朱嵩，李敬莎，楊臘臘，曾敏

(1．廣東省電力設計研究院，廣州市，510663;2．熱流科學與工程教育部重點實驗室(西安交通大學)，西安市，710049)

0 引言

我國是一個以煤炭資源為主的能源國家，其中燃煤發(fā)電約占全部電源的70%。另外我國還是一個嚴重缺水的國家，全國大部分城市都面臨缺水問題［1］，水資源短缺已經成為限制發(fā)電裝機容量提高的主要瓶頸之一?；痣姀S空冷技術被證明具有非常顯著的節(jié)水效果，與濕冷技術相比，采用直接空冷凝汽器可以節(jié)水65%以上［2］，因此，從2002年開始，我國“三北”地區(qū)新增火電機組基本采用空冷技術。目前，已經投運和在建的空冷機組已經接近火電總裝機容量的10%左右。由于我國“三北”地區(qū)的環(huán)境、氣候和氣象條件與國外存在差別，引進機組投入運行后普遍存在翅片管表面容易積灰，影響空冷系統(tǒng)的傳熱能力［3］，多變的環(huán)境風導致空冷島產生“熱回流”和夏季的高溫天氣造成進口空氣溫度升高［4-6］，以及冬季高寒條件下管束凍裂等問題。上述問題幾乎都會直接導致機組排汽壓力的升高，做功能力下降，從而造成空冷機組的經濟性降低，能耗增加。在這些影響因素中，空冷凝汽器的流動傳熱性能是其中最關鍵的一個因素，也是易于控制和優(yōu)化的一個因素。

電廠常采用空冷凝汽器有單排管、雙排管和三排管等形式，目前大容量直接空冷機組凝汽器多采用單排翅片扁平管束結構，其主要優(yōu)點為:換熱面積利用率高、流動阻力小、冬季防凍性能好、易于清洗、造價低、重量輕［1］。

本文建立了單排蛇形翅片扁平管束的物理模型并進行適當簡化，采用計算流體力學(computational fluid dynamic，CFD)方法對單排扁平管管外側的流動與換熱隨換熱器進口風速和氣溫的變化規(guī)律進行研究，為空冷凝汽器的優(yōu)化設計提供參考。

1 物理模型及計算方法

1．1 物理模型

本文空冷凝汽器擬采用單排鋼覆鋁管釬焊鋁翅片。單排扁平管規(guī)格為219 mm×19 mm，壁厚為1.5 mm;翅片規(guī)格為 190 mm×19 mm，壁厚為0.25 mm，翅片間距采用2.3 mm。

對于這種扁平管管翅式換熱器，由于管子和翅片的對稱性，取如圖1所示的結構作為計算單元。為了在進口處采用速度均勻的條件和避免出口有回流現(xiàn)象，分別向上游延長25 mm，向下游延長165 mm［7］。

圖1 扁平翅片管模型Fig.1 Physical model of the flat finned tube

1．2 網格劃分

應用ICEM CFD軟件劃分網格，用分塊方法生成結構化網格。由于模型結構相對簡單，全部采用六面體網格劃分，網格總單元數(shù)為600 498個，網格分布如圖2所示。

圖2 整體網格分布Fig.2 Overall girds distribution for simulation domainn

1．3 邊界條件

根據(jù)圖3說明邊界條件，模型前后兩側均為對稱性邊界;扁管內為相變換熱壁面，可設為恒壁溫邊界［8］，溫度為378 K;模型頂部截面均為絕熱邊界條件;對于翅片壁面和扁平管氣側壁面，由于其和流體是氣固耦合，在ICEM CFD軟件中屬于內部面，在導入FLUENT軟件后自動生成耦合邊界進行計算;進口為速度進口，溫度為302 K;出口為自由出流邊界。

圖3 邊界條件的設置Fig.3 Boundary conditions

1．4 數(shù)學模型

描述上述散熱器模型內流動與換熱的控制方程通用形式［9］如下。

連續(xù)性方程:

動量方程:

能量方程:

式中:ρ為密度;μ為動力黏度;T為溫度;p為壓力;λ為導熱系數(shù);Cp為比熱容;ui為速度矢量的3個分量。

根據(jù)迎風空氣風速(風速范圍1.08～5.0 m/s)，結合換熱器流動通道進口處的尺寸結構，可以計算出空氣在翅片內的雷諾數(shù):

式中:umax為最窄面處空氣流速，即翅片截面處的空氣流速;de為換熱器翅片截面處的特征尺寸，de=4Ac/P=0.003 86;ν為空氣的運動粘性系數(shù)，取18．6×10－6m2/s［7］。當迎面風速取到模擬中的最大值5 m/s時，翅片內的風速為8.527m/s。經計算整個模擬工況下的最大雷諾數(shù)Remax=1 770，根據(jù)經驗數(shù)值計算取層流模型。

2 數(shù)值計算結果及分析

本文使用FLUENT6.3.26軟件進行計算，采用SIMPLE算法［10］耦合壓力和速度場，根據(jù)不同的工況，分析總結扁平翅片管的出口截面空氣平均溫度、整個流動中的壓降及空氣側的換熱系數(shù)隨著不同的進口風速變化的規(guī)律。

2．1 不同風速條件下翅片通道內速度場和溫度場分布

圖4 不同迎面風速下z=0.5 mm截面速度分布圖Fig.4 Velocity distribution for cross-section of z=0．5 mm under various face velocities

圖4 為不同迎面風速v=1.51，3.12和4.14 m/s下，計算得到的翅片通道內速度分布圖。從速度分布圖可見，由于扁管前后的流通截面積突變，扁管前后的速度也存在突變，在有翅片的截面處速度較大，且在換熱器出口處有回流，形成1個大的漩渦，這是由于換熱器出口處相比較翅片區(qū)，流通面積突然增大，在扁管的尾端后面形成死區(qū)，從而造成一定程度的滯留渦流。

為了便于觀察翅片上的溫度分布，選z軸中心截面的溫度分布云圖進行分析，如圖5所示。由圖可知，隨著迎面風速的增大，進口的空氣流量增大，對流換熱效果增強，故整個翅片區(qū)和出口延長區(qū)的空氣溫度降低。隨著離開基管的距離增加，翅片表面溫度逐漸降低。在扁管的上風側，溫度變化較大;在扁管的背風側，由于渦流的存在，使得翅片管尾部的空氣冷卻效果較差。同時，由于翅片溫度本身高于周圍空氣的溫度，翅片前后的溫度分布存在突變。

圖5 不同迎面風速下z軸中心截面溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution for central cross-section of z direction under various face velocities

2．2 空冷翅片管流動換熱特性分析

根據(jù)模擬中所得的空氣的進出口溫差Δt以及質量流量qm，可以確定空氣側的吸熱量為

式中cp為空氣的定壓比熱容。

由傳熱學知，空氣側到內表面的傳熱系數(shù)

式中:ΔT=(Tout－Tin)/ln［(Twall－Tin)/(Twall－Tout)］，Tin、Tout分別為計算單元進、出口空氣溫度;Twall為扁平管內壁溫度;Ao為空氣側總換熱面積(包括翅片及基管面積)。

傳熱過程的總熱阻與分熱阻的關系式為

式中:ηo為肋面總效率;ho為分離后的空氣側換熱系數(shù);Aw為扁平管的換熱面積。

肋面總效率ηo由下式計算:

式中:Af為翅片面積;η為翅片效率。η通常均可由下式計算:

式中H為翅片的高度。

由式(5)得到總的換熱量，再由式(6)得到總的傳熱系數(shù)k;先假定1個η值，通過式(8)得到η0，進而由(7)分離得到ho;將此ho代入式(10)中，再由式(9)得到η'，然后比較η和η'，如滿足一定的誤差(如兩者之差小于0.000 1)，則停止計算，否則令η=η'，按上述步驟繼續(xù)計算。通過對式(7)～(10)進行迭代計算，就可以計算空氣側換熱系數(shù)。

根據(jù)上述扁平管翅管式換熱器模型流場和溫度場的模擬結果，整理出整體的出口截面上空氣的平均溫度﹑分離后的空氣側換熱系數(shù)以及整個流動中的壓降隨風速的變化規(guī)律，結果如圖6～8所示。隨著流速的增加，空氣流量也不斷增加，進而出口截面上的空氣溫度不斷降低;空氣側的換熱系數(shù)隨風速的增加逐漸提高，但空氣側壓降的增加更為劇烈。

圖8 空氣側壓降隨入口風速的變化Fig.8 Dependence of pressure drop at air side on inlet velocity

2．3 計算結果與實驗對比

為了校核計算模型，將本文模擬的翅片單元和文獻［7］中的實驗值和模擬值進行對比。由于本文所使用的翅片單元在尺寸上存在一定差別(如表1所示)，且本文翅片材料為鋁，而文獻翅片材料為鋁合金，因此計算結果也存在一定的差異。對比情況如圖9和圖10所示，結果存在少許差異，但整體變化趨勢是一致的。

表1 本文換熱器尺寸與文獻對比情況Tab.1 Comparison between heat exchanger sizes of this paper and reference

圖9 本文氣側換熱系數(shù)與文獻對比情況Fig.9 Comparison between the heat transfer coefficients at air side of this paper and reference

2．4 環(huán)境溫度對散熱器散熱的影響

為了研究不同進口風速下環(huán)境溫度對散熱器散熱量的影響趨勢，本文選取迎風速度v=1.5，2.5和3.5 m/s下，進口氣溫分別為280，300，311 K時的9個工況進行了分析。由圖11可知，在同一迎風速度下，進風溫度越高，單元換熱量越小，繼而整個空冷島的效率也越低;隨著迎風速度的增大，在同一進風溫度下，單元換熱量越高，空冷島的效率也隨之升高，但同時風機的耗電量也增大，所以需要綜合考慮各方面的因素，選取合適的迎風速度。由于空冷系統(tǒng)都有自己的設計氣溫，在非設計氣溫下，必須在空冷系統(tǒng)的運行上進行必要的調節(jié)，以保證空冷系統(tǒng)安全有效地運行。比如冬季降低風機流量，或在允許的情況下增加空冷島的熱負荷，做好防凍措施;而夏季則應適當?shù)亟地摵蛇\行或適當增大風機流量。

圖10 本文氣側流動壓損與文獻對比情況Fig.10 Comparison between pressure drops at air side of this paper and reference

圖11 翅片單元散熱量隨風速的變化Fig.11 Dependence of heat dissipation capacity of air-cooled cell on inlet velocity

3 結論

(1)通過分析翅片通道內的溫度場和速度場分布發(fā)現(xiàn)，在換熱器出口處有回流，形成一大的漩渦，使得翅片管尾部的空氣冷卻效果較差。

(2)根據(jù)不同風速下的排扁管翅片單元空氣側換熱系數(shù)以及整個流動中的壓降隨風速的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著迎面風速的增大，表面換熱系數(shù)和壓降均有顯著增加。

(3)環(huán)境溫度的變化對空冷單元的散熱量影響較大，應該根據(jù)季節(jié)的變化進行負荷的調整。

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