（热能工程专业论文）大型电站直接空冷凝汽器传热性能实验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 目前，在我国富煤缺水的中西部地区大量投入了大容量直接空冷机组。本文针 对这些机组的实际运行条件，对直接空冷系统的空冷岛进行了分析，在翅片单管、 翅片管束和凝汽器单元三个层次上进行了传热性能的实验研究和实验设计，并分别 进行了翅片管以及翅片管束流动和传热性能的风洞实验。针对垂直和倾斜两种实验 段布置方式，得到了矩形翅片椭圆钢管单管的努谢尔特数n u 随雷诺数r p 的变化曲 线，并拟合了相应的准则关联式；利用模化的椭圆翅片椭圆管双排管束，得出了不 同风机频率下，沿椭圆管主轴风速分布曲线，以及风速对后部旋流区的影响。最后， 对空冷岛凝汽器单元实验系统进行了相似计算，得到了实验系统中蒸汽量、空气量 和迎风面面积等主要设计参数。 关键词：直接空冷；凝汽器；传热性能 a b s t r a c t m a n yl a r g e s c a l ed i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e ru n i t sh a v eb e e np u ti n t os e r v i c ei nt h e m i d d l e - w e s tr e g i o no fc h i n aw h i c hi sa b u n d a n ti nc o a la n ds h o r to fw a t e r i nt h i sp a p e r , t h e d i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e rs y s t e mw a sa n a l y z e db a s e do nt h ep r a c t i c a lr u n n i n gc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so ft h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew e r ep r e s e n t e df o rf i n n e dt u b e ， f i n - t u b eb a n ka n dc o n d e n s e ru n i tr e s p e c t i v e l ya n dt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t si n t h ew i n dt u n n e l sw e r ep e r f o r m e df o rf i n n e dt u b ea n df i n - t u b eb a n k t h ev a r i a t i o n so f n uw i t h r ef o rr e c t a n g u l a rf u m e d e l l i p t i ct u b ei nv e r t i c a la n di n c l i n e dc o n f i g u r a t i o n sw e r ep r e s e n t e d a n dt h ec o r r e l a t i o ne x p r e s s i o nw a so b t a i n e d t h ew i n ds p e e dp r o f i l ea l o n gt h en l a i na x i so f t h ee l l i p t i ct u b ea n dt h ei n f l u e n c eo fw i n ds p e e do nt h eb a c kv o r t i c e sr e g i o nw e r eo b t a i n e da t d i f f e r e n tf r e q u e n c i e so ft h ef a nf o rt h ee x p e r i m e n t so fd o u b l er o w e l l i r t i cf i n n e de l l i p t i ct u b e b a n k f i n a l l y , t h es i m i l a r i t yc a l c u l a t i o nw a sp r e s e n t e da n dt h em a i np a r a m e t e r ss u c ha st h e f l o wr a t e so fs t e 8 1 t ia n da i rw e r ec a l c u l a t e d k e yw o r d s ：d i r e c ta i r c o o l e d ，c o n d e n s e r ，h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e f e n gl i l i ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy o n g p i n g & d ux i a o z e 华北电力大学硕士学位论文 摘要 目前，在我国富煤缺水的中西部地区大量投入了大容量直接空冷机组。本文针 对这些机组的实际运行条件，对直接空冷系统的空冷岛进行了分析，在翅片单管、 翅片管束和凝汽器单元三个层次上进行了传热性能的实验研究和实验设计，并分别 进行了翅片管以及翅片管束流动和传热性能的风洞实验。针对垂直和倾斜两种实验 段布置方式，得到了矩形翅片椭圆钢管单管的努谢尔特数n u 随雷诺数r p 的变化曲 线，并拟合了相应的准则关联式；利用模化的椭圆翅片椭圆管双排管束，得出了不 同风机频率下，沿椭圆管主轴风速分布曲线，以及风速对后部旋流区的影响。最后， 对空冷岛凝汽器单元实验系统进行了相似计算，得到了实验系统中蒸汽量、空气量 和迎风面面积等主要设计参数。 关键词：直接空冷；凝汽器；传热性能 a b s t r a c t m a n yl a r g e s c a l ed i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e ru n i t sh a v eb e e np u ti n t os e r v i c ei nt h e m i d d l e - w e s tr e g i o no fc h i n aw h i c hi sa b u n d a n ti nc o a la n ds h o r to fw a t e r i nt h i sp a p e r , t h e d i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e rs y s t e mw a sa n a l y z e db a s e do nt h ep r a c t i c a lr u n n i n gc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so ft h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew e r ep r e s e n t e df o rf i n n e dt u b e ， f i n - t u b eb a n ka n dc o n d e n s e ru n i tr e s p e c t i v e l ya n dt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t si n t h ew i n dt u n n e l sw e r ep e r f o r m e df o rf i n n e dt u b ea n df i n - t u b eb a n k t h ev a r i a t i o n so f n uw i t h r ef o rr e c t a n g u l a rf u m e d e l l i p t i ct u b ei nv e r t i c a la n di n c l i n e dc o n f i g u r a t i o n sw e r ep r e s e n t e d a n dt h ec o r r e l a t i o ne x p r e s s i o nw a so b t a i n e d t h ew i n ds p e e dp r o f i l ea l o n gt h en l a i na x i so f t h ee l l i p t i ct u b ea n dt h ei n f l u e n c eo fw i n ds p e e do nt h eb a c kv o r t i c e sr e g i o nw e r eo b t a i n e da t d i f f e r e n tf r e q u e n c i e so ft h ef a nf o rt h ee x p e r i m e n t so fd o u b l er o w e l l i r t i cf i n n e de l l i p t i ct u b e b a n k f i n a l l y , t h es i m i l a r i t yc a l c u l a t i o nw a sp r e s e n t e da n dt h em a i np a r a m e t e r ss u c ha st h e f l o wr a t e so fs t e 8 1 t ia n da i rw e r ec a l c u l a t e d k e yw o r d s ：d i r e c ta i r c o o l e d ，c o n d e n s e r ，h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e f e n gl i l i ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a n gy o n g p i n g & d ux i a o z e 主要符号表 面积，m 2 ； 椭圆管的长轴，m ； 椭圆管的短轴，m ； 实际空气比热，j ( k g k ) ： 当量直径，m ； 热流量，w ； 直接空冷凝汽装置的初始温差，； 总传热系数，w ( m2 - k ) ； 散热器的特征尺寸，m ； 质量流量，k g s ； 体积流量，m 3 s ； 传热单元数； 单位管长翅片数； 温度，； 来流空气的速度，m s ； 实际温度变化，； 实际散热器效能； 空气的导热系数，w ( m k ) 空气的运动粘度，m 2 s ： 空气密度，k g m 3 ； 下角标 l 进口 2出口 a 空气 c凝汽器 e x p 实验系统 ， 翅片 r 光管 v 蒸汽 y 迎风面 1 v ) y 4 盯6 c d q优置，m v 胛 o， “ g z y p 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型电站直接空冷凝汽器传热性 能实验研究，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： 墼垒 1 3 期：型! ：! ：! 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： 日期： 锄知 卅、； 导师签名： 日期： 必 彳； 兰j ! 皇垄查堂堡主主堡笙墨 第一章绪论 1 1 研究背景 由于在富煤缺水地区存在巨大的节水优势，过去6 0 多年中，火电厂直接空冷 系统得到了广泛的应用【l 】。目前，直接空冷技术的应用范围已经从火电机组扩大到 燃气一蒸汽联合循环电站、垃圾电站、工业企业自备电站等。 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匮乏的问题， 在目前新建的火电机组中，具有巨大节水潜力的直接空冷机组将占有相当大的比 例。在可以预见的将来，我国火力发电机组中，直接空冷技术的应用水平和规模都将 处于世界前列。我国空冷技术的大规模应用开始于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，目前在建的单机容量1 3 5 m w 及以上的直接空冷电站共3 1 家，总装 机容量约2 8 8 1 0 m w ；已投产2 6 台，装机容量9 0 7 0 m w l 2 j 。 直接空冷技术在我国的应用还主要以引进国外技术为主，尚没有针对我国国情 的成熟设计方案可供借鉴，运行经验也比较欠缺。目前在我国中西部地区正在运营 的直接空冷机组单机容量已经达到6 0 0 m w ，由于当地大气、气候条件和国外存在 差别，运行中存在明显的积灰和真空低等问题，另外，夏季高温能否保证设计考核 点的满发、环境风对机组背压的剧烈影响，以及冬季低温条件下能否有效防冻等都 是直接空冷机组大规模投运后面临的关键技术问题，直接关系到机组的安全、经济 和高效运行。 直接空冷凝汽器是直接空冷系统的核心传热元件。根据我国中西部地区实际的 自然和气候条件，对翅片管、管束以及凝汽器单元的传热性能进行系统研究，开发 传热系数高、流动阻力小、具有优良的防冻和抗污染特性的凝汽器系统，将是我国 直接空冷系统应用和运行技术走向成熟的重要因素之一。 1 2 直接空冷系统的研究现状 直接空冷的凝汽设备称为空冷凝汽器( a i r c o o l e dc o n d e n s e ra c c ) 。空冷凝汽 器主要由外表面镀锌的椭圆钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成的，这些管束以 顶角约6 0 。的“人”形式布置在空冷平台，若干个管束组成一个凝汽器单元，每个 单元下布置一台大直径的轴流风机。整个空冷岛布置在汽机房顶或者汽机房外a 列 的高架平台上，对于6 0 0 m w 机组的空冷岛通常布置为8 列6 行、7 行或8 行单元 数，散热单元总数分别为4 8 、5 6 、6 4 个。 对于直接空冷系统，由于其空冷凝汽器在室外露天布置，而且有轴流风机强制 通风，这就使得直接空冷凝汽器系统与外界环境的变化密切相关，比如环境温度、 华北电力大学硕士学位论文 环境风等的影响。在外界温度较低的情况下，会使管束和凝结水管变形，严重时会 将管子冻裂，造成相关的设备停运；由于有空冷风机强制通风，从热空气出口到冷 空气入口之间，会产生局部热空气再循环。热空气再循环与直接空冷凝汽器的几何 参数有关，也与外部风速、风向等有关。热空气再循环会严重影响直接空冷凝汽器 的效率，特别是在炎热的夏天，这些外界因素的影响都直接影响着汽轮机的出力， 最主要的反映在汽轮机背压的高低上。一旦背压超出设计范围，就必须降低汽轮机 的出力。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 等粘在翅片管、风筒上，使空冷凝汽器翅片管的翅片间隙减小，甚至堵塞，同时空 气通道采用错位布景，污垢难以冲洗干净，严重影响了空冷凝汽器的通风能力，散 热能力降低导致排汽背压升高，严重影响汽轮机出力。 1 2 2 椭圆翅片管实验研究的文献综述 矩形翅片椭圆管是冷却系统的冷却核心元件，是进一步提高换热性能和减少流 动阻力的关键。由于空气的热容较小，空气侧的传热系数远小于管内相变流体的传 热系数，因此使得电站直接空冷凝汽器的体积庞大，金属消耗多，设备投资比较大。 通过对其空气侧进行强化传热减小其热阻，则能够减小空冷凝汽器的体积和降低能 耗。强化传热主要是对空气侧的流动与换热特性进行研究，针对于大型电站的凝汽 器核心元件一翅片管的研究相对较少。 当前，电站使用的冷却元件有四种，即：( 1 ) 铝管套铝翅片，主要用于海勒式 间接空冷系统；( 2 ) 热浸镀锌椭圆钢管( 3 6 m m 1 4 r a m ) 套矩形翅片，用于表面式 间接空冷系统；( 3 ) 热浸镀锌大直径椭圆钢管( 1 0 0 m m 2 0 m m ) 套矩形翅片，用于 直接空冷；( 4 ) 大直径扁管蛇形翅片，用于直接空冷。经实践表明，热浸镀锌矩 形翅片大直径椭圆管两排管具有良好的热工和防冻性能，得到成功的应用。 国内外学者通过实验和数值模拟的方法对影响翅片管流动与换热特性的主要 因素如r p 、翅片间距、翅片尺寸等进行了研究。文献【3 】采用质热比拟技术，应用带 扰流孔的矩形翅片椭圆管，对其翅片表面的局部和平均传质系数进行实验研究，确 定了翅片表面局部传质系数，揭示了翅片表面气流的流动和对流换热机理，以及扰 流孔对单排管翅片表面换热的影响。结果表明：在一定参数下，增加扰流孔数可使 换热强化，但中间位置的扰流孔对换热的作用不大；文献【4 1 采用基管直径6 0 m m 的 圆铝管，外套边长1 9 5 m m x l 9 5 m m 、厚0 5 m m 的钢翅片为模型，用有限差分法在翅 片表面划分节点，通过实验测量获得：气流速度4 5 m s 时各节点处离散的表面温度 分布及气流温度分布；与圆管相比，里流线型的椭圆管更有利于增强传热和减少流 阻1 5 j ，文献【5 ，6 】比较了不同长短轴之比的椭圆管的换热性能，发现换热系数与长短 轴之比和r e 有关。m s s o h a l ，和j e o b r i e n 用椭圆管代替圆管并对在翅片管上增加 扰流孔进行了试验研究，依据其设计参数，传热系数提高了2 5 3 5 【”。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 3 椭圆管管束实验研究的文献综述 文献f 8 ，1 1 在风洞实验台上，对椭圆管矩形翅片管束和圆管圆形翅片管束进行 了对比性实验，归纳出了换热与阻力的无因次经验公式。对于管内蒸汽冷凝、管外 空气横掠管束的工况，矩形翅片椭圆管具有较优的换热与阻力性能；文献驯用钢制 小管径椭圆管矩形翅片的散热器元件( 四排管双流程，山西电力设备厂制造) 进行 了风洞试验，研究进风角度对散热器传热、阻力特性的影响，得出：进风角度增加， 对传热系数的影响不显著，而且随风速的增大，进风角度对传热系数的影响愈来愈 小。进风角度对气流阻力影响较大，在风速相同的条件下进风角度越大，气流阻力 越大，在进风角度相同的条件下，迎风面风速愈大，气流阻力也愈大；商延福等【l o j 运用椭圆管尺寸3 6 r a m 1 4 m m ，翅片2 6 m m x 5 5 m m x 0 2 3 m m ，翅片间距2 5 m m ，管 排数为5 的矩形翅片椭圆管簇小样进行了试验研究，通过对小样放热及阻力的试验， 得出不同迎风面风速下的放热性能及空气侧阻力性能的关系：文献1 12 j 用质热比拟技 术，对矩形翅片椭圆管翅片表面的局部和平均传质系数进行实验研究，由翅片表面 局部传质系数的测量可以看出，管排数对翅片表面尾部回流旋涡区面积影响较大； 文献【l3 j 对空气横掠顺排椭圆管束的换熟及流阻特性进行了实验研究，讨论了放热系 数对沿管束纵向及横向的分布规律，以及平均阻力系数随管束总排数的变化关系， 并得出计算顺排椭圆管束放热系数及阻力的实验关联式，结果表明：顺排椭圆管束 的管外放热系数略低于相应的叉排椭圆管束及圆管管束，但前者的阻力却比后两者 低的多；文献1 1 4 1 是使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比较研究，得到空冷器空气侧的传热与阻力性能，在相 同的迎风面流速下，椭圆翅片管空气侧的传热系数约是圆翅片管的3 7 倍，在相同 的换热系数下，椭圆翅片管的压降低于圆翅片管的压降：而文献【l5 】则把实验数据和 数值模拟的数据进行比较，也得出椭圆翅片管束的换热系数要高于圆管翅片管束的 3 5 5 0 ，其压降也仅是圆管翅片管束的2 5 3 0 ，并且数值模拟的数据与实验 数据相吻合。文献【l6 l 则进一步从场协同原理的角度揭示了r p 和翅片间距对翅片管 的速度场和温度场产生的影响。场的协同性随月p 的增加变差，即换热随流速而增 长的程度减弱；翅片间距偏离最佳间距越大，速度与温度梯度的夹角则越大，场的 协同性越差；管排数越少，场的协同性越好，当管排数大于3 排时，速度与温度夹 角的平均值及速度的模与温度梯度的乘积均趋于常数。r i c a r d o 1 借助流场可视化技 术和数值方法对平板间的绕圆柱的流动与换热问题进行了研究，发现翅片间距对流 动与传热性能有不同的影响趋势，在管子的上游，较小间距时的翅片相互影响能够 抑制漩涡的产生，间距的进一步增大则漩涡出现；在管子的下游则主要是尾迹的影 响。翅片间距对平均n u s s e l t 和压降的影响最大；翅片间距很小则压降很大，翅片问 距越大则对换热的影响越小；同时发现提高r e 的效果和增大翅片间距对强化换热 华北电力大学硕士学位论文 的效果是相似的。m o n 等【捕1 通过数值进一步证实了翅片间距对椭圆翅片管换热的影 响主要取决于翅片表面附近边界层的发展。 1 2 4 凝汽器单元及其空冷岛研究的文献综述 有关空冷系统受风影响的研究，文献【1 9 】表明，仅德国进行过类似的风洞模拟实 验。北京大学2 0 0 1 年完成了“大同一电厂空冷系统风效应风洞模拟实验”，目前，在 国内还没有其他单位进行过类似的实验，并于2 0 0 3 年又完成了内蒙托克托电厂三、 四期工程系统风洞模拟实验f 2 0 】。v a ns t a d e n 等【2 l 】则通过数学模型的建立，模拟了周 围环境对电站直接空冷系统运行的影响，应用s t a r c d 程序使得计算模块化，文 中程序分为环境气温计算模块、风机性能计算模块、传热计算模块、汽轮机性能 计算模块和包括风机、平台、管束的传热与空气流动计算模块的五个模块。 1 3 本论文的主要工作 直接空冷技术的发展主要是围绕直接空冷凝汽器进行的。而凝汽器外空气侧的 流动与换热会直接影响换热性能，进而影响电厂机组运行的经济性、安全性。在已 有的关于椭圆翅片管以及椭圆管管束的文献中，关于椭圆翅片管和管束的实验研究 主要侧熏于不同尺寸的小直径椭圆翅片管空气侧的传热强化的研究，对于翅片管束 的研究主要是三排以上的多排管的传热与流动特性的研究，而针对于电站凝汽器的 相关翅片管以及双排管束的报道非常少，因此深入了解电站椭圆翅片管、翅片管管 束以及凝汽器单元空气侧的流动与传热特性，是进一步提高空冷凝汽器的换热性 能、降低轴流风机功耗的基础。关于凝汽器单元相似模型的研究计算也没有相关的 文献资料。 本论文针对大型电站直接空冷凝汽器单元的核心元件一翅片管以及翅片管束进 行了风洞实验，并按照传热学的相似分析理论对所设计的空冷岛凝汽器单元进行了 设计计算。 论文工作的展开按照以下三部分进行： 1 、在风洞实验台上对椭圆钢管矩形翅片单管进行换热性能实验，通过实验测 量和分析计算，拟合得出无因次准则数之间的实验关联式，分析这些参数间的依变 关系； 2 、运用椭圆管椭圆翅片双排管为实验元件在风洞中实验，按照直接空冷凝汽 器单元的“a ”型实际布置形式，通过实验测定分析管束轴向风速的变化分布规律： 3 、运用相似原理分析，对目前6 0 0 m w 级机组的凝汽器单元进行实验系统的设 计计算，在给定特征尺寸的情况下，计算空冷岛凝汽器单元传热性能实验系统所需 的设计参数。 4 华北电力大学硕十学位论文 第二章矩形翅片椭圆管的传热性能 2 1 实验目的 电站直接空冷系统的凝汽器单元的凝结能力主要与其核心元件一矩形翅片椭圆 管的散热能力有关，本章针对应用于电站的矩形翅片椭圆管进行了传热性能的测 试。 对某厂提供的直接空冷系统所应用的大直径椭圆管矩形翅片，在风洞实验段内 进行传热性能测试，其椭圆管长轴为1 0 0 m m ，短轴为2 0 m m ，壁厚1 5 m m ，矩形翅 片长1 2 0 m m ，宽5 0 m m ，片厚o 3 5 m m ，翅片间距4 m m 。通过传热性能的测试得出 努谢尔特数n u 随雷诺数r 口变化的关系曲线，并拟合努谢尔特数n u 随雷诺数r p 变化的关系准则式。 2 2 实验装置 本章内容的实验都是在吸风式风洞内进行，以空气作为工质，实验装置见图 2 - 1 ，包括进气段、整流段、稳定段、实验段、收缩段、变频引风机等，空气自进 气整流段进入实验段，最终通过引风机排入大气。 除变频引风机之外所有的实验装置段都由有机玻璃构成，便于观察。整流段内 设有整流格栅，可保证进入实验段时空气流速和湍流强度的分布是均匀的。 用电阻丝给椭圆钢管加热，实现椭圆管内部的等热流密度。在翅片表面和椭圆 管基管上焊接热电偶，测量翅片表面和基管的温度，通过a g i l e n t3 4 9 7 0 a 数据采集 器进行温度的数据采集，最后得出基管的平均温度值；用型号为v t 5 0 的热球风速仪 进行实验管前后风速和温度的测量，得出实验管前的平均风速，即为迎风面风速， 平均温度即为来流空气的温度值。实验件布置在长8 5 0 m m ，宽8 0 r a m ，高2 9 0 m m 的 有机玻璃试验段中进行实验测试。 进 气 段 图2 1 实验装置 煅与 产，1 j 严、 一r 一 段 峄h_，【 孙讦邑， 华北电力大学硕士学位论文 2 3 实验件的安装 针对某厂提供的直接空冷系统所应用的大直径椭圆管矩形翅片，在风洞实验段 内进行传热性能测试，其椭圆管长轴为1 0 0 m m ，短轴为2 0 m m ，壁厚1 5 m m ，矩形 翅片长1 2 0 m m ，宽5 0 m m ，片厚o 3 5 m m ，翅片间距4 m m 。椭圆基管长5 0 0 m m ，居 中加翅片2 9 0 m m 管长的椭圆钢管矩形翅片，此实验件垂直于地面布置在实验段内， 如图2 2 所示： 空气温度测孔 图2 - 2 垂直布置的矩形翅片椭圆管 在风洞实验段内进行传热性能测试，其椭圆管长轴为l o o m m ，短轴为2 0 m m ， 壁厚1 5 m m ，矩形翅片长1 2 0 m m ，宽5 0 m m ，片厚0 3 5 m m ，翅片间距4 m m 。其椭 圆基管长8 0 0 r a m ，居中加翅片3 2 8 m m 管长的椭圆钢管矩形翅片。此实验管件在实 验段中以与水平地面成3 0 0 角倾斜布置。此布置形式是为了模拟实际电厂直接空冷 凝汽器单元“a ”型凝汽器的实际布置形式。实验件的布置如图2 3 所示： 空气温 度测孔 图2 - 3 倾斜布置的矩形翅片椭圆管 6 一 华北电力大学硕士学位论文 2 4 平均换热系数 空气侧在管壁平均温度下的平均换热系数按如下公式进行计算： k ：旦 ( 2 1 ) 式中：f - 一管的外表面积，为光管面积+ 肋片面积； 卜对数换热温差，其中管壁温度为管壁面的平均壁面温度； q 空气的热流量。 2 5 定性参数及无因次准则数 根据矩形翅片椭圆管的特殊性，其特征尺寸的计算如下式 厅f ，：攀；实验段进、出口平均空气温度为空气的定性温度；以最小截 面处流速作为计算速度，以管外表面积为计算传热面积，即可根据测量结果，可计 算出r e 、n u 表征气体流动、管放热的无因次准则数。 雷诺准则数r p ：丝，v 为空气的运动粘度； 努谢尔特准则数m ：型，九为空气的导热系数。 2 6 实验数据表 按照实验件在实验段内的两种布置形式的出以下的实验数据：垂直布置的实验 数据如表2 - 1 所示，倾斜布置的实验数据如表2 - 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 1矩形翅片椭圆管垂直布置的实验数据 风速( m s ) 09 7 519 9 33 0 1 340 2 75 2 1 360 2 77 08 2 0 78 9 4 71 0 4 4 专著罗平均温度 5 52 95 0 2 14 59 54 35 64 1 8 14 0 6 74 0 0 03 9 0 93 88 83 8 _ 2 l 毒害 气的温度 3 21 13 2 1 13 22 73 22 83 2 2 13 2 1 53 2 3 33 21 9 3 23 13 2 3 5 鼍善) 2 3 1 81 8 l 1 3 6 81 1 2 89 685 276 769 6 5 75 8 6 孳婴孥片传热面积 o5 8 4 o 5 8 4o5 8 4o 5 8 4o 5 8 4o 5 8 4o 5 8 4o 5 8 40 5 8 40 5 8 4 专熙加热量 2 8 9 9 6 82 8 9 9 6 82 8 9 9 6 8 2 8 9 9 6 82 8 9 9 6 82 8 9 t 9 6 82 8 9 9 6 82 8 9 9 6 8 2 8 9 9 6 82 8 9 9 6 8 黧系数m 2 k ) 2 1 4 2 62 7 4 3 73 6 3 1 64 40 2 45 1 7 1 65 8 2 96 48 0 3 7 4 1 37 5 5 7 88 4 7 0 6 当量直径( m ) 00 6 2 o0 6 2o0 6 20 0 6 20 0 6 20 0 6 2 0 0 6 2o0 6 2o 0 6 20 0 6 2 专! 产气温度 ，s s s t 。8 6 s - 。s s ，一8 6 ，- 。8 6 。，。s s ，- 8 6 ，。8 6 ，t 一s s ，一a s e 专需驾案舅s 1 6 2 0 2 81 6 2 0 2 81 62 0 2 81 6 2 0 2 81 6 2 0 2 8 1 6 2 0 2 81 6 2 0 2 81 62 0 2 81 6 2 0 2 81 6 2 0 2 8 雷诺数r e3 7 3 0 8 37 6 2 6 21 1 5 1 8 315 3 9 40 1 9 9 3 6 42 3 0 5 682 6 7 5 0 53 1 3 9 0 2 3 4 1 9 513 9 8 9 18 端璺茅系数。0 0 2 6 9 0 0 2 6 90 0 2 6 90 0 2 6 9 0 0 2 6 90 0 2 6 90 0 2 6 90 0 2 6 9 0 0 2 6 90 0 2 6 9 努谢尔特数n u4 2 8 0 55 4 8 1 3 7 2 5 1 28 7 9 0 11 0 3 2 8 51 1 6 4 3 7 1 2 9 3 6 91 4 80 6 815 08 8 91 6 9 0 8 9 表2 - 2 矩形翅片椭圆管倾斜布置的实验数据 譬善s ) ”724 9 3 3 84 3 65 2 46 3 3 7 5 58 5 19 8 1 0 5 9 专著宇气的温度 3 1 7 43 1 9 2 3 1 8 53 1 8 43 1 7 63 1 7 5 3 1 6 63 1 6 73 l63 1 5 l 专著， z - 坻z ，h 3 9 z 粥o 8 0 ，3 2 叭o，s z，o sss 。 鼍辫片传热面积0 7 6 3 ”6 3 ”6 3 0 7 6 30 7 6 30 7 6 3 ”6 3 0 7 6 30 7 6 3 0 7 6 3 专嬲加热量 z ，。瑚- z ，。3 8 t ：，3 8 - ：，。m t ：，。瑚，z 9 。，s - ：3 8 ：，s ，z 。s t ：，。s 。 传w 热( 系m 2 数, k 、 1 7 9 3 2 3 6 92 6 83 0 9 73 57 2 4 1 3 94 5 9 15 1 2 75 46 65 6 12 i 挈径 0 0 6 2 0 0 6 20 0 6 20 0 6 20 0 6 2 0 0 6 20 0 6 20 0 6 20 0 6 2 0 0 6 2 k mj ” 专! 宇气温度 3 l7 2 7 3 17 2 73 1 7 2 73 1 7 2 7 3 1 7 2 73 1 7 2 73 1 7 2 73 l7 2 7 3 1 7 2 73j 7 2 7 运动粘度u ( 1 0 。6 ) m 2 8 雷诺数r e 1 6 1 6 5 8 4 8 6 6 9 61 6 5 81 6 1 6 5 81 6 1 6 5 8 1 6 1 6 5 81 6 1 6 5 81 6 1 6 5 8 1 6 1 6 5 81 61 6 5 81 6 1 6 5 8 9 5 3 0 6 1 2 9 5 4 1 6 7 0 2 52 0 0 7 7 62 4 2 7 72 2 8 9 5 6 23 2 6 3 803 7 5 6 6 3 4 0 5 9 62 篙警铲系数。0 0 2 6 8 6 0 0 2 6 8 6 。嗡s s0 0 2 6 8 6 0 2s e o o z s s so o ：e s eo o ：s s so o ：s s s o o ：s s e 努谢尔特数n u 3 82 8 45 05 8 2 5 72 1 66 6 1 2 67 6 2 7 6 8 8 3 7 79 8 0 2 31 0 94 7 311 67 0 11 98 2 8 8 兰! ! 皇垄奎堂堡主兰垡堡苎 2 7 实验结果曲线 根据以上两种布簧测试所得实验数据表绘制出以下曲线图： 5 3 5 1 4 9 4 7 4 5 4 3 4 1 3 9 3 7 3 5 j 01 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 r e ( a ) n u 与r e 的关系曲线 p 一 一 1 _ ：一卢 88 599 51 01 0 51 1 l n ( 胸 ( b ) l n ( n u ) 与i n ( r e ) 的关系曲线 图2 4垂直布置时所得关系曲线 根据实验结果所拟合的关联式为：n u = o 0 9 4 r e o7 0 9 。依此公式计算所得风速为 3 r n s 时的传热系数为2 9 8 8 w ( i n 2 k ) 。 9 o o o o o o o o o 姆拍h 化加8 6 4 2 o z 华托电力大学硕士学位论文 f 1 r o1 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 0 r e ( a ) n u 与月8 的关系曲线 9 88 599 51 01 0 5 1 1 1 n ( 删 ( b ) t n ( n u ) 与1 n 僻p ) 的关系曲线 图2 - 5 倾斜布置时所得关系曲线 根据实验结果所拟合的实验关联式为：n u = o 2 1 7 r e o5 9 5 。依此公式计算所得风 速为3 m s 时的传热系数为2 4 5 1w ( m 2 k ) 。 2 8 实验结果分析 分析实验结果，由图2 - 4 、图2 - 5 得出，在r e = 5 0 0 0 4 0 0 0 0 范围之内，矩形翅片 椭圆管的n u 随只p 增大而增大，表明传热系数随着风速的增大而增大，但大到一定 程度后变化的趋势会减缓。这种变化趋势不随矩形翅片椭圆管的布置形式不同而变 i o o o o o 0 0 0 h 他 m 8 6 4 2 ，z 9 7 5 3 l 9 7 5 4 4 4 4 4 3 3 3 喜一li_ 华北电力大学硕士学位论文 化。但是从图2 - 4 ( a ) 和图2 - 5 ( a ) 比较来看，在相同的雷诺数即相同的来流风速下矩 形翅片椭圆管在实验段内垂直布置时的传热系数大于倾斜布置，表明垂直布置的矩 形翅片椭圆管的散热能力大于倾斜布置的矩形翅片椭圆管的散热能力。 2 9 实验误差分析 所有的实验中都存在误差和不确定性，本实验同样存在各种各样的不确定因 素，也同样存在各种各样的误差，所以我们必须设法降低这些误差和不确定度，以 确定实验结果的有效程度。一般地，误差分为粗大误差、系统误差和随机误差。粗 大误差是由于人为错误造成的，所有这种错误都必须剔除。系统误差是由于系统本 身的属性造成的，当实验条件一定时，系统误差就为以恒定值，多次测量的平均值 也不能减弱它的影响。随机误差是不合理的，它的变化不能预先确定，因而不能修 正，但是随机误差具有统计规律性，我们可以对它进行估计。 2 9 1 误差来源分析 ( 1 ) 装置误差：计量装置是为确定被测量的计量器具和辅助设备的总体，装置 误差包括标准器误差( 提供标准量值的器具，如标准电阻) 、仪器误差和附件误差 ( 如接头) ，此外，还有变化性误差，如数据采集板温度升高会产生零点漂移等。 ( 2 ) 环境误差：环境误差是由于各种环境因素与要求的标准状态不一致及其在 空间上的梯度随时间变化引起的测量装置和被测量本身的变化、机构失灵、相互位 置改变等引起的误差。这些因素和温度、湿度、气压、震动、照明( 引起视差) 、 阳光照射、透明度、空气含尘度等有关。环境因素引起的误差常是很重要的误差源。 ( 3 ) 人员误差：测量者生理上的最小分辨力、感觉器官的生理变化、反应速度 和固有习惯引起的误差。如读数时，始终偏左或偏右、偏上或偏下引起的误差。本 实验的部分温差、风速等是用人工进行安装和读数的，存在一定的人员误差。 ( 4 ) 方法误差：方法误差是由于测量方法或计算方法不完善所引起的误差。 这些误差原因比较复杂，常常是各种来源的组合。这些原因大致包括以下几项： 在推导结果测量表达式中没有得到反映，而在测量过程中实际起作用的一些因素引 起的误差；由于知识不足或研究不充分引起方法误差( 如简化不合理，操作实验不 合理等) ；将测量对象按本身规律的变化，有时是我们要研究的，也当作误差来处 理。 2 9 2 误差的分析和处理 对于数据中显然与客观规律相违背的数据认为是含有粗大误差的数据( 如数值 得正负号不对、数据与变化趋势相差太远的数据等) ，这类数据应直接删除或补上 适当的值。 消除系统误差有以下几个基本方法：在测量结果中加入修正值；在实验过程中 1 1 华北电力大学硕士学位论文 消除产生系统误差的因素；在测量过程中选择适当的测量方法，使系统误差抵消， 不致带入结果中。 本实验的系统误差主要是因为数据采集系统的电子元件随温度的升高产生零 点漂移现象。本研究测量了一组零输入时的数据，近似认为他就是各组测量数据中 的零点漂移量，将测得的数据减去对应时间的零点漂移值，就得到了消除了系统误 差的数据。 随机误差是由于很多微小的因素共同作用产生的，使得每次测得的误差以不可 预定的方式变化。这些影响因素引起误差均匀而且交错变化，时大时小，不具有确 定的规律，但从误差的整体来讲具有统计规律。 由于本实验研究的是动态特性，数据在不断的变化，正态分布规律只适用于对 某一固定真值进行的重复测量的情况，不能用于本研究。本研究采用平均移动法来 对实验数据进行平滑化，同时也消除了大部分的随机误差。 2 1 0 本章小结 本章通过矩形翅片椭圆管在实验段内的两种不同靠置形式下测试，对相关参数 的测定，计算得出无因次准则数，努谢尔特数n u 和雷诺数r p ，并拟合了对应布置 形式下的实验关联式。应用实验关联式，计算得出风速为3 m s 的情况下，矩形翅片 椭圆管垂直和倾斜布置时的传热系数分别为2 9 8 8 w ( m 2 k ) 和2 4 5 1w ( m 2 k ) 。 此结果能合理的反映此实验件的换热性能。 1 2 华北屯力大学硕士学位论文 第三章双排椭圆翅片椭圆管束的实验 直接空冷系统的冷却元件所组成的管束从发展的起始阶段到应用经历了三个 阶段，这三个阶段是：( 1 ) 圆管圆翅片四排管；( 2 ) 矩形翅片椭圆管两排管；( 3 ) 单排管。目前国内直接空冷系统大部分所使用的还是两排管矩形翅片椭圆管管束。 3 1 实验目的 目前，国内外所投入使用的直接空冷机组大都是用椭圆管椭圆翅片或者椭圆管 矩形翅片散热器。可见椭圆翅片管作为空冷系统的核心原件之一，对其空气侧空气 的流动及传热性能掌握是非常必要的。 椭圆翅片管散热面面积的多少直接影响空冷机组的经济性，而散热面面积又依 赖于传热学的计算。在传热学的计算过程中必须对空气掠过椭圆翅片管的流场作仔 细的研究分析，因为直接空冷机组的凝汽器在运行中经常会出现热风再回流以及夏 季环境风的影响，这些将直接影响着凝汽器散热效果，进而影响凝汽器内蒸汽凝结 的效率，并进一步的影响机组的安全经济运行，故对目前直接空冷机组凝汽器所使 用的翅片管管束流场的实验研究是很有必要的。本章内容主要是通过双排椭圆翅片 椭圆管在风洞内进行流动实验，得出风机不同频率下沿翅片管束主轴方向风速分布 曲线图等。 3 2 实验系统 本实验是在传热实验风洞内进行的，椭圆管束实验元件是将直接空冷凝汽器单 元所使用的椭圆