 3 华北电力人学硕十学位论文 警瑚v ( ) ：o m ”7 ( 1 - 2 ) 对于不可压缩流体，其流体密度为常数，连续性方程简化为 d i v ( u ) = o ( 1 - 3 ) ( 2 ) 动量守恒方程 对图1 1 所示的微元体分别在三个坐标方向上应用n e w t o n 第二定律( f ；，l 口) 在流体流动中的表现形式 微元体中流体动量的增加率= 作用在微元体上各种力之和 引入n e w t o n 切应力公式及s t o k e s 的表达式，可得3 个速度分量的动量方程如下【5 1 h 动量方程 亟型+ 刿+ 刿+ 皇f 2 竺! 一一专量+ 去( 五讲v u + 2 罢) + 号 ( 去三+ 詈) 】+ 鲁 ( 专詈+ 罢) 】+ p 只1 - 4 a 堕型+ 刿+ 刿+ 皇! 翌竺! 。一号+ 丢 肛( 尝+ 詈) 】+ 专( 五加u + 2 多) + 丢 ( 詈+ 詈) 】+ p c 。4 ” w 一动量方程 堕幽+ 捌+ 型+ 皇1 2 竺! 。一号+ 去 弘( 专詈+ 专) 】+ 专 p ( 专三+ 专孑) 】+ 丢( 五d z v u + 2 芦专孑】+ p f 2 1 4 c 式中为流体的动力粘度，五称为流体的第二分子黏度，对气体可取为2 3 i5 1 。 在数值传热学中常常将上述3 式等号后的分子粘性作用项做如下变化，以比一动 量方程为例 华北i 乜力人学硕：t 学位论文 去( 五加u + 2 尝) + 专 ( 罢+ 詈) + 去 弘( 詈+ 罢) = 去( p 詈) + 专( 詈) + 鲁( 詈) + 去( 罢) + 专( 肛罢) + 鲁( 肛尝) + 去( 五挑u ) = 优v 似g 阳咖) + 瓯 ( 1 - 5 ) 据此，上述动量方程可以进一步写成以下矢量形式 ：讲v ( 胛幽) + 瓯一尝巳 ( 1 6 a ) d x ：d f ，( g r 口咖) + 鼠一尝巳 ( 1 6 b ) d v 。硪y ( g ，口d 叻+ s 。一喜巳 叱 ( 1 6 c ) 式中瓯，瓯，乱为3 个动量方程的广义源项，其表达式可对照式( 1 5 ) 得出如下 瓯= 去( 罢) + 专( 肛罢) + 鲁( 肛芸) + 去( 五班v u ) c 1 7 a ， s ，= 去( 弘暑爹) + 专( 肛軎) + 鲁( 弘专爹) + 专( 五d z v u ) & i 去( 罢) + 专( 老) + 杀( 警) + 丢( 五饿v u ) 对于粘性为常数的不可压 - 6 ) 简化成为 詈砌小u ) 划v 旧础) 弓詈 詈协( w u ) 剐咖蒯小吉詈 式中1 ，为流体的运动粘度。 式( 1 - 6 ) ( 1 - 8 ) 称为n a v i e 卜s t o k e s 方程，简称n s 方程。 5 ( 1 7 b ) ( 1 7 c ) ( 1 8 a ) ( 1 - 8 b ) ( 1 8 c ) ，l ，一r 瓤 皇嗽 南 p 一 j d 仉 倒 以 即 y & 如 = h = ， 旅 & 彤 ，j _ l 、 ， 矿 体 优 流 o 莉 塑以 华北电力人学硕十学位论文 ( 3 ) 能量守恒方程 对图1 1 所示的微元体应用能量守恒定律： 微元体内热力学能的增加率= 进入微元体的净热流量+ 体积力与表面力对微元体做 的功。再引入导热f o u r i e r 定律，可得出用流体比焓j i l 及温度丁表示的能量方程 掣+ 掣+ 掣+ 掣m 9 ，以缸却 a z 【l 。 一一p d i v u + 硪v ( a g r 口d 丁) + + s 式中a 是流体的导热系数，s 为流体的内热源，妒为由于粘性作用机械能转换为热 能的部分，称为耗散函数，其计算式如下1 6 l = 2 ( 尝) 2 + ( ；) 2 + ( 老) 2 】+ ( 专萝+ 罢) 2 + ( 专喜+ 尝) 2 + ( 暑三+ 詈) 2 + 九办y u ( 1 - 1 0 ) 式( 1 9 ) 中p d f y 【，系表面力对流体微元体所做的功，一般可以忽略；同时对理想气体， 液体及固体可以取 。c p 丁，进一步取c ，为常数，并把耗散函数妒纳入到源项s 中 ( s r s + 爹) ，于是可得 对不可压缩流体有 竽+ 挑( p 叮) ；讲v 唼鲫d 丁) + s ( 1 1 1 ) 詈+ 加( 叮) l 优y 去胛d 丁) + 軎 ( 卜1 2 ) 式( 1 2 ) ，( 1 4 a ) ，( 1 - 4 b ) ，( 1 4 c ) 及( 1 1 1 ) 包含6 个未知量，m ，w ，p ，丁及p ，还需 补充一个联系p 和p 的状态方程，方程组才能封闭 对理想气体可有 p 一厂( p ，丁) p = p r t ( 1 - 1 3 ) ( 1 - 1 4 ) 其中r 为摩尔气体常数。 至此，已得到流动与传热问题的质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律 6 华北电力人学硕十学位论文 的数学表达式。 在流动与传热问题求解中所需求解主要变量( 速度及温度等) 的控制方程都可 以表示成以下通用形式1 7 l 掣砌咖叫剐蚂g r 口+ ( 1 - 1 2 ) 式中妒为通用变量，可以代表h ， ，w ，r 等求解变量；q 为广义扩散系数；s 。为 广义源项。这里引入“广义”二字，表示处在q 与只位置上的项不必是原来物理意义 上的量，而是数值计算模型方程中的一种定义，不同求解变量之间的区别除了边界 条件与初始条件外，就在于q 与咒的表达式不同1 2 j 。对于不同的方程及变量，驴的 取值不同，其详细的分类将在第三章以表格的形式详细列出。 得到控制方程后，若要求解还需确定计算模型的初始条件与边界条件，且控制 方程还有守恒与非守恒形式，关于守恒与非守恒形式的讨论在文献【2 】中有详细的分 析，故本文不再赘述。 对前面介绍的描写流动与传热的偏微分方程，数学界已经发展出了不少获得其 精确解( 又称分析解) 的数学方法。这些精确解是在整个求解区域内连续变化的函 数。但是直到目前，这些分析解还只能对少量的简单的情形得出，对于大量具有工 程实际意义的流动与传热问题，数值计算的方法越来越广泛的得到应用。 数值传热学( n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e r ，n h t ) 又称为计算传热学( c o m p u t a t i o n a l h e a tt r a n s f e r ，c h t ) ，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法通过计 算机予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学求解问题的 基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场( 如速度场，温度场， 浓度场等) ，用一系列有限个离散点( 称为节点，n o d e ) 上的值的集合来代替，通过 一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程( 称为离散方程， d i s c r e t i z a t i o ne q u a t i o n ) ，求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。 上述的思想可以用图1 2 来表示。 在过去的几十年内已经发展出了多种数值解法，其间的主要区别在于区域的离 散方式、方程的离散方式及代数方程求解的方法这3 个环节上。在流动与传热计算 中应用较广泛的是有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n tm e t h o d ，f d m ) ，有限容积法( “n i t e v o l u m em e t h o d ，f v m ) ，有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 及有限分析法( f i n i t e a n a l v t i cm e t h o d ，f a m ) 。现将它们的主要思想简述如下： 7 华北电力人学硕十学位论文 霆| 建市控制方程、确定例始i 条件与边界条件 一一一圭一 有限差分法( f i n i t ed i f f e f e n tm e t h o d ，f d m ) 是历史上最早采用的数值方法，对 简单几何形状中的流动与换热问题也是一种最容易实施的数值方法。其基本点是： 将求解区域用与坐标轴平行的一系列网格线的交点所组成的点的集合来代替，在每 个节点上，将控制方程中每一个导数用相应的差分表达式来代替，从而在每个节点 上形成一个代数方程，每个方程中包括了本节点及其附近一些点上的未知值，求解 这些代数方程就获得了所需的数值解。由于各阶导数的差分表达式可以从t a v l o r 展 开式来导出，这种方法又称建立离散方程的t a y l o r 展开法。有限差分法的主要缺点 是对复杂区域的适应性较差及数值解的守恒性难以保证1 2 j 。 有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 。在有限容积法中将所计算的区域划 分成一系列控制容积，每个控制容积都有一个节点做代表。通过将守恒型的控制方 程对控制容积做积分来导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本 身及其一阶导数的构成作出假定，这种构成的方式就是有限容积法中的离散格式。 用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物理意 义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广的一种方法。值得指出，曾 经有文献将有限容积法作为有限差分法的种形式的看法1 8 ，9 l 。实际上这两种数值方 法在获得离散方程的途径方面完全不同，正像有限分析法与有限差分法获得离散方 8 华北电力人学硕十学位论文 程的方法不同而作为两种离散数值方法一样，将有限差分法与有限容积法作为两种 数值方法更为合适1 7 j 。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 。在有限元法中把计算区域划分成一系 列元体( 在二维情况下，元体多为三角形或四边形) ，在每个元体上取数个点作为 节点，然后通过对控制方程做积分来获得离散方程。其与有限容积法区别在于： ( 1 ) 要选定一个形状函数( 最简单的是线性函数) ，并通过元体中节点上的被求 变量之值来表示该形状函数。在积分之前将该形状函数带入到控制方程中去；这一 形状函数在建立离散方程及求解后结果的处理上都要应用。 ( 2 ) 控制方程在积分之前要乘上一个权函数，要求在整个计算区域上控制方程余 量( 即代入形状函数后使控制方程等号两端不相等的差值) 的加权平均值等于零， 从而得出一组关于节点上的被求变量的代数方程组。 有限元法的最大优点是对不规则区域的适应性好。但计算的工作量一般较有限 容积法大，而且在求解流动与换热问题时，对流项的离散处理方法及不可压缩流体 原始变量法求解方面没有有限容积法成熟1 2 l 。 以二维稳态导热问题为例，在直角坐标的均分网格上采用f d m ，f v m 及f e m 的网格及p 点离散方程涉及到的邻点情况，如图1 3 ( a ) ，( b ) ，( c ) 中。图中黑点 代表温度场离散方程所涉及到的节点。 n wpe s ( a ) n w n w 气 e s 7 s e n 、杉z w7 杉碜1 ， e s ( b ) n n wn e w p e s w l s 7 s e ( c )( d ) ( a ) f d m ；( b ) f v m ；( c ) f e m ；( d ) f a m 图卜3 不同数值方法区域与节点的划分 9 华北电力人学硕十学位论文 有限分析法( f i n j t ea n a l v t i cm e t h o d ，f a m ) 。有限分析法是由美国籍华人陈景仁 教授在1 9 8 1 年提出的。在这种方法中，也像有限差分法那样，用一系列网格线将 区域离散，所不同的是每一个节点与相邻的4 个网格( 二维) 问题组成计算单元， 即一个计算单元由一个中心节点与8 个相邻点组成( 图1 3 ( d ) ) 。在计算单元中把 控制方程中的非线性项( 如n s 方程中的对流项) 局部线性化( 即认为速度已知) ， 并对该单元上未知函数的变化型线做出假设，把所选定型线表达式中的系数和常数 项用单元边界节点上未知的变量值来表示，这样该单元内的被求问题就转化为第一 类边界条件下的一个定解问题，可以找出其分析解：然后利用这一分析解，得出该 单元中点及边界上8 个邻点上未知值间的代数方程，此即为单元中点的离散方程。 有限分析法中的系数不像有限容积法中那样有明确的物理意义，对不规则区域的适 应性也较差【引。 1 3 本文的研究内容 目前，世界各国在高效换热器理论研究及新技术新产品开发方面己进入高层次 的探索阶段。各国为提高换热器性能进行的研究主要是强化传热，提高对苛刻工艺 条件和各类腐蚀介质适应性材料的开发，以及向着高温、高压、大型化方向发展所 作的结构改进。当今高效换热器技术的发展以计算流体力学( c f d ) 、数值传热学 ( n h t ) 、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。 本文的研究思路是以数值传热学的基本思想为指导，对管壳式换热器内凝结换 热特性进行理论分析，建立计算模型并通过编制的程序对模型进行计算，分析计算 结果，得出结论。 本文的主要目的是对管壳式换热器内含有不凝结气体的凝结换热过程进行数值 计算，主要分析管壳式换热器的凝结换热过程中，不凝结气体对传热性能的影响， 并且对求解传热系数方程加以改进。 在研究方法上，选用现代化大型火力发电厂的凝汽器作为研究对象。在传热学 角度上，凝汽器是一种管壳式换热器，管壳式换热器内凝结换热的过程相当于凝汽 器在工作状态下的流动与传热过程。首先，理论上对凝结换热特性进行阐述；然后， 建立计算模型，确定初始条件和边界条件。数值解法采用有限容积法，区域离散化 采用内节点法，即方法b ，控制方程的离散采用控制容积积分法，采用s i m p l e 算 法求解离散方程，整个计算过程通过程序实现，最后将计算结果导入到t e c p l o t1 0 进行绘图，对计算结果进行分析。 目前的主要困难是，计算程序为源代码程序，计算模型复杂，调试所需的工作 量较大；管壳式换热器内流动与传热的问题非常复杂，需要建立合理的计算模型。 1 0 华北电力人学硕士学位论文 第二章管壳式换热器的换热分析 凝汽器壳侧为汽一气混合物，在通过冷却管束时，因存在凝结换热，气流速度、 压力、不凝结气浓度、传热系数、密度及各气体相对份额等参数，随着蒸汽的凝结， 沿管程方向发生很大变化，使流动与传热过程十分复杂。 2 1 凝汽器的传热过程 作为汽轮机发电机组的重要组成部分，凝汽器的工作性能对整个机组运行的好 坏有很大影响。从传热学的角度来看，凝汽器是一种典型的管壳式换热器，其结构 如图2 1 所示。 1 0 9 j。 门 八 芍、 鼍讶l 7 - 。一 j 蓁i 一 l i i l 一 i 口ii - 一 t i l i 狮一肾一一 i i i l j i ；l l 广- l i 一j ki i l l 匿刁 i 斌 li l i i 一 。 i ii i ll li 芸：i 、= i- 一一l i ii 一岜 虿辜丰丰 、l 萱茧量 f ff隧幽h 1 32 、气 2 413 l _ 一隧一】 _e。*4，*一目。目翰翳掰翰瞄隧 织 ， 任陵髫磐黪爱磊l 子一警缮e 留彳i 釜 卜后水室：2 一管板；3 一冷却水管；4 一热井；5 一进水管；6 一水室隔板；7 一前水室； 8 一出水室；9 一管子支撑隔板；1 0 一进汽管；1 1 一空气冷却区；1 2 一挡板； 1 3 一外壳；1 4 一抽气口 图2 1 凝汽器示意图 2 1 1 传热过程表达式 蒸汽在凝汽器内的凝结过程基本上是等压过程，其绝对压力值取决于蒸汽凝结 时的饱和温度，此温度取决于冷却水温度( 大致在o 3 0 ) 以及冷却水与蒸汽之间 的传热温差( 通常约为l o 2 0 ) 。考虑到大气压力下蒸汽的饱和温度为l o o ，因 此凝汽器是在远低于大气压力下即较高真空条件下工作的【1 0 1 1 ，12 1 。 大多数凝汽器都采用水平管外凝结的工作方式，为使凝结过程连续进行，冷却 水需在循环水泵的驱动下连续不断地流过冷却管内，不断吸收蒸汽凝结时放出的汽 化潜热。整个传热过程包括以下几个环节：冷却管外表面上的蒸汽凝结放热；通过 1 1 华j 匕电力人学硕+ ：学何论文 管壁金属本身及管内外表面上的污垢层的导热；管内壁对冷却水的对流换热。所以 这是由多个环节串联组成的复杂传热过程。凝汽器内的传热过程可由下式表示： q = k f f d 。( 办。一办：) = d 。c ( f 。一f 叫) 式中q 凝汽器的热负荷，渺； k 凝汽器的传热系数，m 2 k ) ； ，凝汽器的冷却面积，研2 ； f 凝汽器的对数平均传热温差，k ； 口汽轮机排汽量，堙s ； 厅，汽轮机排汽比焓，j s ； j i i ：凝结水比焓；灯s d 。冷却水流量，姆s ； c ，冷却水比热容，j ( 幻k ) ； f 。冷却水出口温度，k ； f “冷却水进口温度，k 。 传热过程的示意图如图2 2 所示： 图2 2凝汽器传热过程示意图 与凝汽器压力相对应的饱和蒸汽温度r ，可表示为： ts = t “+ t + 6 t l2 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 7 ) 华北电力人学硕f ：学位论文 2 1 2 凝汽器的各换热环节 凝汽器换热过程可以概括为三个环节：管外凝结放热，通过管壁及污垢热阻导 热，管内强制对流换热【1 3 ，1 4 】。 ( 1 ) 管外凝结放热 管外凝结放热是水蒸汽在凝汽器冷凝表面上释放潜热凝结为水的过程。蒸汽与 低于饱和温度的壁面接触时有两种不同的凝结形式。如果凝结液体能很好的润湿壁 面，它就在壁面上铺展成膜。这种凝结形式称为膜状凝结。膜状凝结时，壁面总是 被一层液膜覆盖着，凝结放出的相变热( 潜热) 必须穿过液膜才能传到冷却壁面上 去。这时，液膜层就成为换热的主要热阻。当凝结液体不能很好的润湿壁面时，凝 结液体在壁面上形成一个个的小液珠，称为珠状凝结【3 j 。 膜状凝结与珠状凝结的定性图示见图2 3 产生珠状凝结时，所形成的液珠不断 发展长大，在非水平的壁面上，因受重力作用，液珠长大到一定尺寸后就沿壁面滚 下。在滚下的过程中。一方面会合相遇的液珠，合并成更大的液滴，另一方面也扫 清了沿途的液珠，使壁面重复液珠的形成和成长过程。 ( a ) 膜状凝结( b ) 珠状凝结 图2 3 两种凝结形式 膜状凝结时，在壁面形成的凝结液膜阻碍蒸汽与壁面直接接触，蒸汽只能在液 膜表面凝结，所放出的潜热必须通过液膜才能传到壁面，因此膜状凝结的传热系数 要小于珠状凝结时的传热系数。 当发生珠状凝结时，大部分的蒸汽可以与壁面直接接触凝结，所释放出的汽化 潜热直接传给壁面，因此珠状凝结换热与相同条件下的膜状凝结换热相比，表面传 热系数要大几倍甚至一个数量级l 引。 虽然珠状凝结的传热系数明显的大于膜状凝结的传热系数，但是珠状凝结很难 获得，即使能够暂时获得也很难长久的保持。在凝汽器中，蒸汽主要是膜状凝结， 有时，这两种类型的凝结可能同时存在。目自订凝汽器的传热计算，均采用膜状凝结 13 华北电力人学硕十学位论文 的计算公式。 到目前为止，人们已经对蒸汽凝结时的热交换过程进行了大量的研究工作，但 是还不是非常清楚。如果说，纯蒸汽的凝结放热已研究的很充分，但当蒸汽中存在 着空气时，就使这种换热过程变得大为复杂，尤其是在空气冷却区更是如此，极大 地恶化了蒸汽与冷却水之间的热量交换。 ( 2 ) 管壁及污垢热阻导热 通过管壁及污垢热阻的导热是从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传热，亦即穿 过固体壁及内、外壁面上污垢的导热过程。 管壁的导热性能主要受管子的材料，管壁厚度，管壁内、外表面积等因素影响。 污垢热阻是凝汽器在使用一段时间后，在壁面上积有的腐蚀物、污物或其他杂质。 污垢热阻会增大凝汽器的总热阻，降低传热系数。所以，在进行换热计算时，应考 虑污垢热阻。在确定污垢热阻时，应考虑物理和经济两种因素【1 5 】。 在物理上应考虑的因素有：流体和沉积物的性质；流体温度；管壁温度；管壁 材料和粗糙度；流体流速等。 经济上应考虑的因素有：凝汽器的生产成本：清洗周期和费用；折旧费和维护 费用等。 对于管壁污垢，一般都会定期通过凝汽器的清洗来降低其热阻值，且污垢热阻 的计算也有比较详实的数据参考【】。 ( 3 ) 管内强制对流换热 管内强制对流放热是冷却水在循环水泵的驱动下与管内壁面进行热量传递的 过程。管内强制对流换热方式在换热设备中得到广泛的应用。 管内强制对流换热可分为层流、过渡流和湍流。当足2 3 0 0 时为层流， r = 2 3 0 0 1 0 0 0 0 时为过渡流，r 1 0 0 0 0 时为湍流【15 1 。在凝汽器中，水在管内的流 速多半为1 5 2 m s 。经计算，如果采用内直径为1 7 m m 的管子，冷却水温为o ， 当r = l o o o o 时的流速为1 0 5 坍s 。因此，凝汽器内冷却水的流动处于湍流区域。对 于对流换热来说，在流体速度不变的情况下，湍流的换热效果要好于层流的换热效 果。 2 2 不凝结气体对凝汽器换热性能的影响 通过对传热过程及各换热环节的描述，已经获知在凝汽器的各换热环节上都不 同程度的存在着热阻，影响着传热系数。在三个环节中，蒸汽含不凝结气体在管外 凝结放热，即凝汽器汽侧蒸汽一空气混合物的凝结换热过程，对凝汽器整体换热性 能影响很大。传热系数随着不凝结气体浓度的增加而降低，例如文献【3 】中提出水蒸 1 4 华北电力人：学硕十学位论文 蒸汽中质量含量占1 的空气能使表面传热系数降低6 0 。 2 2 1 漏入真空系统的空气量 在实际运行中，凝汽器中不可避免的存在一部分空气，空气主要以三种形式进 入凝汽器：随汽轮机排汽和外界疏水带入；通过真空系统中的设备和管道阀门 漏入；加热器热交换过程中把释出的不凝结气体导入的。 锅炉给水和补水的水质都有严格要求，所以随汽轮机排汽、补水和疏水而带入 的空气量是不多的，主要是从真空系统的不严密处漏入的。漏气量除与真空系统中 的设备尺寸和结构有关外，也与设备安装质量有关，如凝汽器壳体数目、低压缸排 汽口数目和尺寸、凝汽器的接口型式、法兰和焊口的严密真空阀门的密封程度，以 及水封工作是否正常等。漏入空气量还与运行工况有关，如汽轮机启动时，真空区 域会一直延伸到高压缸的调节级汽室、加热器，以及部分蒸汽管道，致使漏气量增 加。 正确的估计凝汽装置的漏气量，对合理的选择抽气设备的容量至关重要。知道 凝汽器漏入的空气量，就可计算出凝汽器内汽、气混合物分压与总压，从而可对凝 汽器内凝结换热特性进行正确的分析。 2 2 2 汽、气混合物及其分压力 由于空气漏入凝汽器，凝汽器中的绝对压力就不能按照饱和压力与温度的关系 来和凝结蒸汽的温度相对应。当有空气存在时，凝汽器压力乃是蒸汽和空气的混合 物