（工程热物理专业论文）蛇形翅片管及空冷单元流动换热规律数值研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：翅片管作为构成空冷单元换热面的基本组件，空冷单元作为空冷电站 凝汽器的组成部分，其流动及传热特性对凝汽器性能起决定性作用，对其温度场 和流场进行研究可以为空冷凝汽器设计优化提供基础数据参考。 本文对蛇形翅片管的气侧换热和流动特性进行了数值研究，得到了不同迎面 风速下翅片管周围空气速度和温度分布，在此基础上研究通孔型扰流部件和三角 型扰流部件对蛇形翅片管流动和换热的影响，结果显示通孔型扰流部件对流场和 温度场的影响很小，换热系数基本不变，阻力略有增加，三角型扰流部件对换热 的促进作用显著，阻力也增加较多。 采用( n u n u 。) ( f “3 f o 3 ) 作为评价准则，计算结果表明，在所研究的三角扰流 翅片和风速范围内，迎面风速低于2 5 m s 时，8 - 6 0 8 较佳，迎面风速高于2 5 m s 时，5 1 0 1 2 较佳。 考察了环境风速、空冷平台高度、环境风向等影响因素，对空冷单元在大空 间的流场与温度场特性进行了数值研究。计算结果表明环境风速对流场和温度场 影响较大，随着环境风速增加，轴流风机通风量降低，散热器温度升高，热回风 率增加，压头有效利用系数降低；而空冷平台高度对流场和温度场影响很小；y 风向相对x 风向是更不利的风向。 本文的研究结果不仅对翅片管和空冷单元的设计及优化具有指导意义，而且 可为直接空冷机组凝汽器的优化运行提供参考。 关键词：扰流蛇形翅片，空冷单元，温度场，流场，数值模拟。 分类号：t k l 7 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：f i nt u b e s ，w o r k e da s 趾i m p o r t a n tp a r to fa i r o c o o l e dc o n d e n s e ru n i t , w h i c hw o r k e da sp a r to fp o w e r p l a n tc o n d e n s e r , i n f l u e n tt h eh e a tt r a n s f e ra n d f l u i df l o w c h a r a c t e r i s t i co fc o n d e n s e rm u c h b ys t u d yo nt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n d v d o c i t yf i e l d ，b a s ed a t ac a nb eo b t a i n e df o re n g i n e e r i n gu s e n ea i r - s i d eh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o wo ff l a tw a v e - f i n n e dt u b ea r ei n v e s t i g a t e d n u m e r i c a l l y t h ea i rv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa r eo b t a i n e da td i f f e r e n tf l o w v e l o c i t i e s n er e s u l t ss h o wt h a tt h ea i r - s i d eh e a tt r a n s f e ra n df l o wc h a r a c t e r i s t i cc h a n g e l i t t l ew h e nr e c t a n g l eh o l e sa r ep l a c e do nt h ef i n s ，a n dt h a tt r i - a n g l ed i s t u r b a n c e sc h a n g e t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dp r e s s u r ed r o pm u c h ( n u n u o ) ( f 3 f o 啪) i su s e dt op r e c i s et h ef l a tw a v e f i n n e dt u b e t h er e s u l t i n d i c a t et h a t8 - 6 0 8t u b ei st h eb e s tw h e nt h ef l o wv e l o c i t yi sl e s st h a n2 5m s ，a n dt h a t 5 - l o 1 2i st h eb e s tw h e nt h ef l o wv e l o c i t yi sl a r g e rt h a n2 5m s t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fac o n d e a s e l u n i ti n d i r e c ta i r - c o o l e dp o w e rp l a n tw h i c ha r ei n f l u e n c e db yc r o s s w i n dv d o c i t y , p l a t f o r m h e i g h t ，a n dt h ec r o s s w i n dd i r e c t i o na r ea n a l y z e dn u m e r i c a l l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a t c r o s s w i n di n f l u e n c et h ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nm u c h t h em a s sf l o wr a t e a n de f f e c t i v ep r e s s u r ec o e f f i c i e n td e c r e a s e , t h er a d i a t o rt e m p e r a t u r ea n dt h ec o e f f i c i e n t o fh o ta i rr e c y c l e di n c r e a s ew h e nt h ec r o s s w i n dv e l o c i t i e si n c r e a s e t h ee f f e c to f p l a t f o r mh e i g h ti ss l i g h t t h ec r o s s w i n di nyw a yi n f l u e n c e st h ec o n d e n s e rm o r et h a n t h ec r o s s w i n di nx w a y t h ec u n e n tr e s u l t sc a nn o t o n l yp r o v i d ei n s t r u c t i o n s f o rt h e d e s i g na n d o p t i m i z a t i o no ft h ef i n n e d t u b e s ，b u ta l s os e r v ea st h er e f e r e n c ef o rd e s i g n i n ga n d o p e r a t i o no fd i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e r k e y w o r d s ：w a v e - f i n n e dt u b e ，c o n d e n s e ru n i t ，t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，f l o w c 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 c i a s s n 0 ：t k17 2 独创性声明 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 不包含为获得北京交通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：功 稗醐：叩“哪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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) 一虢李张 ：讶楸 签字嗍9 7 年f 月乃日签字日期：伽哆年6 胤l 日 致谢 本论文的工作是在我的导师陈梅倩副教授的悉心指导下完成的，陈梅倩副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。导师在我学习期 间倾注了大量的心血，对我的论文研究工作给予了具体有效的指导，导师的宽容 和鼓励给了我莫大的精神支持，在此致以崇高敬意和衷心感谢! 贾力老师、杨飞老师、杨立新老师、何伯述老师和陈琪老师对于我的科研工 作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，陕芳芳、董瑞、温媚、孙进、周晓斌、曾时 明等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 在求学的道路上，我的家人给了我无私的爱心、关怀和帮助，感谢父母、岳 父母的理解和支持! 感谢我的爱人何雪梅一直以来无怨无悔的付出、始终如一的 宽容、理解、支持与帮助! 借此机会，感谢所有参加论文评阅和答辩的各位老师! 谨以此文献给所有帮助、支持我的老师、同学和亲人! 引言 1 引言 1 1 概述 我国是个水资源短缺的国家，人均水资源为2 4 0 0 m 3 ，仅占世界平均水平的四 分之一，位居世界第1 1 0 位，已被联合国列为1 3 个贫水国之一。随着中国经济 的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对水资源和电力能源的需求越来越 大，电力工业生产不仅消耗大量的一次能源，同时也消耗大量的水资源。我国现 有的电力能源结构以火力发电为主，占7 0 以上，传统的水冷火电机组正常运行的 前提是大量的煤炭资源与水资源并存，二者缺一不可。然而我国的水资源与煤炭 资源的分布具有极大的地域不均衡性，我国的“三北”( 华北、东北、西北) 地区， 煤炭资源丰富，但水资源十分贫乏，我国南方地区水资源丰富但煤炭资源贫乏。 这种资源分布特性极大的制约了电力工业的布局，限制了电力工业的发展，同时 也极大的占用了道路资源，造成运力紧张。 采用空冷机组正是解决上述矛盾的有效途径之一，电站空冷技术是以空气取 代水作为冷却介质的一种冷却方式，可比常规湿冷机组节约2 3 的新鲜耗水1 2 1 ，同 时还可避免湿冷塔排出的气雾对环境造成污染。空冷火电机组的厂址选择可以不 受当地水资源条件的限制，将电厂建在煤炭资源中心或者负荷中心，减少运输环 节，降低运输费用，节约社会资源，提高电厂经济性和社会效益。在北方缺水地 区，新建、扩建电厂禁止取用地下水，严格控制使用地表水，鼓励利用城市污水 处理厂的中水或其它废水，原则上应建设大型空冷机组。机组耗水率指标要控制 在o 1 8 一m w 以下【3 】。在北方缺水地区，甚至在水源充沛的地区采用空冷技术已 成为火力发电必要技术措施之一，既符合我国建设资源节约型社会的要求，同时 也具有可观的经济效益和社会效益。 发电厂空冷系统主要有直接空冷系统和间接空冷系统两大类。直接空冷是指 汽轮机低压缸排汽通过大口径的排汽管道直接进入空冷凝汽器的散热器管束，利 用大直径风机驱动空气将之冷却凝结。间接空冷分为海勒式和哈蒙式两种【4 】：( 1 ) 海勒式空冷机组：汽轮机排汽进入混合式凝汽器与大量循环水混合将其冷却( 循环 水水质与凝结水水质相同) ，少部分水进入正常的回热系统，大部分水进入布置在 空冷塔内的散热管束，被空气冷却，其最大缺点是循环水水质要求高，需全部进 行精处理，水处理设备投资大且运行费用甜5 1 ；( 2 ) 哈蒙式空冷机组：汽轮机排汽 进入表面式凝汽器通过大量循环水将其冷却，循环水再进入布置在空冷塔内的散 热器管束，被空气冷却，其最大缺点是需要进行二次问壁式换热，换热器体积及 投资大。 北京交通大学硕+ 学位论文 直接空冷系统对环境变化的敏感度高，凝结压力随环境波动大且迅速，对控 制系统及汽轮机材质要求较高，间接空冷系统由于有中间介质的存在对环境变化 的敏感度有所降低。但直接空冷系统具有无中间介质、传热效果好、传热面积小、 不需大型冷却塔、占地面积小、初投资相对较低、运行灵活和防冻性能好等优点， 得到了大力发展。 7 0 年代开始，空冷机组广泛应用于火电厂1 0 l ，电站空冷系统的装机容量以指 数曲线方式增长。从世界范围讲，伊朗、美国和南非空冷机组应用最广泛，尤其 是伊朗，新建火电机组的三分之二采用空冷技术。从发展趋势上看，目前空冷机 组单机容量越来越大，最大的间接空冷机组单机容量达到6 8 6 m w ，应用于南非肯达 尔电站，最大的直接空冷机组单机容量达到6 6 5 m w ，应用于南非马丁巴电站。 我国在十五计划期间，明确指出要发展大型空冷电厂并逐步形成规模。在2 0 0 3 年 国内首台2 0 0 m w 火电直接空冷机组投产发电供热；2 0 0 4 年3 0 0 m w 机组及2 0 0 5 年 6 0 0 m w 火电机组陆续投产发电。据初步统计，我国目前在建的3 0 万千瓦空冷机组 有2 0 多台，6 0 万千瓦空冷机组有3 0 多台，发展速度空前。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 f 7 l ，而我国 也是以直接空冷机组居多，因此直接空冷技术具有广阔的发展前景。 从国内外电站直接空冷技术的发展来看，直接空冷系统设计的关键技术主要 有：空冷系统优化选型、空冷凝汽器空气动力学研究、空冷凝汽器和大直径轴流 风机的设计与制造技术、大直径负压排汽管道设计以及空冷凝汽器平台结构设计 及布置等。空冷系统得到发展可以很大部分归功于其换热元件即空冷散热器管束 的发展。 空冷散热器管束由芯管和翅片组成，按材料分有铝管铝翅、钢管铝翅及钢管 钢翅三种形式。按结构分，现在世界各国的空冷系统普遍采用的冷却元件有四种， 它们分别是：圆形铝管外套铝翅片、热浸锌椭圆钢管外套矩形铝翅片、大直径热 浸锌椭圆钢管套矩形钢翅片、大直径扁管钎焊蛇型铝翅片。 截至目前，空冷元件的发展经历了三个阶段f 6 1 ：( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代的圆管圆 翅片多排管，全钢制椭圆芯管，绕片机外绕椭圆翅片；( 2 ) 2 0 世纪7 0 年代的矩形 翅片椭圆管两排管，全钢制椭圆芯管，靠机械张力外套矩形翅片；( 3 ) 目前的扁 管蛇行翅片单排管，钢制扁平芯管，纤焊硅铝合金蛇形翅片，以及德国g e a 公司 f 在试验的单排大椭圆翅片管( 1 8 0 2 5 1 5 m m ) ，单排管由于不存在汽流死角， 温度均匀，减少了换热死区，同时基管变形应力小，冻裂损坏的可能性降低，抗 冻性能更佳。但单排大椭圆管由于造价原因未大批量投入商业应用，目前应用最 广泛的单排管是扁管蛇形翅片管。 空冷翅片管换热的主要热阻集中在空气侧，强化换热的主要途径有增加气侧换 2 引言 热面积，破坏边界层以改变气侧空气的流场和温度场的分布，常用的翅片型式可 分为连续翅片、波纹连续翅片、间断型翅片等。平直翅片强化换热的机理是增加 传热面积和减少当量水力直径；波纹翅片使流体在流动过程中不断改变流向，从 而产生二次流及边界层的分离，从而进一步强化换热；间断型翅片有冲孔型翅片、 百叶窗翅片、错位翅片等，其强化换热的主要手段是利用特有的结构破环边界层， 使边界层不连续，从而减少热阻强化换热。 散热器管束的布置方式分为：立式、水平式、斜顶式( 人字形，a 字形) 、v 形、 圆环式、多边形。目前最常用的空冷器形式是斜顶式、水平式。斜顶式空冷器管 束成a 字形布置，占地面积小，结构紧凑，管内介质流动性好，但管外空气分布 不够均匀。水平式空冷器具有管束长度不受限制，管内热流体和管外空气分布比 较均匀，但具有管内介质流动性差，占地面积大，易造成热风再循环等缺点。故 国内空冷电厂散热器管束多呈a 字形放置嘲。 由于直接空冷凝汽器暴露在室外大气环境中，利用周围的空气作为介质来进 行冷却，所以空冷凝汽器性能不仅与空冷设备自身结构因素如翅片管管束形式及 ， 平台高度、挡风墙尺寸等有关，还受到周围大气环境因素的影响，例如风速、风 向及环境温度、压力等，另外还与邻近的建筑物或构筑物形状和尺寸相关，它涉 及到空气动力学、气象学、热力学和传热传质等多学科。对直接空冷凝汽器的研 究可以分为翅片管、空冷单元、空冷岛三个层次，对前一层次的研究是研究下一 层次的基础。因此对空冷翅片管和空冷单元的研究就显得尤为必要，它可为空冷 散热器的设计和优化提供依据，改善现有机组的运行调节方式，指导现有空冷机 组技术改造，具有较强的学术价值和工程价值。 随着计算机技术的推广普及和计算方法的新发展，c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 技术，即计算流体力学技术几十年来取得了蓬勃的发展。国内外已经开 发出许多计算流体力学软件，如c f x 、f l u e n t 、w a v e 、s t a r - c d 等。由于数值模拟 相对于试验研究有许多独特的优点，比如成本低，周期短，能获得完整的数据， 能模拟出实际运行过程中各种数据状态，对于设计、改造等工程应用起到了重要 的指导作用。因此近些年来形成了理论、试验、数值模拟三种研究方法相互结合 相互促进的研究新局面。 1 2 研究现状 1 2 1 翅片管流动与换热规律的研究现状 对翅片管换热与流动的研究，早期以实验研究和理论研究为主，近期数值研 究发展很快。 3 北京交通人学硕士学位论文 在直接空冷凝汽器中，由于管内为凝结换热，换热系数很大，而管外为强制 空气对流换热，换热系数较小，根据传热理论可知传热热阻主要集中在管外侧， 因此要强化管外侧的换热，在管外侧通常采用加装翅片的方法以强化换热效果。 翅片作为扩展面，其性能的优劣将直接影响流动阻力和表面换热系数，而强 化换热的依据是翅片表面上表面换热系数分布，一种较常用的方法是蔡升华质热 比拟技术，将翅片表面根据换热强度的不同分为进口分离区、漩涡系区、边界层 区、回流漩涡区和尾部分离区，其中尾部分离区换热最差，其次是边界层。因此 强化翅片表面换热的关键是减少尾流区对换热的影响。在换热薄弱的区域丌扰流 孔或丌缝不仅能增强扰动，阻止边界层的发展，且使流经它的气流产生旋涡，使 翅片表面的换热增强，实验发现最优穿孔型翅片比普通平翅片管的表面传热系数 可提高1 2 5 ，阻力增加不到7 ，但翅片效率约降低2 t g j 。 对翅片管的研究主要是针对翅片管的换热和阻力性能进行研究。目前，对于 翅片管的换热及阻力性能方面的文献很多，但针对电站直接空冷式翅片管的研究， 公开发表的文献还不多见，因此针对与电站直接空冷式翅片管结构类似的圆管圆 翅片、矩形翅片椭圆管的相关文献进行了调研。 m e y e r 等p o 采用实验的方法研究了不同风机、不同翅片管散热器( 椭圆翅片 椭圆管及矩形翅片椭圆管翅片管散热器) 及不同充气室几何参数对充气室流动损 失的影响。m e y e r 等【l l l 对九种翅片管散热器的进口流动损失进行了实验研究，发现 空气流过散热器的进口损失与流体平均速度无关，而与空气入口倾斜角度有关， 随着入口角度的减小而增大，并且散热器翅片管的排列方式对空气的进口流动损 失有一定的影响。以上实验只考虑了流体在翅片管散热器间的流动特性，而没有 考虑翅片管的换热特性。 j o a r d a r 脯【1 2 】对装有涡发生器的平直翅片管进行了风洞实验研究。m a t o s 等【1 3 】 先后运用数值模拟和实验的方法对叉排环形翅片椭圆管进行结构优化。 m e h m e t 等 1 4 1 运用f l u e n t 计算流体软件对平直翅片管换热器进行了三维数值 模拟，对翅片倾斜角度进行了优化计算，研究表明，翅片角度为3 0 。时为最优， 使每片的换热量达到最大。 a y t u n c 等【1 5 】运用c f d 软件采用数值模拟的方法考虑了翅片的几何结构对散热 器的传热和阻力特性进行了研究，结果表明翅片间距对压降有相当大作用，另外 随着椭圆管长短轴比的增大，换热性能提高，同时流动阻力减小。 h e l l 6 1 和宋富强【l7 】对空气横掠翅片管换热性能进行了研究，并运用场协同原理 分析了其换热规律与场的协同性的关系。r i c a r d o 等i i s 对平板翅片圆管进行了研 究，通过可视化技术和数值模拟方法考察了翅片间距对换热和流动的影响，结果 发现翅片间距的变化对其换热和流动有不同趋势，在一定条件下，翅片间距存在 4 引言 一个最优值。m o n l l 9 1 采用数值模拟的方法对四排圆管圆翅片进行了研究，结果表明 翅片表面的边界层发展取决于翅片间距与翅片高度的比值以及r e 数。 张来对矩形翅片椭圆管和管束空气侧流动和传热性能进行数值研究，分析 了翅片上无扰流孔和开有扰流孔两种情况下矩形翅片表面的局部表面传热系数分 布规律，发现椭圆基管后存在的尾流区使得翅片的强化换热作用减弱对影响空气 侧传热和流动性能的因素，包括风速、翅片间距、翅片厚度、扰流孔的相关参数 进行了综合优化分析，得出无论翅片上有无扰流孔，沿着流动方向，翅片表面的 边界层逐渐增厚，温度逐渐升高，换热量逐渐减小；迎风侧的翅片入口边缘和椭 圆基管是空气侧换热效果较好的地方；而管后的尾流区传热条件明显恶化，扰流 孔位置要远离椭圆基管，扰流孔仅仅对边界层区有较大的强化，对尾流区的影响 相对较小，扰流孔的尺寸对流动的影响要大于对换热的影响，而扰流孑l 数目和位 置的变化对流动的影响不是很大。 杨立军等【8 1 采用数值模拟的方法，对蛇形翅片简化处理成矩形翅片，研究了扁 平管蛇形翅片空间的流动换热性能，针对不同空冷凝汽器管束夹角、不同空气温 度以及不同空气入口速度，对空气侧的换热和流动进行了模拟，研究结果表明， 不同的空冷器管束夹角显著影响其流动和换热特性，夹角越大，凝汽器空冷效果 越好。 胡汉波1 2 ”对电站直接空冷式蛇形翅片单排管的换热和流动特性进行了实验研 究，结合实验并利用数值模拟方法考察了翅片长度对翅片管换热的影响，得到了 翅片管换热无量纲准则关系式。，誓 屠珊等i 2 2 j 采用稳态的恒壁温法对3 个椭圆翅片管空冷器和1 个圆翅片管空冷 器的传热和阻力特性进行了实验研究，得出了椭圆翅片管换热器比圆翅片管换热 器的换热性能要好，且流动阻力也要比圆翅片管换热器要小。高延福等1 2 3 】通过实 验也得到了相同的结论，并提出对于矩形翅片椭圆管簇可以提高迎面风速来增强 其传热性能。 陈亚平等【2 4 】对椭圆铝翅片钢管空冷器的传热及流阻性能进行了实验研究，结 果表明，椭圆铝翅钢管具有良好的传热和流阻性能。李妩等【2 5 1 对五种不同翅片管 型空冷器的放热和阻力特性实验研究，提出了矩形翅片椭圆管管簇放热和阻力关 系式。张鹏等【2 6 】采用风洞实验方法考察了进风角度( 0 。 - - 6 0 。) 对钢制椭圆翅片管 散热器热力阻力特性的影响，得出进风角度增加对传热系数影响不显著，而对气 流阻力影响较大的结论。王厚华等f 2 7 】对大直径圆孔翅片管的传热与流阻性能进行 实验研究。 康海军等【2 引采用实验方法研究了3 种翅片间距和3 种管排方式的9 个平直翅 片管换热器的换热和阻力性能。研究表明翅片间距对换热的影响与r e 数有关，并 5 北京交通人学硕士学位论文 且随翅片间距的增加，翅片管束的阻力减小，而管排数对阻力系数没有明显影响。 在实验r e 数范围内，相同翅片间距下，二排管的换热性能比三排管好一些，三排 管与四排管的换热性能无明显变化。 何法江【2 9 1 对空气横掠错列翅片管束流动与传热进行数值模拟研究，得到了湍 流条件下的n u 准则数和e u 准则数与r e 准则数之间的关系式，并得出n u 随入口 流速的增加而增加，e u 随入口流速的增加而下降的结论。张永军【3 0 】等利用a n s y s 软件对翅片管换热过程进行了数值模拟，总结了不同翅片管几何结构参数对对流 换热系数的影响规律，并与其实验结果进行了对比。文i 献【3 h3 2 】对矩形翅片椭圆管 的换热与流动特性进行了数值研究。 许伟f 3 3 】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j 与摩擦因子f 的比值j f 及j f “3 作为评价准 则对翅片性能进行评价。 李嫒【3 4 】采用数值模拟方法，考察了平直翅片的翅片高度和翅片间距、锯齿翅 片的切开长度、波纹翅片的波幅等因素对翅片表面流动与传热性能的影响。 高延福等 3 5 1 着重阐述了电站凝汽器空冷系统的空冷散热器所用的矩形钢翅片 椭圆管束验研究。得出不同迎面风速下的换热性能及空气侧阻力性能的关系。实 验采用鼓风式风洞，结果表明：矩形钢翅片椭圆管束的传热系数比圆管轧制铝翅 片管束的传热系数大，换热性能好。在相同管排下，矩形翅片椭圆管束比圆管轧 制铝翅片管束气流阻力小。矩形翅片椭圆管因其换热效果好，阻力小，有利于节 能，可应用在电站冷凝冷却器上。矩形翅片椭圆管束可以通过提高迎面风速来增 强其传热性能，以达到减少管束用量，降低设备成本；也可在不提高迎面风速的 情况下，减少风机的功耗从而降低电机的匹配功率。 徐百平等【3 6 1 对平直翅片管换热器通道内的传热与流阻进行了数值模拟计算。 得到了传热系数与f a n n i n g 阻力系数的沿程分布，以及速度、温度分布。同时， 得到了不同操作参数下的平均n u 和f a n n i n g 阻力系数。数值结果表明，由于管子 的存在，即使在负压操作的条件下，空气进入换热器的风量分布仍不均匀。管子 后面存在死区，甚至还导致空气加热翅片的逆向导热现象。翅片的前缘效应使得 传热得到强化，管子的传热主要发生在管子的迎风面。阻力分布也不均匀，翅片 前后缘的局部阻力较大，翅片表面近管壁区中前部也存在局部阻力极大值，但这 一区域的传热并不大，这一位置随着r e 数的增大而前移。随着流速的提高，传热 得到强化，阻力系数相应下降。若要进一步强化传热，须对管子背风侧进行考虑。 漆波【3 7 1 利用三维稳态模型研究了百叶窗间距、翅片间距、百叶窗角度、百叶 窗问距和翅片间距比值等几何结构参数对其传热和流动特性的影响，得出百叶窗 强化传热的机理是通过破坏边界层，使得平均边界层的厚度降低，以此来强化传 6 引言 热，当其它几何参数不变时，翅片间距对百叶窗传热和压降的影响较大，在较小 的翅片间距情况下，具有较大的阻力损失，同时也具有较好的换热性能和综合性 能；当其它几何参数不变随着百叶窗角度的变化，存在传热和压降最大值现象； 影响百叶窗的传热和流动性能的各个几何因素并不是相互独立的，百叶窗间距和 翅片间距的比值就说明了这一点，当百叶窗角度为2 7 。，其比值为1 2 5 时，具有 较好的换热性能和综合性能 1 2 2 直接空冷单元流动与换热规律的研究现状 直接空冷凝汽器暴露在室外大气环境中，利用周围的空气作为介质来进行冷 却，所以空冷凝汽器性能不仅与空冷设备自身结构因素如翅片管管束形式及、平 台高度、挡风墙尺寸等有关，还受到周围大气环境因素的影响，例如风速、风向 及环境温度、压力、空气洁净度等，另外还与邻近的建筑物或构筑物形状和尺寸 相关。 对于空冷单元影响其性能的除了空冷单元自身结构、风机性能外，还受卞列 因素的影响： ( 1 ) 自然界大风。自然界大风对直接空冷凝汽器的影响比较严重，由于空冷系 统附近厂房的存在，在某个主导风向上，风速越大，直接空冷凝汽器迎面风速就 越小，流过空冷器的冷却空气流量就越小，使冷却效果变差：尤其在夏季，环境气 温普遍较高，如在这一时段再受到自然大风的影响，必然对机组的运行产生影响。 调查发现各电厂在夏季高温段遇到外界大风时，均有不同程度的降负荷现象，甚 至出现过机组跳闸现象。 ( 2 ) 机组的真空系统严密性。由于空冷机组的真空容积庞大，是相同容量湿 冷机组的3 0 多倍，由于汽轮机泄漏、安装焊接等原因，都会在很大程度上影响真 空系统的严密性，致使机组背压提高，增大了煤耗，降低了机组带负荷的能力。 ( 3 ) 空冷凝汽器污垢。北方地区风沙大、污染较为严重，再加上夏季电厂周 边树木的飞絮、昆虫等( 站在风机桥架上，可看到翅片管、风筒和钢结构上沾有柳 絮、蜻蜒、飞蛾、灰尘) ，使空冷凝汽器翅片管的翅片间间隙减小，甚至堵塞，同 时空气通道采用错位布置，污垢难以冲洗干净，严重影响了空冷凝汽器的通风能 力，导致排汽背压升高。 ( 4 ) 环境温度。随着环境气温的升高，a c c 的进口空气温度就会相应升高，在 排汽热负荷保持不变的条件下，导致a c c 冷凝温度升高，排汽压力增加，使凝汽 器的效率下降，机组运行经济性变差。 ( 5 ) 热风回流。由于风机的强制通风，从凝汽器排出的热空气在某些特定的条 7 北京交通人学硕+ 学位论文 件下被风机吸入后，会使入口的冷空气温度提高，导致散热器冷却能力的下降而 使汽轮背压升高，它是直接空冷系统正常运行的一大危害。 在电站直接空冷器研究方面，d u v e n h a g e 等f 3 8 】利用p h o e n i c s 软件，采用k s 湍流模型对水平布置空冷散热器的三维流场进行数值模拟研究，发现横风沿着平 行于空冷器的长轴方向，大大降低了迎风侧风机驱动的空气体积流率，而当横风 沿着纵向轴方向时将导致热空气回流增加。 m e y e r 3 9 l 采用数值模拟的方法考察进口流体变形对空冷散热器运行的影响，研 究发现，针对两组空冷器，外围进口流动损失主要受制于在风机进口部分的凸缘 处周围出现的流体分离；通过在风机平台安置通道或者去除外围风机入口部分， 可以减小流动损失。 m e y e r 等【柏】利用c f d 软件采用k s 湍流模型，把散热器处理成多孔介质区域， 应用数值模拟的方法考察了风机运行性能对空冷器充气室的空气动力学特性的影 响。研究表明随着设置在轮毂上风机叶片安装角以及风机运行时体积流率的变化， 影响了充气室的空气动力学特性。 b r e d e l l 等1 4 1 l 使用f l u e n t 软件，采用k s 湍流模型，并把a 字型的散热器处 理成水平布置的多孔介质，对轴流风机运行性能进行了数值研究。h o t c h k i s s 4 2 l 等 也使用f l u e n t 软件，采用k s 湍流模型，利用数值模拟的方法考察了横向风对轴 流风机运行性能的影响。 张遐龄等1 4 3 】采用标准k 一占湍流模型对电站直接空冷凝汽的换热特性进行数值 模拟，并根据计算结果提出增加空冷平台最外一圈风机功率及在空冷平台下方修 建挡风建筑以提高空冷平台换热效率的建议。 赵文升掣删对直接空冷系统中热风回流现象进行了数值模拟研究，分析了热 风回流发生的原因及其对空冷机组的影响。文献 1 9 对a 字型单个空冷单元内三 维流动进行了数值研究，分析了不同运行工况( 风机转速、风机叶片安装角) 以 及环境因素( 横向风速度、环境温度) 对凝汽器单元流场特性的影响规律。 在风洞实验方面，g u 等【4 5 埘1 应用相似准则原理对大型直接空冷系统进行风洞 模拟实验，并提出用回流率的概念作为衡量冷凝器效率的指标。实验结果表明， 风速、空冷平台高度和来流风向角对冷凝器的效率有着重要影响。 赵顺安等【4 8 】通过2 0 0 m w 机组直接空冷装置空气动力模型实验，研究了空冷装置 的空气动力特性、空冷凝汽器和高架平台下建筑物对空冷流场的影响以及平台的 不同高度对阻力系数的影响，给出了2 0 0 m w 空冷装置的气流总阻力系数及沿程各 部分的阻力系数。结果表明，风机口靠近风机侧的j x l 机进风量较大，汽机房附近 的风机进风量较小，其余大体均匀；平台高度的变化未对气流总阻力系数构成影 响i 。 8 引言 苏咸伟等【4 9 】设计了凝汽器单元传热性能实验系统，可为直接空冷换热器的换 热机理、表面积灰、热空气回流等空冷凝汽器性能的影响等关键问题进行试验研 究。 杨立军等【8 l 对1 0 0 0 m w 空冷机组空冷岛进行了数值研究，结果表明平台高度为 4 5 m 时的迎面风速最低，随平台高度增加，迎面风速增加。但可以看到，当平台高 度超过5 0 m 之后，迎面风速反而降低。这是由于随着平台高度继续增加，空冷岛 进出口处对应环境风速升高，横向风对风机运行特性的影响加大，反而使空冷岛 迎面风速降低。可见，存在一个最佳的平台高度，在环境大风和机组运行条件相 同时，空冷岛迎面风速最大，冷却效果最好。在低环境风速条件下，随环境风速 增加，空冷岛回流率增加。当环境风速超过l o m s j 左右时，空冷岛回流率反而开 始降低。 综上所述，可以看出对于翅片管和空冷单元的研究存在以下研究趋势或研究 热点。单排管换热器采用扁钢管，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，在- 4 0 运行环境下不会产生冷却元件结冰冻坏问 题，故冬季可以在很低的背压下工作，从而使机组发电功率增加，经济性提高。 而多排管或双排管凝汽器，当环境气温低于o 时，防冻控制装置会自动将排汽背 压升高，因此冬季运行不能将排汽温度和凝结水温度降得很低，使排汽热损失增 加，故经济性较差。在同样管束长度和宽度下，管内通流面积大于双排管3 0 以上， 管内流动阻力小，流动特性好。冷却元件通风阻力较小，使凝汽器管外空气侧压 降小，可减小风机功率，降低电厂用电。v 早期对矩形翅片椭圆多排管研究较多，近期有学者开始对蛇行翅片单排管进 行了研究，但基本都忽略了单排管翅片上扰流部件对流动和换热的影响，这就造 成了和实际的偏差。 对空冷单元的研究以数值研究居多，虽然考虑了侧风风向、风速、空冷平台 高度、挡风墙尺寸及布置等诸多因素，但研究这些因素对流场影响的多，研究对 温度场影响的较少。 1 3 本文研究内容 综上所述，在翅片管的换热和流动特性研究方面，前人已经取得很大成就， 但针对电站直接空冷翅片管的换热和流动特性方面还不完善，特别是有扰流部件 的蛇形翅片管流动和换热特性研究较少，针对直接空冷凝汽器的流场特性研究较 多，但温度场特性研究较少，为此本文主要进行如下的研究内容： ( 1 ) 建立蛇形翅片单排管物理数学模型，进行合理的简化和假设，利用数值 9 北京交通大学硕十学位论文 模拟方法对蛇形翅片单排管的气侧换热及流动特性进行分析研究，分析不同迎面 风速对流动和换热的影响。 ( 2 ) 研究不同迎面风速下，不同个数、不同尺寸、不同排列方式的方形通孔 扰流部件对蛇形翅片管流动和换热的影响。 ( 3 ) 研究不同迎面风速下，不同个数、不同尺寸三角型扰流部件对气侧换热 及流动阻力性能的影响情况。采用( n u n u 。) ( f l ：) f 0 3 ) 作为评价准则，对所研究的 具有三角扰流的蛇形翅片管进行性能评价。 ( 4 ) 建立a 型直接空冷单元物理数学模型，考虑各环境风速、环境风向、空 冷平台高度等影响因素，利用数值模拟方法对空冷单元在大空间的三维流场特性 和温度场特性进行分析研究。 l o 光槽蛇形翅片管流动和换热数值模拟 2 光滑蛇形翅片管流动和换热的数值模拟 本文采用数值分析方法分析不同迎面风速下光滑蛇形翅片管的气侧换热和 流动阻力特性，以此为基础研究各种扰流部件对流动及换热的影响情况，为蛇形 翅片管的设计及优化提供理论参考。 2 1 蛇形翅片管物理数学模型 电站直接空冷蛇形翅片单排管为扁管芯管纤焊硅铝台会蛇形翅片，呈“几” 字型排列其结构示意图如图21 所示，结构尺寸参数如表2l 所示。 ( a ) 翅片示意图( b ) 扁管示意图 图21 蛇形翅片管几何示意j 璺| f i g 2 is k e t c ho f s i n g l er o w f i a t w a v e - f i n n e d m b e 表21 电站蛇形单排翅片管尺寸参数( 单位：舢) 扁管翅片 长度( a ) 半径( r ) 厚度( b )比变( l )j 宁：度( t )高度( h )间距( p ) 2 2 01 5 1 9 28 考虑到蛇形翅片管结构的周期性，取两相邻翅片( 呈“几”型) 及其扁管组成 的最小周期为研究对象，如图22 所示。为避免入口处的入u 效应和出口边界的 回流现象对计算结果产生影响，适当延长进口段及出口段，本文进口段延长 5 0 m m ，出口段延长1 5 0 m m 。并在g a m b i t 里建立模型，如图2 3 所示。 用前处理g a m b i t 软件对其进行划分网格，对光滑蛇形翅片单排管计算区域 的网格划分方法为：采用分块画网格方法。先对模型进行初步网格划分，对计算 结果进行分析，观察各控制方程的收敛性是否理想。计算结果的速度场及温度场 趋势是否合理，在此基础上，对网格进行加密，直到网格的步k 大, l , x 4 计算结果 影响忽略不计时，爿最终确立网格大小和分布。对光滑蛇形翅片单排管计算区域 匕京交通人学颐f 学住论文 划分的网格总数为7 8 7 4 8 0 个，翅”厚度分为3 层时洛，嘣翅片问流体厚度分为 1 4 层网格，网格如图2 4 所示。 削22 蛇形翅片省儿何模型恻23 蛇形翅片管计算区域模刑 f i g2 2 g e o m e t r y m o d e to f w a v e f i n n e d t u b ef i g23 c o m p u t a t i o n a ld o m a i no f w a v e - f i n n e d t u b e ( a ) 进口处网格( b ) 出n 处刚格 曰24 网格h f i g24 m e s ho f t h ec o m p u t a t i o n a l d o m a i n 为了便于研究，对光滑蛇形翅片单排管物理模型作如f 简化假设： ( 1 ) 计算区域中的换热与流动是稳忐的： ( 2 ) 计算区域中的空气为不可压缩气体； ( 3 ) 不考虑扁管和翅片的辐射换热； ( 4 ) 扁管和翅片的导热系数为常数； ( 5 ) 流体在固体壁面上无滑移； ( 6 ) 忽略扁管轴向导热影响。 针对光滑蛇形翅片单排管气侧的换热和流动计算，采用r n g 女一5 湍流模型进 r 模拟，备拄制方程f 写成如下形式”： 连续性方程： 丝+ 笠+ 塑：o( 21 ) 曲却出 光滑蛇形翅片管流动和换热数值模拟 动量万程： p ( 万罢+ 可雾+ 访暑) = 一鲁+ 昙( i j 一矿) + 品( 。一p 刀) + 丢( k 一尸丽) + 以 p ( 厅瓦0 7 + 可雾+ 话暑 ：一骞+ 旦o 。x f x 乙一p 刀) + 南( 。一p v , - - 7 ) + 尝( 。一五万) + 哆 q 。2 p ( 万罢+ 矿雾+ 谛暑 = 一鲁+ 丢( 乙一户而) + 导( t p 而) + 妄( 乙一p ) + 以 能量方程： 膨p 譬+ 可雾+ 访罢) = 丢( 五薯一厕矛 + 昙( 五雩一面矛) + 毫( a 西0 t 一厕行 + 谚c 2 一s ， 湍动能方程： 昙( 鹏七) = 兰【( + 一g , ，_ o k 】+ q 一胪 ( 2 4 v “i “j uk u “j 湍动能耗散率方程： a - - - - ( ：u , 占) = 导【( + 譬，妻】+ c l ；善嚷一c 2 。p 譬 ( 2 5 ) v io x io so x i k “ 托 后和s 的定义： 后：三万乃葡i ( 2 6 a ) 一 ( 2 - 6 b ) 上述式中，户一空气密度，k g m 。3 ；坼一石f ；疗nn i n n n n ，= 一u l + u i ，m s 。 z ，一直角坐标的三个轴坐标，f 分别代表z ，y ，z 方向；p 一空气压力，p = 万+ p ， p a ；五为流体的导热系数，w 1 3 1 k 一；c 口一比热容，j k g 一k ；一流体动 力粘度，k g m s ；以一湍动粘度，k g m s 一，4 = 巴p k 2 占；k 一湍流脉动 动能，m 2 s 之；s 一湍流粘性耗散率，k g i n s 一；o k 一湍流动能的p r a n d t l 数5 一湍流粘性耗散率的p r a n d t l 数；c l ，c 2 。，巳为一些经验系数。r n g k - 双方 程模型中各参数按表2 2 取值。 表2 2r n g k 一占双方程各参数值 t a b l e2 2p a r a m e t e ro f r n 6k 一占 c l 。g 。巳o k o 1 4 21 6 80 0 0 8 50 7 1 7 90 7 1 7 9 数值模拟采用有限体积法，各方程离散均采用二阶迎风格式，压力一速度耦 1 3 北京交通人学硕十学位论文 合使用s i m p l e 算法。在受壁面限制的流动中，因为壁面附近流场变化梯度大， 所以壁面对湍流计算的影响很大。在f l u e t n 湍流模型中假定湍流各向同性的， 因此要在壁面进行特殊处理。处理的方法是用半