鄒慶江，李鵬，郭民臣，李安生

(1.神華國能蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾　021000; 2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京　102206)

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冬季低風(fēng)速下空冷機(jī)組蛇形翅片管的換熱和阻力特性

鄒慶江1，李鵬1，郭民臣2，李安生2

(1.神華國能蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000; 2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206)

摘要:在環(huán)境溫度較低的冬季，為了防止空冷凝汽器翅片管束低負(fù)荷工況下發(fā)生凍結(jié)，風(fēng)機(jī)被迫低速運(yùn)行或停運(yùn)，因此有必要分析和研究低風(fēng)速下翅片管的傳熱特性和阻力特性及自然通風(fēng)時(shí)空冷系統(tǒng)的狀態(tài)。利用流體計(jì)算軟件模擬了環(huán)境溫度、翅片管束壁面溫度和空氣入口速度對(duì)翅片管溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響規(guī)律。建立了直接空冷系統(tǒng)自然通風(fēng)的空氣流動(dòng)推動(dòng)力生成模型，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上分析了單排翅片管束的阻力特性和傳熱特性，通過升力與阻力的平衡得出某工況下自然通風(fēng)空氣的流速，并計(jì)算了對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)，為直接空冷凝汽器在低風(fēng)速下的運(yùn)行和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞:空冷機(jī)組;數(shù)值模擬;蛇形翅片管;傳熱特性;阻力特性

0　引言

近十幾年來，空冷機(jī)組在我國北方地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，其中以直接空冷機(jī)組為主?？绽錂C(jī)組運(yùn)行中存在的一個(gè)重要問題是冬季防凍，要使空冷機(jī)組達(dá)到冷卻要求，空冷凝汽器多采取翅片結(jié)構(gòu)，較大的換熱面積有效增強(qiáng)了換熱，充分保證了夏季滿發(fā)，但在寒冷的冬季，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷比較低時(shí)，空冷凝汽器很容易凍結(jié)，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的安全性。

在冬季環(huán)境溫度和機(jī)組負(fù)荷都比較低時(shí)，直接空冷凝汽單元下部的風(fēng)機(jī)被迫在低速下運(yùn)行［1］，有的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速甚至在額定工況的20 ％左右。這種運(yùn)行方式雖然有效降低了翅片管凍結(jié)的可能性，但不能完全避免凍結(jié)，在惡劣的條件下即使關(guān)閉所有風(fēng)機(jī)運(yùn)行，僅靠自然通風(fēng)也能使管束發(fā)生凍結(jié)［2］。因此，研究冬季低風(fēng)速下空冷凝汽器的換熱特性，掌握風(fēng)機(jī)在低速運(yùn)行，甚至停運(yùn)狀態(tài)時(shí)空冷翅片管的換熱情況，有助于進(jìn)一步分析翅片管的防凍性能，對(duì)空冷機(jī)組冬季工況的運(yùn)行和優(yōu)化具有重要意義。

1　直接空冷散熱單元自然通風(fēng)的流動(dòng)分析

即使關(guān)閉所有空冷單元的風(fēng)機(jī)，空冷翅片散熱器中仍然有空氣通過，使翅片管得到冷卻，這就是自然通風(fēng)。為簡(jiǎn)化分析，這里所說的自然通風(fēng)僅指由于散熱器在自身溫度場(chǎng)的分布作用下，空氣對(duì)流形成的風(fēng)量。對(duì)于大氣環(huán)境作用下的自然風(fēng)對(duì)空冷系統(tǒng)的影響暫不予考慮，而這種橫向自然風(fēng)的影響將來可以與散熱器自身溫度場(chǎng)作用形成流場(chǎng)疊加，主要是造成空氣流動(dòng)場(chǎng)的不均。因此，這里僅涉及室外靜風(fēng)狀態(tài)下空冷島自身流動(dòng)狀態(tài)的建模。

空冷系統(tǒng)自然通風(fēng)狀態(tài)如圖1所示，圖中示意了左右2個(gè)A型散熱裝置翅片管束圍成的區(qū)域，該區(qū)域與兩端的擋風(fēng)墻構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)封閉的空間，該空間是空氣經(jīng)過散熱器加熱之后形成的一個(gè)熱流體空間。因此，該立體空間內(nèi)會(huì)形成類似雙曲線冷卻塔內(nèi)的對(duì)流流動(dòng)現(xiàn)象，只不過受空間高度的限制這里的流動(dòng)不像雙曲線塔內(nèi)部那樣劇烈，流動(dòng)速度較低，所以就形成了小風(fēng)速情景。

圖1　空冷系統(tǒng)自然通風(fēng)狀態(tài)

空氣流動(dòng)的動(dòng)力來自熱空氣與冷空氣的密度差，由于空冷A型散熱裝置呈三角形，2個(gè)A形散熱翅片之間形成的空間是▽形的，因此，推動(dòng)空氣流動(dòng)的動(dòng)力沿翅片管的分布是不一樣的，這里按一個(gè)平均高度進(jìn)行計(jì)算，故式中:Δp為密度差形成空氣上升的推動(dòng)力，Pa;ρ'，ρ″分別為冷空氣和熱空氣的密度，kg/m3; g為重力加速度，m/s2; h為兩翅片管間圍成的▽的高度，m。最終用于克服空氣穿越翅片的流動(dòng)阻力形成一定流速的穩(wěn)定自然通風(fēng)狀態(tài)。

2　單排蛇形翅片管束的數(shù)值模擬

目前，300 MW及以上大型火電機(jī)組廣泛采用單排管、雙排管和三排管。單排蛇形翅片管流動(dòng)面積可以被充分利用，散熱性能好，是目前直接空冷凝汽器的主要形式。因此，本文選用單排蛇形翅片管進(jìn)行分析研究，具有一定的代表性。

2.1單排蛇形翅片管的物理模型

單排蛇形翅片管束如圖2所示，其主要設(shè)計(jì)尺寸見表1。

圖2　單排蛇形翅片管

表1　翅片管主要設(shè)計(jì)幾何尺寸　mm

由于翅片管束具有對(duì)稱性，為了方便模擬，僅以翅片管的一半?yún)^(qū)域作為計(jì)算域，計(jì)算域如圖3所示。另外，為了保證來流的均勻性，在空氣的進(jìn)口位置將計(jì)算區(qū)域上游延長了150 mm;為了避免出口的回流效應(yīng)，在空氣的出口位置將計(jì)算區(qū)域向下游延長了450 mm。

圖3　翅片管束計(jì)算域與部分網(wǎng)格示意

2.2單排蛇形翅片管的數(shù)值分析模型

為了便于分析低風(fēng)速下翅片管束的阻力和傳熱特性，對(duì)該問題的數(shù)值模擬過程進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化:橫掠翅片管束的空氣是不可壓縮的、常物性的流體;汽輪機(jī)排汽在翅片管束中的凝結(jié)是定溫凝結(jié)過程，將翅片管的基管設(shè)置成定壁溫條件，溫度與凝結(jié)溫度相同;由于風(fēng)速比較低，當(dāng)空氣入口速度為1.0 m/s時(shí)，Re =454.3＜2000，因此空氣在翅片管束中的流動(dòng)視為層流;空氣的黏性相對(duì)較小，忽略黏性耗散和體積力;不考慮輻射換熱和自然對(duì)流產(chǎn)生的影響;流體在壁面上無滑移;忽略翅片和翅片管間的接觸熱阻，設(shè)定翅片導(dǎo)熱率為定值。

對(duì)穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、常物性流體，流動(dòng)和換熱滿足的微分控制方程［3］包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，分別為

式中: ux，uy，uz及ui為空氣在x，y，z方向上的速度分量，i = x，y，z; p為空氣靜壓力; t為空氣溫度;ν為運(yùn)動(dòng)粘度;λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3邊界條件

與空氣流動(dòng)方向垂直的平面上，沿管長方向的兩個(gè)面為周期性邊界條件，翅片管縱截面方向設(shè)置成對(duì)稱性邊界條件。入口邊界條件為速度入口、自由流出口，認(rèn)為蒸汽在基管內(nèi)是等溫凝結(jié)，鋁制材料的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣要高得多，故可以將基管的溫度設(shè)置成等壁溫條件，溫度等于蒸汽的冷凝溫度，忽略翅片管和翅片的接觸熱阻。

速度與壓力耦合采用標(biāo)準(zhǔn)的Simple算法［4－5］，對(duì)流場(chǎng)的離散采用一節(jié)迎風(fēng)格式，翅片表面溫度分布由空氣對(duì)流換熱及翅片導(dǎo)熱耦合求解。連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和質(zhì)量方程的收斂標(biāo)準(zhǔn)都低于10－5。

3　低風(fēng)速下單排蛇形翅片管特性分析

分別模擬了不同環(huán)境溫度和翅片管基管溫度條件下，空氣以不同速度橫掠翅片管束時(shí)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，由于空氣以低風(fēng)速橫掠翅片管束進(jìn)行換熱主要發(fā)生在溫度極低的冬季，因此設(shè)定冬季室外環(huán)境溫度較低，分別為－10，－20℃，空氣橫掠翅片管束的速度分別0.6，0.8 m/s。翅片管基管的最低溫度設(shè)定為40℃，基準(zhǔn)狀態(tài)下的參數(shù)分別為:環(huán)境溫度－10℃，翅片管基管溫度40℃，空氣入口速度0.6 m/s，數(shù)值模擬在基準(zhǔn)狀態(tài)基礎(chǔ)上改變某一參數(shù)。

3.1溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)

由圖4～11可知，單排蛇形翅片管的換熱程度受空氣入口速度的影響較大，翅片管基管溫度和環(huán)境溫度對(duì)翅片管束的換熱程度影響較小。

圖4　空氣以0.6 m/s橫掠翅片管束的溫度場(chǎng)

圖5　空氣以0.6 m/s橫掠翅片管束的速度場(chǎng)

圖6　空氣以0.8 m/s橫掠翅片管束的溫度場(chǎng)

圖7　空氣以0.8 m/s橫掠翅片管束的速度場(chǎng)

圖8　環(huán)境溫度為－20℃翅片管束的溫度場(chǎng)

圖9　環(huán)境溫度為－20℃翅片管束的速度場(chǎng)

圖10　翅片管基管溫度為50℃的溫度場(chǎng)

當(dāng)保持翅片管基管溫度和環(huán)境溫度不變時(shí)，迎面風(fēng)速越大，翅片管束的換熱程度越強(qiáng)，高溫區(qū)區(qū)域變小越明顯?？諝馊肟谒俣葘?duì)速度場(chǎng)的影響表現(xiàn)在，風(fēng)速越大，空氣離開翅片管束的擾動(dòng)越強(qiáng);當(dāng)保持迎面風(fēng)速和翅片管基管溫度不變，僅改變環(huán)境溫度，不同的環(huán)境溫度下翅片管束的換熱程度相似，高溫區(qū)區(qū)域范圍變化不大，速度場(chǎng)的差別不明顯。如保持迎面風(fēng)速和環(huán)境溫度不變，僅改變翅片管基管溫度，不同的壁面溫度下，翅片管束的換熱程度相似，高溫區(qū)區(qū)域范圍變化不大，速度場(chǎng)的差別不明顯。

圖11　翅片管基管溫度為50℃的速度場(chǎng)

3.2單排管的阻力特性

通過對(duì)翅片管束的數(shù)值模擬，得到了不同翅片管基管溫度和環(huán)境溫度下，空氣流經(jīng)空冷凝汽器的進(jìn)出口壓力、空氣離開翅片管束的溫度，熱流量等重要參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表2。表2中: t1，t2，t3分別為環(huán)境溫度、翅片管束基管面溫度、空氣出口溫度; v為空氣入口速度; Q為熱流量。

表2　不同環(huán)境溫度、翅片管基管溫度和迎面風(fēng)速下數(shù)值模擬的重要參數(shù)

4　計(jì)算結(jié)果分析

4.1自然通風(fēng)狀態(tài)下的風(fēng)速

空氣流經(jīng)翅片管束的阻力，即空氣流經(jīng)翅片管束時(shí)產(chǎn)生的壓力損失，該壓力損失應(yīng)由翅片管進(jìn)出口的壓降定義［6］，即

式中:Δpr為空氣流經(jīng)翅片管束時(shí)產(chǎn)生的壓力損失，Pa;為空氣進(jìn)口的平均壓力，Pa;為空氣出口的平均壓力，Pa。

當(dāng)風(fēng)機(jī)全停時(shí)該壓力降應(yīng)由空氣產(chǎn)生的熱壓差克服，即式(1)所表示的動(dòng)力與式(5)所表示的阻力要達(dá)到平衡。針對(duì)環(huán)境溫度為－10℃時(shí)所計(jì)算的出口空氣溫度，設(shè)大氣壓力為100 kPa，所計(jì)算的空氣上升的熱壓及阻力見表3。

表3　環(huán)境溫度－10℃時(shí)不同風(fēng)速下的阻力和熱壓

根據(jù)表3可近似得到空氣入口風(fēng)速與流動(dòng)熱阻的關(guān)系如圖12所示，由圖12可知:在風(fēng)速約為0.73 m/s時(shí)，翅片的阻力與熱壓近似相等，即風(fēng)機(jī)全停時(shí)自然通風(fēng)的風(fēng)速約為0.73 m/s。那么，如果此時(shí)機(jī)組負(fù)荷比較大，防凍壓力較小，可啟動(dòng)風(fēng)機(jī)獲得比較大的風(fēng)速，提高冷卻能力。

圖12　流動(dòng)阻力隨空氣入口速度的變化

4.2單排管的傳熱特性

利用管內(nèi)/外蒸汽、空氣的進(jìn)/出口溫度和總傳熱量，采用對(duì)數(shù)平均溫差法獲得總換熱系數(shù)，具體表達(dá)式［7－8］為

式中: Q為熱流量，W; A為總換熱面積，m2;Δt為對(duì)數(shù)平均溫差，℃; K為總換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

對(duì)數(shù)平均溫差為

式中: t1為入口風(fēng)溫，℃; t3為空氣出口平均溫度，℃; ts為蒸汽的凝結(jié)溫度，℃;Δt為對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

計(jì)算得到的空氣流經(jīng)空冷凝汽器的傳熱特性見表4。

單排管的流動(dòng)阻力和換熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速的變化分別如圖12和圖13所示。當(dāng)保持環(huán)境溫度和翅片管束的壁面溫度不變時(shí)，隨著空氣入口速度的增加，流動(dòng)阻力和換熱系數(shù)也相應(yīng)提高;空氣入口速度和翅片管束基管溫度一定時(shí)，隨著環(huán)境溫度的降低，流動(dòng)阻力增加與換熱系數(shù)均增大，但變化量很小;環(huán)境溫度和空氣的入口速度一定時(shí)，隨著翅片管束基管溫度的升高，流動(dòng)阻力和換熱系數(shù)都會(huì)略微增大，但變化量也很小。

表4　空氣流經(jīng)單排管傳熱特性

綜上所述，空氣橫掠翅片管束的流動(dòng)阻力和換熱特性主要受迎面風(fēng)速的影響，受環(huán)境溫度和翅片管束的壁面溫度的影響較小。

空氣的流動(dòng)阻力與空氣的入口速度基本呈線性關(guān)系，采取差值的方式可以得到不同流動(dòng)阻力對(duì)應(yīng)的空氣入口速度。自然通風(fēng)條件下風(fēng)速為0.73 m/s，則換熱系數(shù)約為24 W/(m2·K)。

圖13　換熱系數(shù)隨空氣入口速度變化關(guān)系

5　結(jié)論

針對(duì)空冷機(jī)組冬季低溫工況，利用數(shù)值模擬的方法，開展了單排管翅片在自然通風(fēng)時(shí)的阻力和傳熱特性研究，總結(jié)了不同風(fēng)速、環(huán)境溫度下翅片管束的阻力和傳熱系數(shù)變化規(guī)律，主要結(jié)論如下。

(1)空氣的流動(dòng)阻力和傳熱特性受空氣入口速度的影響較大，隨著空氣入口速度的增加，空氣的流動(dòng)阻力和傳熱系數(shù)會(huì)顯著地增加;而環(huán)境溫度和翅片管束基管溫度對(duì)空氣流動(dòng)阻力和傳熱特性的影響較小，可以忽略不計(jì)。

(2)當(dāng)風(fēng)機(jī)全部停運(yùn)空冷系統(tǒng)在自然通風(fēng)狀態(tài)運(yùn)行，環(huán)境溫度為－10℃與基管溫度為40℃的工況下，自然通風(fēng)風(fēng)速約為0.73 m/s，傳熱系數(shù)約為24 W/(m2·K)，翅片管阻力約為10 kPa。

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(本文責(zé)編:白銀雷)

鄒慶江(1967—)，男，山東萊蕪人，高級(jí)工程師，總工程師，從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)管理與技術(shù)管理方面的工作(E-mail: gmc6666@163.com)。

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2015－07－23;修回日期:2015－10－31

中圖分類號(hào):TK 223.26

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1674－1951(2016)01－0013－05