（动力机械及工程专业论文）直接空冷凝汽器管外空气流动与换热特性的数值研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文分析研究了电厂直接空冷凝汽器的基本原理和相关传热理论。针对目前电 厂直接空冷凝汽器两种基本形式的换热元件建立了三维物理模型，利用f l u e n t 软件对不同风速和风温条件下的空气侧流动和传热特性进行数值研究，分析了翅片 表面温度场分布，翅片间速度场和静压力场分布；此外，还分析了矩形翅片增设扰 流孔对管外空气流动和换热特性的影响规律，并将模拟数据和实验数据进行综合的 分析比较，得到在一定条件下的实验关联式。同时，在此基础上利用刀- 陌u 法对 空冷凝汽器变工况特性进行分析研究，以上工作不仅具有理论意义，而且还具有工 程应用价值。 关键词：直接空冷凝汽器，换热元件，强化传热，变工况特性 a b s t r a c t t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dr e l a t e dh e a tt r a n s f e rt h e o r yf o rt h ed i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e r w a sa n a l y z e d t h r e e d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e dt or e p r e s e n tt h et w o b a s i cf o r m so fh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n 坞o fa i r - c o o l e dc o n d e n s e ri nc u r r e n tp o w e rp l a n t s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u t , b yu s i n gt h es o f t w a r ef l u e n t , t os t u d yt h e a i r - s i d ef l o wa 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 su n d e rd i f f e r e n tw i n ds p e e da n dt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s f i ns u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l d ，i n t e r - f i nv e l o c i t yf i e l da n ds t a t i cp r e s s u r ef i e l dw e r e a n a l y z e d b e s i d e s ，t os t r e n g t h e nt h ef i nh e a tt r a n s f e r , t h ef l o wa 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 s w i la n dw i t h o u ti n t e r r u p t e dh o l e sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o nw a sp e r f o r m e db e t w e e ns i m u l a t i o nd a t aa n de x p e r i m e n t md a t a t h ec o r r e l a t i o n f u n c t i o nw a sg a i n e do nac e r t a i nc o n d i t i o n m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ev a r y i n g c o n d i t i o np e r f o r m a n c eo fa i r - c o o l e dc o n d e n s e rb yu s i n gt h em e t h o do fr i - n t u ，w h i c hi s b a s e do nn u m e r i c a lr e s u l t t h i sw o r kw i l ln o to n l yh a v et h et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u t a l s ot h ea p p l i c a b l ev a l u ef o re n g i n e e r i n g w a n gz h a o ( 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 y a n gj i a n m e n g k e yw o r d s ：d i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e r , h e a te x c h a n g e re l e m e n t ，e n h a n c e dh e a t t r a n s f e r , v a r y i n gc o n d i t i o np e r f o r m a n c e 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文分析研究了电厂直接空冷凝汽器的基本原理和相关传热理论。针对目前电 厂直接空冷凝汽器两种基本形式的换热元件建立了三维物理模型，利用f l u e n t 软件对不同风速和风温条件下的空气侧流动和传热特性进行数值研究，分析了翅片 表面温度场分布，翅片间速度场和静压力场分布；此外，还分析了矩形翅片增设扰 流孔对管外空气流动和换热特性的影响规律，并将模拟数据和实验数据进行综合的 分析比较，得到在一定条件下的实验关联式。同时，在此基础上利用刀- 陌u 法对 空冷凝汽器变工况特性进行分析研究，以上工作不仅具有理论意义，而且还具有工 程应用价值。 关键词：直接空冷凝汽器，换热元件，强化传热，变工况特性 a b s t r a c t t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dr e l a t e dh e a tt r a n s f e rt h e o r yf o rt h ed i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e r w a sa n a l y z e d t h r e e d i m e n s i o n a lp h y s i c a lm o d e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e dt or e p r e s e n tt h et w o b a s i cf o r m so fh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n 坞o fa i r - c o o l e dc o n d e n s e ri nc u r r e n tp o w e rp l a n t s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u t , b yu s i n gt h es o f t w a r ef l u e n t , t os t u d yt h e a i r - s i d ef l o wa 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 su n d e rd i f f e r e n tw i n ds p e e da n dt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s f i ns u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l d ，i n t e r - f i nv e l o c i t yf i e l da n ds t a t i cp r e s s u r ef i e l dw e r e a n a l y z e d b e s i d e s ，t os t r e n g t h e nt h ef i nh e a tt r a n s f e r , t h ef l o wa 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 s w i la n dw i t h o u ti n t e r r u p t e dh o l e sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o nw a sp e r f o r m e db e t w e e ns i m u l a t i o nd a t aa n de x p e r i m e n t md a t a t h ec o r r e l a t i o n f u n c t i o nw a sg a i n e do nac e r t a i nc o n d i t i o n m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ev a r y i n g c o n d i t i o np e r f o r m a n c eo fa i r - c o o l e dc o n d e n s e rb y u s i n gt h em e t h o do fr i - n t u ，w h i c hi s b a s e do nn u m e r i c a lr e s u l t t h i sw o r kw i l ln o to n l yh a v et h et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u t a l s ot h ea p p l i c a b l ev a l u ef o re n g i n e e r i n g w a n gz h a o ( 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 y a n gj i a n m e n g k e yw o r d s ：d i r e c ta i r - c o o l e dc o n d e n s e r , h e a te x c h a n g e re l e m e n t ，e n h a n c e dh e a t t r a n s f e r , v a r y i n gc o n d i t i o np e r f o r m a n c e 声 一p p j尸 - ：本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文直接空冷凝汽器管外空气流动与换热 特性的数值研究，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。 学位论文作者虢型鲻日期： 关于学位论文使用授权的说明 沙耳 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：出厂民 导师签名：档屯红 日期：竺堕丫 华j 匕电力大学硕+ 学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章引言 近些年来，能源需求的增长也带动了世界各国电力行业的快速发展，无论发达 国家还是发展中国家，都加大了对电力等基础行业投入，兴建了大量火力发电厂， 大容量、高参数汽轮发电机组不断增加，这些机组在燃烧耗用大量煤炭的同时，也 消耗了大量的水资源，因而使水资源的供求矛盾日趋尖锐。况且我国人均淡水资源 仅为1 8 5 6 3 m 3 ，占世界平均水平的四分之一，位于世界第1 1 0 位，现已被联合国列 为1 3 个贫水国之一。我国华北、西北、东北广大地区是煤炭的主要产地，而水资 源相对贫乏，严重影响了电力行业的发展；空冷技术是一项既经济又环保的技术， 与常规水冷却技术相比较，采用空冷技术可节约电厂用水的三分之二，在相同的水 资源下，装机容量可扩大至原来的三倍以上，因此，空冷机组在广大富煤缺水地区， 具有广阔的发展前景【ij 。 从经济效益方面来考虑，以2 x 6 0 0 m w 直接空冷机组运行3 0 年为例进行计算，直 接空冷机组共花费1 0 6 1 5 4 l 元人民币，而国产2 x 6 0 0 m w 湿冷机组却要花费1 5 3 9 2 亿 元人民币。 从环保和社会效益方面来考虑，空冷机组无蒸发汽雾对环境的影响，无循环水 排污对环境的污染，同时节约大量的水资源，减少人类生活与工业用水之间的矛盾， 保持生态平衡，造福子孙后代。此外，电力行业节水对于国家的节水工作具有重要 意义。截止2 0 1 5 年，如果要达到电力行业规划要求的2 5l ( k w h ) 的要求，节水任 务仍然十分艰巨，有很多工作等待我们去做，去研究【2 1 。 正是基于环境保护、生态平衡、节约水资源的考虑，国家电力公司1 9 9 8 年5 月 印发的火力发电厂节约用水的若干意见中明确指出，“计划部门在煤炭丰富且 缺水地区规划火电厂时，要把节水作为一个首要的考虑因素，积极推广应用空冷技 术 【3 1 。 目前，对直接空冷凝汽器的研究涉及到空气动力学、气象学和热力学中的传热 传质等多个学科。此外，直接空冷式凝汽器管外空气流动换热特性直接影响到换热 器的换热特性及整个凝汽器的效率，因此，研究整个凝汽器管外空气流动换热特性 对凝汽器的设计和优化至关重要。当前，强化换热的手段很多，但由于空冷系统是 一个庞大的系统，受众多制约因素( 经济、维护与维修、冬季防冻等) 影响，必然要 求空冷系统采用一种换热性能相对高效、结构简单的换热元件。椭圆管矩形翅片和 大直径扁管焊接蛇型铝翅片是目前直接空冷电厂采用的较好的两种换热元件，其专 华北电力大学硕士学位论文 利持有单位还没有公开其特性参数，所以我们有必要将其国产化。另外，在翅片散 热器内，由于空气流通通道是一个狭短的通道，空气边界层没有达到充分发展阶段， 所以对其流动传热性能的理论分析非常困难f 4 ，5 】。有鉴于此，本文对直接空冷凝汽器 翅片散热器气侧空气流动与换热进行深入的理论分析研究和数值模拟，为进一步开 发传热系数高、流动阻力小、且防冻和抗污染特性好的新型翅片管奠定基础，为直 接空冷凝汽器变工况奠定理论基础，同时也为不同环境、气候和气象条件下机组运 行参数的优化提供依据，将是我国直接空冷技术走向成熟的关键因素之一。 1 2 国内外的研究现状及成果 国外对直接空冷凝汽器的研究起步较早，而且，随着近些年来国际社会对能源 需求的迅猛增加，使得国外空冷凝汽器的研发工作进展顺利，目前南非、德国、比 利时等国家的空冷凝汽器设计、研发技术已经较为成熟。 南非s t e l l e n b o s c h 大学机械工程学院，a e c o n r a d i e 和d qk r o g e r 两位教授 利用s q p 算法( 序列二次规划法) ，对直接空冷系统运行性能的最优化设计进行研究， 主要是对空冷系统的成本和性能指标进行最优化设计，通过应用最优化策略和构建 最优化模型，使得制造商和电厂运营商使用数值计算程序能够建立空冷凝汽器设计 和性能评估指标，并将其应用在经济性的优化分析上，这一优化手段对空冷凝汽器 的设计有一定的指导意义和借鉴价值【6 1 。 另外，s t e l l e n b o s c h 大学的j 。r b r e d e l l 教授通过研究指出空冷凝汽器结构的影 响，指出在a c s c ( 大型空冷凝汽器) 中气流通道的气流扭转会导致风机性能或容积 效率大幅度下降，同时也会引起风机振动，这种现象又会反过来导致a c s c 的换热 效果变差。通过利用计算流体软件f l u e n t 计算流场，从而研究从风机出口到凝汽 器翅片管之间气流通道的空气扭曲效应，从而提出改进方案达到改善a c s c 的散热 效果的目的1 7 j 。 国内高等院校、国家重点实验室及电力行业、化工行业的设计院按照我国“十 五 经济发展趋势与要求，加大了对大型直接空冷凝汽器的设计、研发工作力度， 这些工作对我国大型直接空冷凝汽器早日摆脱依靠国外技术引进的局面起着关键 性的作用。 华北电力大学的杜小泽等对火电厂直接空冷凝汽器传热系数进行了研究。他以 6 0 0 m w 直接空冷机组冷端系统的典型结构为例，实验得出不同工况下直接空冷机 组空冷凝汽器的传热系数，对确定机组冷端的热负荷能力、进而对确定环境条件和 运行参数与机组排汽压力之间的关系具有重要意义，是进行机组优化运行最重要的 基础数据。而且他还根据实验数据得到了凝汽器翅片侧无量纲努塞尔数随空气流动 雷诺数的变化曲线，拟合出相应的准则关联式，并进行了系统的误差分析。该关联 2 华北电力大学硕士学位论文 式可为描述变工况条件下空冷系统的性能奠定基础，并为不同环境、气候和气象条 件下机组运行参数的优化提供依据【8 】。 北京航空航天大学刘沛清，赵万里等人，将空冷凝汽器模型内通恒定温度的热 水构成热循环系统，在低速风洞中首次同时模拟了空气动力学、轴流风机的强迫对 流以及热空气的浮力效应在内的复杂流动与热动力学耦合实验。提出影响空冷凝汽 器散热效果回流率的因素，空冷岛底部平均回流率随着风速的增大而增大，不同风 速的条件下，平均回流率随风向角的变化趋势基本一致，增加挡风墙高度可以降低 平均回流率，并且风墙高度1 4 6 4m 时平均回流率最d x 9 , 1 0 】。 北京交通大学的石磊，华北水利水电学院的张薇对直接空冷机组国产化关键技 术进行了研究。他们指出了直接空冷系统国产化关键技术研发的主要工作要点，其 中包括直接空冷凝汽器全厂流动和传热的数值研究、直接空冷凝汽器换热元件和管 束的研发、空冷系统的优化设计研究和空冷排汽管道的优化设计研究等【4 】。 此外，西安热工研究院的胡三季等人对钢制椭圆管矩形翅片空冷传热元件热力 及阻力性能进行了试验研究】。山西电力科学研究院王佩璋对我国空冷技术发展历 程以及到2 0 1 0 年的空冷技术发展规划进行了分析探讨【1 2 , 1 3 】。这些专家的研究成果 为我国直接空冷技术发展做出了贡献，并且为本课题的研究提供了宝贵参考经验。 1 3 目前研究中尚存在的问题 目前，对空冷凝汽器管外的空气流动与换热特性国内外专家己经研究得较多， 但是还不够完善，特别是在现阶段存在以下几个方面问题： ( 1 ) 由于设计专利的原因，至今针对直接空冷凝汽器翅片散热器空气流动与换 热特性研究仍很少见诸报道。为实现对此技术进行吸收，提炼，继而国产化，有必 要对直接空冷凝汽器管外空气流动与换热特性做进一步研究。 ( 2 ) 翅片管外空气流动与换热特性研究主要采用实验研究和数值研究两种方 法。但实验研究存在一定的缺陷，例如：制作模型既费时又昂贵，测试费用高，周 期长，且针对性较强，实验的参数范围也有限；通常情况下实验模型比实物要小， 使实验存在一定误差；大多测量装置只能测量表面某一处的参数，会对测量结果的 整体分析产生影响。 ( 3 ) 设计上，一般认为空气侧散热器出1 ：3 温度是一致的，但是实际上空气侧散 热器出口空气温度是变化的，研究空气变化规律有助于空冷系统的开发与设计，空 冷凝汽器翅片散热器的流动换热特性是散热器设计和优化的基础。 ( 4 ) 直接空冷凝汽器总传热系数一般是由小型翅片管管束试验求得后在应用时 加以修正得到，由于试验时翅片管长度一般在o 5 m 以下，而实际为1 0 m 级，尺寸 效益明显，如何减少这种尺寸效应，准确的确定总传热系数还需要进一步研究。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 。4 论文的主要工作 本文针对目前国内外凝汽器的发展趋势，对大型直接空冷凝汽器换热元件的传 热理论进行了分析探讨，同时运用数值模拟的方法，研究了两种换热元件管外空气 流动与换热特性，并在此基础上对直接空冷凝汽器的变工况特性进行了分析研究。 本文深入分析了翅片管外空气侧的流动与换热特性，探讨了翅片表面强化换热的措 施，更进一步揭示了大型空冷凝汽器相关影响因素的作用机制，以上工作为不同环 境、气候和气象条件下机组运行参数的优化提供了理论依据。 本文研究内容和工作按照以下几个步骤进行： 首先，对直接空冷凝汽器的相关理论和原理进行了研究，这也是本课题研究的 理论准备部分，它为翅片管外空气流动与换热特性的数值模拟奠定理论基础。 其次，利用f l u e n t 软件对管外空气流动与换热特性进行数值研究，研究主要 包括对目前直接空冷凝汽器常用的换热元件( 蛇形翅片扁平管和矩形翅片椭圆管) 建立三维几何模型和划分网格，接下来通过合理的定义边界条件和选择合适的数学 计算模型，进而得到翅片表面温度场、翅问压力场和速度场分布。 再次，通过对数据的分析比较，找出外界条件变化对翅片管外空气流动与换热 的影响规律，并拟合成一定条件下的实验关联式。此外，为强化翅片表面换热，本 文还分析了带扰流孔的翅片管外空气流动和换热特性。 最后，采用r 一批阿法，对2 0 0 m w 直接空冷凝汽器的变工况特性进行计算，对 汽轮机排汽压力、排汽热负荷、环境温度对凝汽器变工况特性的影响进行分析研究。 通过计算作图，得出不同工况变化下，不同参数之间的变化关系。 4 华北电力大学硕十学位论文 第二章直接空冷凝汽器与相关传热理论 直接空冷系统是指汽轮机排汽直接用空气冷凝，空气与蒸汽间进行热交换，所 需的冷却空气由机械通风方式供应。直接空冷的凝汽设备称为空冷凝汽器，组成空 冷凝汽器的若干管束称为散热器。该系统的冷源是空气，冷却对象是饱和蒸汽。处 于真空状态下的汽轮机排汽通过粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷 却风机使空气流过散热器外表面，将做完功的排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回汽 轮机的回热系统。最后，经汽轮机的抽汽加热后，作为锅炉给水循环使用，其工作 原理如图2 1 所示【1 4 , 1 5 】。 直接空冷凝汽器系统由汽轮机的排汽装置出口至凝结水泵入口范围内的设备和 管道组成。主要包括汽轮机排汽管道和膨胀节、蒸汽分配管及空冷器管束、凝结水 系统、抽真空系统、疏水系统、空气供应系统、钢构架组成的空冷平台、自控系统 和仪表、各种管制件、系统保护设备、清洗系统等装置【1 6 i 引。 卜锅炉；2 一过热器；3 一汽轮机；4 一空冷凝汽器；5 一凝结水泵； 6 一凝结水精处理装置：7 一凝结水升压泵；8 一低压加热器；9 一除氧器； 1 0 - 给水泵；1 l 一高压加热器；1 2 - 汽轮机排气管道；1 3 - 轴流冷却风机； 1 4 _ 立式电动机；1 5 - 凝结水箱；1 6 - 除铁器；1 7 - 发电机 图2 - 1 火电厂直接空冷系统工作原理图 由于直接空冷凝汽器换热元件的结构特点与特性参数直接影响到空冷系统运 行的经济性，因此，本章重点对其结构特点、类型、特性参数以及翅片管的相关传 热理论进行深入的分析探讨。 5 华北电力大学硕士学位论文 2 1 直接空冷凝汽器的技术发展与结构特点 2 1 1 空冷凝汽器技术发展 直接空冷凝汽器技术的开发应用已有约几十年的历史，直接空冷技术的发展主 要是围绕直接空冷凝汽器管束进行的。空冷凝汽器所用的鳍片管基本上是表面镀锌 的椭圆形钢管加钢质鳍片或圆形的钢管加铝鳍片t 1 9 , 2 0 。在直接空冷凝汽器技术发展 初期，由于受加工工艺的限制，鳍片管的内径较小。2 0 世纪6 0 至7 0 年代，直接空冷 技术有所发展，专家们将单管长度设为7 m 左右，把蒸汽侧的压力损失控制在合理范 围之内；为获得足够的换热面积，专家们还将凝汽管束采用两排、三排甚至四排管 片，但是，由于多排组成的管束空气( 蒸汽) 流会产生死区，换热面积不能像单排管 凝汽器那样被1 0 0 n 用；而且多排管空气流动阻力大，其空冷风机必然要多消耗电 能；冬季运行时由于流动不畅导致不可凝气体积聚从而引起凝结水结冰，因此，直 接空冷技术的优越性显得不够突出，其发展和推广也受到了一定制约，基本上都在 单机容量比较小的发电机组上使用【2 1 1 。上世纪8 0 年代初，鳍片管直径由2 5 4 m m 扩大 蛰j 3 8 m m ，单管长度也相应加长到1 0 m ，组成管束的鳍片管排数也相应减少，使得空 冷技术发电机组的单机容量也相应增大1 2 2 1 。 上世纪8 0 年代中期以后，鳍片管直径已经扩大蛰j 5 0 m m 以上，组成管束的鳍片 管减少到只有l 排。这也就是目前普遍使用的具有特殊形状的单排蛇形鳍片管的空 冷凝汽器f 2 引。单排扁管管束与多排管管束相比，有以下优越性：( 1 ) 因为管束两侧 换热面积被充分利用，空冷凝汽器总换热面积减小，因而造价降低；同时也缩短了 制造周期。( 2 ) 空气流动阻力减小，空冷风机电耗降低，因而降低了运行费用，噪 声亦同时降低。( 3 ) 解决了管束内不凝结气体积聚的问题，凝结水流动更加顺畅， 减小了凝结水的过冷度和发生冬季冰冻的危险。( 4 ) 由于重量减轻，支架结构简化， 安装工作量相应减少。( 5 ) 更加紧凑，设备占地面积减少。随着空冷凝汽器技术的 不断发展及其技术和经济方面的优点，为直接空冷系统在大容量机组上的应用奠定 了坚实基础，空冷技术已经在越来越多的国家得到认同和使用。 2 1 2 基本结构 直接空冷凝汽器( a i r c o o l e dc o n d e d s e r a c c ) 采用周围环境空气冷却汽轮机排 气而冷凝成凝结水，风速和风向对其效率的影响很大，因此一般都安装在4 0 m 以上 的高空。直接空冷凝汽器分为若干单元，每个单元由若干组顺流管束和逆流管束组 成，如图2 2 所示。每组管束由组合成a 型的两个管束构成。顺流管束是冷凝蒸汽的 主要部分，可冷凝8 0 左右的蒸汽。在每个单元的下部由一台轴流风机提供所需要 的冷却空气。管束由翅片管组成，目前应用在a c c 上的管束主要由热浸镀锌椭圆管 6 华j er u 力人学硕十 位论文 钢翅片绕椭圆管组成的二排管管束、由两排管的外套艇形制翘片的椭圆形钢管管束 以及由外焊砘铝合金蛇形翅片的单排扁平形制管管束等二种形式“2 。 剧2 - 2 直接卒冷系统结构示意图 22 空冷凝汽器换热元件及其特性参数 翅片管是直接空冷凝汽器中的核心传热元件，它的性能直接影响窄冷凝汽器的 性能和应用。翅片管性能的优劣，直接影响空冷凝汽器的传热效果和变工况运行特 性。事实上，正是由于翅片管性能的不断改进，才使空冷凝汽器得以不断技展。 221 翅片管传热元件的基本要求 般来说，工程实际中除了冷却介质粘性高时采用管内纵向翅片之外，其他型 式的空冷凝汽器均采用管外横向翅片。在进行宅冷凝汽器的设计选型时，可以考虑 将以下几点作为翅片管选型的基本要求【2 8 i ：f 1 1 翅片管有良好的传热性能与盎好 的耐温性能；( 2 ) 耐热冲击力好；( 3 ) 良好的耐腐蚀能力：( 4 ) 易于清理尘垢；( 5 ) 金 属材料易于取得，制造费用尽量低廉；( 6 1 足够的管内耐压能力，较低的管内压降： ( 7 ) 较小的窄气删阻力：( 8 ) 良好的抗机械振动能力：( 9 ) 易于取得的余属材料。 上述备项要求，有的是互相矛盾的，翘片管的最终选择还是耍根掘使用条件， 如所在地区、用途以及工况等柬进行选择。 2 22 翅片管的类型 翅h 管作为传热元件经历了多年的发展和改进其结构参数和传热l 捐有了较 7 华北电力大学硕士学位论文 大改进，且形式多样。早期的国产空冷用翅片管主要有绕片式翅片管、镶嵌式翅片 管、双金属轧片式翅片管等形式。近年来，随着空冷技术在电厂凝汽器方面的应用， ：新型翅片管不断发展，主要有采用三排管结构布置形式的椭圆管套椭圆形翅片的翅 片管，采用两排管布置形式的椭圆管套矩形翅片的翅片管，以及最近开发的采用单 排布置形式的s r c 翅片管 2 2 , 2 9 】。 椭圆管形翅片是德国沿着一条独立的路线发展空冷凝汽器传热元件，由g e a 公司发明，包括中国在内多个国家引进了该公司的技术，用于石化或电力行业领域 中。我国哈尔滨空调厂成功引进并吸收了g e a 技术，已生产出多套用于电厂的空 冷凝汽器【3 0 0 1 1 。 椭圆钢管外套椭圆形翅片或矩形翅片的翅片管，其外表面一般都经过热浸镀锌 处理，以增强对翅片管基体表面的保护，提高翅片管抗腐蚀能力以及传热性能，并 在一定程度上减小间隙热阻对传热的影响。椭圆管与圆管相比，其优点在于：在相 同的截面积下，它的水力学当量直径小，表面积可增大1 5 ；矩形翅片椭圆管采用 短边迎风，迎风面积比较小，截面形状更适合空气流线，因而空冷凝汽器设计更紧 凑，占地面积只有圆管的8 0 ，相对占地可减少2 0 左右；在相同流速下，管外换 热系数可提高约2 5 ，管外压降可减少1 5 2 5 ，翅片效率明显增加，管内换热系 数也较大，管束排列更为紧凑 3 2 , 3 3 。 椭圆翅片管的不足之处是承压能力较低，一般工作不超过5 0 0 k p a ，且维护检修 较困难，造价较高。而双排椭圆翅片管还存在热负荷分配不均和管中存在不凝结气 体及凝结水结冰的危险。 单排扁平翅片管采用大面积扁平状基管钎焊蛇形铝翅片或热浸锌钢翅片，单排 管是适应电厂空冷凝汽器的防冻要求提出的。其优点体现在：( 1 ) 单排管采用扁钢 为基管，具有较大的纵宽比，有利于汽液的分离和防冻，有利于提高蒸汽的入口速 度；( 2 ) 单排管的管内截面面积比两排管大3 3 管内蒸汽压降减少，管内不凝气体 能及时抽出防冻性能好；( 3 ) 单排管适用机械通风和自然通风，有利于降低蒸汽、 空气侧阻力，有利于降低噪音和风机电耗；( 4 ) 单排管相对多排管空气流道内污物 不易沉积，便于清洗、便于查漏、消漏、维护，有利于提高换热效率等；( 5 ) 单排 管较多排( 包括两排) 管运行背压低、经济性好【3 4 1 。 2 2 3 翅片管的特性参数 ( 1 ) 管壁厚度【2 6 1 翅片管基管壁厚根据承压、刚性、腐蚀裕量和材质等因素确定，一般不应小于 2m m ，镶片管壁厚不能小于2 5 m m 。目前国内外电厂空气凝汽器设计和制造领域常 采用椭圆钢管，其壁厚一般为1 5 m m t 3 5 1 。 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 翅化比 翅化比，即z 4 4 0 = ( 爿，l n + 4 妇) 4 0 ，它是指单位长度翅片管外表面积与光管外 表面积之比。此处翅片管外表面积是翅片管所有与空气接触面积的总和，包括翅片 外表面积a f l 。和翅片间翅根的表面积a t u b c 。翅化比受材料和制造工艺条件的限制， 以钢或铝为翅片材料的翅片管翅化比是不同的，前者的翅化比低于后者。 翅化比应根据管内介质换热系数的大小而选定。当管内热阻较大时，应选用较 小的翅化比。此时选用较大的翅化比并不能有效地增强传热，反而会增加制造成本。 随着翅化比的增加，空冷凝汽器单位尺寸的换热面积增加，但制造费用也随之 增加。因此，单位价格的冷却能力将随翅化比而变化。目前应用的翅片管的翅化比 根据应用领域不同，有不同的选用范围。在石油化工领域，实践认为翅化比的最佳 值约1 7 2 8 ，如国产高翅片管的翅化比为2 3 4 ，低翅片管的翅化比为1 7 1 。在电厂 空冷凝汽器内，其椭圆钢翅片管翅化比一般相对较小。管束中管排数的不同，翅化 比也不尽相同。管排数越多，翅化比相对越小，一般在9 1 4 之间变化【3 6 1 。 ( 3 ) 翅片高度及厚度 翅片越高，翅片表面积也会随之增大，传热面积也就越大，但翅片传热效率亦 随之降低。在某一高度之内有效面积和翅片效率增加较快，超过这个高度后有效面 积增加甚微，得不偿失，不利于换热。因而从理论上来说，翅片高度有一最佳值， 应特别注意根据管内流体的换热系数选择翅片高度。当管内换热系数较低时应选取 较低的翅片高度，反之采用高翅片。 翅片厚度主要根据翅片强度、腐蚀裕量、制造工艺和材质等选定。我国常用铝 翅片( 绕片式和镶片式) 与钢翅片( 套片式) ，厚度为0 5 m m 。在大型电厂直接空冷系统 空冷凝汽器中，翅片壁厚多为o 3 m m 或0 3 5 m m 。 ( 4 ) 翅片间距 在其他几何参数相同时，翅片间距的大小将直接影响翅片表面积和空气阻力的 大小。翅片间距的选择取决于管外介质。在大气中工作的空冷凝汽器，翅片间距将 直接影响气流阻力及传热特性。因此，为了减少功率消耗，不宜选用较小的翅片间 距。对于那些管内换热系数低的介质，或易使翅片间积垢堵塞的大气环境，则应选 用较大的翅片间距。目前，国内外大多数工程实际应用中所采用的翅片管，其翅片 间距一般在2 5 m m 5 m m 之间选取。 ( 5 ) 管长 一般来说，翅片管越长越经济。这是因为增加管长可以减少管程数，降低单位 换热面积的造价以及减少占地面积。 电厂空冷凝汽器，管束长度多采用9m ，呈斜顶式“a ”字型布置，管束问夹角 9 华北电力大学硕士学位论文 约为6 0 。左右。管长的选择应与管程数、管排数综合进行考虑。 2 3 换热元件传热理论 由传热学可知，平壁放热只取决于两侧介质换热系数h l 、h 2 的大小，即只取决 于其热阻值l 拐及1 红的大小；而圆筒壁传热的换热系数不仅取决于两侧传热系数h 的大小，而且还与直径d 的大小有关【3 7 , 3 8 1 。可见，在管式热交换器中，当管壁外侧 介质的传热系数远小于管壁内侧介质的传热系数时，传热过程的热阻集中于传热系 数较小的一侧。在电厂空冷凝汽器中，管内饱和蒸汽的换热系数较大，蒸汽的换热 系数h l = ( 2 4 ) x1 0 3w ( m 2 k ) ；而在管壁外侧，空气的换热系数很小，h 2 = 1 1 6 5 8 w ( m 2 k ) ，h i 与h 2 两者可以相差几百倍。为了有效提高空冷凝汽器总传热系数，应 在管壁外侧加装翅片以增大散热面积。 2 3 1 基本传热方程 翅片管单位长度沿半径方向的热量传递，其示意图如图2 3 所示。 图2 - 3 翅片管传热示意图 根据传热学的理论，在翅片管内，热量的传递需要依次经过三个过程，即管内 热流体与管壁内侧之间的对流传热过程；管壁内侧到管壁外侧的导热过程；管壁外 侧和外界冷却介质的热交换过程【3 6 1 。 在管内外流体换热的热平衡计算中，要特别注意流体密度的计算。空气的密度 不仅随温度变化，更与装置的安装地点的标高有关，如不加考虑易引起较大的偏差。 由以上分析可知，翅片管的传热过程可由三个基本方程描述，即： ( 1 ) 基本传热方程： q = 4 k ，埘 1 0 ( 2 - 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 管内传热方程： 9 = 形q ( 石一互) ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 是一般换热器设计中工质在换热器进出口有温差情况下的换热量计算 式。但是在火电厂空冷凝汽器中，翅片管内热流体为饱和蒸汽，放热过程为饱和蒸 汽的凝结放热过程，故传热方程式应为： q = 彬( 。- h )( 2 - 3 ) 管内蒸汽质量流量w i 可按下式计算： 彤= v , 4 p , ( 2 - 4 ) 对于管外的冷流体( 火电厂空冷凝汽器中，管外冷流体即空气) ，其传热方程为： q = w o c p ( f ：一f 1 ) ( 2 - 5 ) 管外空气质量流量w o 计算： r v o = v o a , p ( 2 - 6 ) 以上各式中：q 为传热量，k j ；k 为总传热系数，材( m 2 s k ) ；乙为传热平 均温差；4 为翅片管的管外侧表面积，朋2 ；彬为管内蒸汽质量流量，堙s ；c o 为 管外空气定压比热，杉( 堙k ) ；p 为空气平均密度，堙m 3 ；辟为管内蒸汽密度， 堙掰3 ；i l 为饱和水焓值，k g ；h 为饱和蒸汽焓值，材k g ；五，互为管内流体 进、出e l 温度，；，乞为管外空气进、出1 5 1 温度，。 2 3 2 传热系数 传热系数k 表示在热量传递过程中传热能力的大小。在数值上，它等于冷、热 流体间温压a t = 1 、传热面积么= 1 聊2 时的热流量的值，是表征传热过程强烈程度 的标尺【3 们。传热过程越强，传热系数越大，反之则越小。传热系数的大小不仅取决 于参与传热过程的两种流体的种类，还与传热过程本身有关。对于直接空冷凝汽器， 以翅片面积为基准的总传热系数k 的表达式可由下式表示【2 8 】： i 12 瓦1 鲁w 鲁+ 妄。妻+ 名+ ，：r + 白+ 瓦1 b 7 ， 以上各式中：4 为翅片管的基管外表面面积，m 2 ；4 为翅片管的基管内表面面 积，m 2 ；a 。为以每米管的对数平均直径为准的表面积，r n 2 m ；万为翅片管壁壁厚， 1 l 华北电力大学硕十学位论文 m ；名为管壁导热系数，w ( m k ) ；忽为翅片管内侧流体的传热系数，r v ( m k ) ； 吃为翅片管管外侧冷流体的传热系数，w ( m 2 k ) ；0 ，厂g ，0 ，r e 的意义在下面传热过 程热阻一节中，作详细解释。 2 3 3 传热过程中的热阻 由传热学基本原理可知，在热流体由管内将热量传给管外冷流体的过程中存在 差异，串联的各个环节的传热阻力，其总和构成了传热过程的总传热热阻。 管内热流体经翅片管壁将热量传给管外冷流体，需要克服各种传热热阻，如式 ( 2 7 ) 所示。沿热量传热方向，由翅片管内到管外热阻依次为： ( 1 ) 管内传热热阻， 管内传热热阻是管内流体与翅片管内表面进行对流换热的传热热阻。影响翅片 管内传热热阻的因素主要有蒸汽中不凝性气体的含量、蒸汽流速、管子排数、凝结 表面几何形状等，其中不凝性气体影响最大。不凝性气体层的存在，增加了传递过 程的阻力。如蒸汽中所含空气量为l ( 质量分数) ，则可使表面传热系数降低6 0 ， 后果十分严重f 3 8 】。以翅片管外表面为基准的管内传热热阻为= l 曩( 4 4 ) 。 ( 2 ) 管内污垢热阻倍 换热器在运行过程中，有些流体会析出结晶附着在壁面上，流体中的悬浮物也 会不断沉积在壁面上，这些附着物所产生的热阻，称为污垢热阻。在很多情况下， 污垢热阻在传热总热阻中占有重要比例，不容忽视。污垢热阻的影响因素很多，与 热流体的物性有很大关系。对不同的换热设备和换热流体，污垢热阻一般可通过试 验确定。在没有具体可靠的试验数据时，推荐采用美国t e m a 的数据【3 9 】。 值得注意的是，由文献中所查得的污垢热阻的数据均是对污垢层所附着的表面 而言。因此在传热计算中，应将由表中查得的数据换算到计算表面。以翅片管外表 面为基准的管内污垢热阻为珞4 4 。 ( 3 ) 管壁导热热阻h 管壁导热热阻与翅片管的材料和管壁厚度有关。由传热原理可以推导出以光管 内表面为基准的管壁热阻为0 = 6 2 ( 4 4 ，1 ) 。式中，彳m 是以每米管长的对数平均 直径为基准的表面积，单位为m 2 m ，厶= 石( d ，一o , ) t n ( d , d , ) t 3 0 1 。 ( 4 ) 间隙热阻。 由于翅片管受热后壁面温度升高，使得管外表面和翅片之间存在间隙，形成间 隙热阻，导致传热过程的阻力增加。在高温下，间隙热阻有可能成为总传热热阻中 的一个重要组成部分，并成为限制空冷凝汽器应用范围的主要因素之一。研究表明， 对于国产翅片管，当管内流体温度在1 0 0 c 以下时，管外空气温度往往也较低。此 1 2 华北电力大学硕士学位论文 时间隙热阻很小，一般不超过o 6 8 8 x10 4 ( m 2 k ) w ，与其它热阻相比，可以忽略【3 0 1 。 ( 5 ) 翅片热阻。 翅片热阻是由于翅片的存在而形成的传热阻力。式( 2 7 ) 中，翅片传热热阻 r = l 吃( 彳，- 一r 彳，- ) ( 4 + 7 7 厂彳，) 【圳。可见，r 除了与翅化表面的几何特征有关，还与 翅片效率r f 、外表面介质的复合传热系数见有关。实验表明，外表面介质的复合传 热系数髓变化时，翅片的热阻变化不大。对高翅片管，翅片热阻r e = 0 2 7 5 2 x 10 也 ( m 2 k ) w 左右；对低翅片管，翅片热阻r e = o 1 2 0 4 x 1 0 。3 ( m 2 k ) w 左右【3 5 1 。 ( 6 ) 翅片管外表面污垢热阻么 翅片管外表面污垢热阻是由于空气中的粉尘等污物附着在翅片管外表面而形 成的一种热阻。空冷凝汽器运行一定时间后，如果污垢附着较多，将严重影响空冷 凝汽器的换热效果，因此大多数电厂空冷凝汽器均安装有灰污冲洗装置。如果经常 吹洗，则翅片管外表面污垢热阻在计算时一般可以忽略。但是在环境空气中粉尘含 量较大的地区，则要考虑其影响。对于低翅管，o 一般取0 1 2 5 x 1 0 j ( m 2 - k ) w 。 ( 7 ) 翅片管外表面传热热阻厶 翅片管外表面传热热阻是由于翅片表面与空气进行对流换热而形成的换热阻 力，它是空冷凝汽器设计中最重要的参数，也是空冷凝汽器翅片管束传热特性研究 的核心内容。其数值大小，直接决定总传热系数的大小，进而影