锅炉热力计算中传热系数类库的实现

1、锅炉热力计算中传热系数类库的实现锅炉热力计算是进行锅炉工况校核的常用方法。在锅炉受热面的热力计算中,计算传热系数是至关重要的,它的计算由于涉及诸多参数和图表,使得传热系数的计算比较繁琐。为提高锅炉热力计算的效率,采用计算机对各个图表进行拟合是常用的方法;本文以对流受热面传热系数计算为例,参照前苏联的热力计算标准方法3 ,对计算式中需要用到的物性参数,对烟气、蒸汽以及空气的物性参数进行拟合,介绍锅炉受热面的传热系数类库的实现。1 传热系数的计算方法对流换热系数是表征对流换热强弱的指标,它与流体的物性、流动状态、温度、管束的布置结构、冲刷方式(纵向、横向或斜向) 、管壁温度等因素有关。锅炉对流受热

2、面中的对流换热是一种气体横向或纵向冲刷管束的强迫对流换热,工程中应用相似理论来进行分析,得到放热系数计算式。一般表示为nu = cremprn (1 - 1)式中c 考虑各种影响因素的修正系数;re 、pr 分别为雷诺数和普朗特数。锅炉受热面的传热系数与对流换热系数的关系可以表示为k = f (1 ,2 ,) (1 - 2)式中k 传热系数;1 管外工质(通常为烟气) 对流换热系数;2 管内工质对流换热系数;根据受热面不同, 选取污染系数, 热有效系数,利用系数。11 传热系数计算的常用方法传统的热力计算中对于对流换热系数的求取,一般是通过图表法,即由烟气(蒸汽) 流速、管径查取0 ,再由管排

3、数、节距、烟气温度、烟气中水蒸汽( rh2 o) 含量等数值查出各个修正系数,由式 = csczcw0 (1 - 3)求出烟气或蒸汽的值。另外可以在计算机上将以上各个图表拟合成程序,以便采用计算机进行计算, 省却查图的烦琐, 提高计算效率。实际上这种方法也是在各个图表的非连续处进行插值,其原始数据来源就是图表,所以它对于计算的精度并没有提高, 也是属于查图法的一种变形。112 传热系数计算的改进方法锅炉热力计算中查取对流换热系数的图表, 它们实际的来源是将锅炉机组热力计算标准方法中的各个对流换热系数的计算公式, 将各个公式及修正系数制成线算图,用于查取对流换热系数,如烟气横向冲刷顺列管束的对流

4、换热系数为 = acsczdre0. 65 pr0. 33 kw/ (m2 ) (1 - 4)式中a 常数;cs , cz 修正系数;d 管径;, re , pr 工质的导热系数、雷诺数、普朗特数。由公式到图表,会带来一定误差;再由图表查取对流换热系数,将带来更大的误差,可见传统的计算方法会直接导致查取的对流换热系数的不准确, 进而使锅炉热力计算的结果产生一定的不准确性。为求取各类对流放热系数, 总共用到的查取对流放热系数的图表有5 处, 各类修正系数的图表有13 处。进行图表拟合将需要5000 6000 组数据。而采用理论公式来求取对流放热系数, 总共需要的数据量在700 800 组之间,可

5、见采用此种方法来进行对流放热系数计算的工作量也小得多。改进的方法是从理论公式直接入手, 则可将对流换热系数误差控制在最小。要做到这一点,必须从工质物性入手, 对工质的物性( pr , a ,等) 进行拟合,再根据工质所处的工况采用式(1 - 4) 即可求得。上述原理,是着手进行传热系数类库开发的理论基础。2 对流传热系数类库的组成在面向对象的软件技术中,“类”是对具有相同数据和相同操作的一组相似对象的定义, 也就是说类是对具有相同属性和行为的一个或多个对象的描述。继承是指子类能够直接获得父类已有的性质和特性,而不必重复定义它们。继承是类的一个很重要的属性,它使得相似的对象可以共享程序代码和数据

6、结构,从而大大减少了程序的冗余信息。211 对流传热系数类库的组成由以上分析可知,对流传热系数类库组成的关键应该是烟气、空气和蒸汽的物性类库,它们是传热系数类库的基础。传热系数类库由以下几部分组成:212 物性参数类库的组成(1) 烟气物性参数类库和空气物性参数类库的组成类库分别包括求取烟气和空气的导热系数,运动粘度和普朗特数pr 的函数。(2) 水蒸汽物性参数类库的组成此类库包括水蒸汽焓h 、水蒸汽比容v 、水蒸汽定压比热cp、水蒸汽动力粘度、水蒸汽导热系数、水蒸汽普朗特数pr、水蒸汽运动粘度七个函数。213 换热系数类库的组成烟气、空气对流换热系数类库的组成包括烟气横向冲刷顺列管束的对流换

7、热系数, 烟气横向冲刷错列管束的对流换热系数, 烟气纵向冲刷管束的对流换热系数,空气预热器烟气侧的对流换热系数以及空气预热器空气侧的对流换热系数五个函数。3 对流传热系数类库的实现311 物性参数类库的实现31111 烟气、空气物性参数类库空气的物性参数主要在计算空气预热系数空气侧换热系数时用到, 它的主要物性参数包括运动粘度、导热系数、普朗特数pr 均符合以下关联式x ( t) = nn =0a ( n) tn (3 - 1)式中t 空气的绝对温度,单位k;x ( t) 对应温度t 的空气物性参数;a ( n) 拟合数组。它的适用范围在250 1050 k,完全满足空气预热器空气侧所处的温度

8、要求。影响烟气物性参数的因素除了温度外, 还有烟气中水蒸汽份额, 需要用到的物性参数包括导热系数、普朗特数pr、运动粘度。它们符合以下关联式x ( r , t) = mx ( r , t) x0 ( t) (3 - 2)式中r 烟气中蒸汽份额;t 烟气温度;x ( r , t) 实际烟气的物性参数;mx ( r , t) 某烟气物性参数的修正值;x0 ( t) 平均烟气成份的物性参数。平均烟气成份物性参数是在标准压力下,水份含量r h2o = 0. 11 时烟气物性和温度的关系。随着水蒸汽份额和温度的变化确定各自的修正系数mx ( r , t) ,最终可以确定实际烟气的物性参数x ( r ,

9、t) 。1031112 水蒸汽物性参数类库水蒸汽随着它所处的区域不同, 它的物性参数计算公式也不相同, 整个水蒸汽物性参数一般可以分为4 大部分:过冷水区及饱和水区、不饱和蒸汽区及饱和蒸汽区、过热蒸汽区、湿蒸汽区。水蒸汽物性参数在工程计算中, 采用ifc67 标准就可以满足计算的精度要求。水蒸汽物性参数类库涉及焓( h) 、熵( s) 、比容( v) 这三个常用量。求取它们的公式参见文献1 。对于锅炉对流受热面的热力计算, 蒸汽均处于过热状态,只需采用蒸汽过热区的算式。同时, 在热力计算中所用到的物性参数还有运动粘度() 、动力粘度() 、导热系数() 、定压比热( cp) 以及普朗特数( p

10、r) 。这需要将以上几个物性参数计算式进行推导。动力粘度= 0 ( t) 1 ( t , p) (3 - 3)0 ( t) =t3i =0hiti(3 - 4)1 ( t , p) = exp p 5i =0 6i =0hij ( 1t- 1) i ( p - 1) j(3 - 5)式中t , p 蒸汽的绝对温度、密度;hi , hij 系数。导热系数采用南山(minamiyama) 等人的导热系数方程,它已被选用为国际计算公式2 ,其结构简单,能较好地适合蒸汽区的临界等温线处的微小不连续性。该方程为= 0 + + (3 - 6)0 = ( tt3 ) 0. 5 3i =0ai (tt3 )

11、i (3 - 7).= b0 + b1 (pp3 ) + b2exp b1 (pp3 + b2) 2 (3 - 8) = f ( q , r , di , ci ,tt3 ,pp3 ) (3 - 9)式中ai , bi , bi , ci , di , q , r 系数;t3, p3临界点温度、比容;t , p 蒸汽温度、比容。定压比热cp =5 h5 t p(3 - 10)定压比热的理论计算公式如式(3 - 10) ,在实际计算中可以采用以下算式1) cp =h ( t + t) - h ( t)t(3 - 11)式中h ( t) 温度为t 时蒸汽焓。2) cp = - 5252pc1 vc

12、1tc1= - 5 (+1)5 pc1 vc1tc1(3 - 12)定压比热的求取相对以上的物性参数来说, 难度及计算量相对较大,式(3 - 11) 的计算精度不如式(3 -12) ,本类库采用式(3 - 12) 来进行计算。以上各式中pc1 , tc1 , vc1 临界点压力、温度、比容;,对比态焓,熵;1 常数; = t/ tc1 ,对比态温度; = p/ pc1 ,对比态压力; = - ,对比态自由焓。由以上 可知, 水蒸汽物性参数拟合这一部分的工作量比前一部分大, 而且许多物性参数之间又是相互关联的, 所以在对水蒸汽物性参数拟合时要按照顺序拟合,一步步的完成,同时要控制每个物性参数的拟

13、合误差,否则一步步的推进,将导致后几项的误差增大。312 对流换热系数类库的实现31211 烟气侧对流换热系数类库采取的计算式为前苏联热力计算标准采用的计算方法3 ,按照烟气流向和管束的排列,采用的算式如下:烟气横向冲刷顺列管束的对流换热系数 = 0. 2 csczdwd0. 65p0. 33r kw/ (m2 )(3 - 13)烟气横向冲刷错列管束的对流换热系数 = csczdwd0. 6p0. 33r kw/ (m2 )(3 - 14)烟气纵向冲刷管束的对流换热系数 = 0. 023dwd0. 8p0. 4r ctcl kw/ (m2 )(3 - 15)空气预热器烟气侧和空气侧的对流换热系

14、数 = adwd0. 8p0. 4r ctcl kw/ (m2 )(3 - 16)空气预热器空气和烟气两侧的对流换热系统的11第1 期陆明:锅炉热力计算中传热系数类库的实现计算式形式是一样的,计算时调用各自的物性参数类库即可。31212 蒸汽侧对流换热系数类库锅炉对流受热面内蒸汽在管内均为纵向冲刷,且为过热状态(即为单相介质) ,所以蒸汽侧对流换热系数算式采用 = 0. 023dwd0. 8p0. 4r ctcl kw/ (m2 )(3 - 17)计算时引用过热区水蒸汽的物性参数。4 总结在某厂2000t/ h 锅炉的热力计算中运用了传热系数类库进行对流受热面传热系数的计算,无论在结果精度和运用便捷性上,传热系数类库的实现对于锅炉对流受热面的计算带来了很大方便。和传统的计算方法相比,它具有以下优点:便捷性。从在实际计算中的运用对比,应用编制类库比传统查图方法更便捷,计算速度更快,传统的查图方法由于过于繁琐,直接导致计算效率偏低;运用计算机进行计算后,由于类库的实现可以直接调用,大大提高了计算速度。准确性。此类库由于直接从制成线算图的对流换热系数的计算公式