王從飛,劉 斌,范 薇,黃文慧

(1.中國制冷學(xué)會,北京100142;2.中國中元國際工程公司,北京100089;3.國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計研究院,北京100069)

1 前 言

直接空冷系統(tǒng)因其具有設(shè)備投資少,系統(tǒng)簡單,節(jié)約水資源等優(yōu)點,能很好地是適應(yīng)富煤缺水地區(qū)的火電廠建設(shè),因而近年來在國內(nèi)外獲得了快速的發(fā)展。

直接空冷系統(tǒng)中主要有三種空冷元件可供選擇,即:大直徑扁管扁鋼管釬焊鋁蛇形翅片管 (單排管翅片換熱器);熱浸鋅大直徑橢圓鋼管套矩形鋼翅片管 (雙排管翅片換熱器);大口徑熱浸鋅橢圓鋼管繞橢圓翅片管 (三排管翅片換熱器)。目前應(yīng)用于單排管的大直徑扁鋼管釬焊鋁蛇形翅片管,具有潛在的應(yīng)用前景。早期開展了關(guān)于橢圓翅片管空冷凝汽器空氣側(cè)流動與傳熱特性的研究[1-2],屠珊等[3]對橢圓翅片管空冷器流動傳熱特性的進(jìn)行了研究;明廷臻等[4]對橢圓管矩形翅片空冷器流體流動與傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析;石磊等[5]對橢圓管雙排管外空氣流動和傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值研究。

大口徑熱浸鋅橢圓鋼管繞橢圓翅片管已用于直接空冷凝汽器管束,但使用效果的報道很少。三排管是熱浸鋅橢圓管繞橢圓翅片的管束,翅片是纏繞在橢圓基管上的,翅片間沒有空氣流動干擾,具有空氣側(cè)流動阻力較小、換熱系數(shù)較高、使用壽命長(熱浸鋅處理)、清洗效果好、技術(shù)成熟等優(yōu)點,因此在我國西北地區(qū)已建的直接空冷機(jī)組中應(yīng)用還是相對比較廣泛的。程遠(yuǎn)達(dá)[6]、石磊[7]等人通過數(shù)值計算的方法研究了三種空冷元件的流動換熱特性,但由于翅片的厚度相比管徑而言,尺度比相差較大,作者沒有考慮翅片厚度的影響,翅片的厚度可能對換熱產(chǎn)生一定影響。再者,西北地區(qū)冬季寒冷,氣溫在0℃以上的持續(xù)時間較長,三排管直接空冷凝汽器存在著管束容易凍結(jié)等問題。因此,有必要對三排管直接空冷凝汽器空氣側(cè)流動及換熱性能進(jìn)行細(xì)致分析,為機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計及運(yùn)行管理提供依據(jù)。

2 數(shù)理模型

2.1 物理模型

本研究基于現(xiàn)有的熱浸鋅橢圓管繞橢圓翅片管束建立相應(yīng)的物理模型,如圖1所示。其中,圖1左為翅片管束的正面示意圖;中間為翅片軸向布置的示意圖,氣流自上而下流過翅片管管束;右圖為放大的單個基管和翅片的截面圖。

從圖1可看出,物理模型具有對稱性,因而計算區(qū)域選取兩根相鄰基管之間區(qū)域的1/2,如圖1陰影部分所示的區(qū)域,寬度為23.5mm;沿基管長軸方向上,翅片管交錯布置,選取三排管為計算區(qū)域。翅片沿軸向方向按一定的間距排列 (如圖1側(cè)圖所示),呈周期性變化,其中第一排翅片間距為5mm,第二排與第三排管間距為3mm,同樣計算區(qū)域選取一半距離 (如圖中虛線所示),為7.5mm。考慮到流動入口效應(yīng)的影響,為保證進(jìn)入翅片區(qū)的流體可以達(dá)到充分發(fā)展,因而對進(jìn)口長度適當(dāng)?shù)脑黾?。模型如圖2所示。

2.2 模型假設(shè)

假定模型流動與換熱的過程是穩(wěn)態(tài),入口處氣流速度、溫度呈均勻分布;忽略橢圓基管與翅片間的輻射換熱,假定翅片根部溫度與橢圓管外壁面溫度相同。

2.3 邊界條件與網(wǎng)格剖分

模型的入口設(shè)置設(shè)定為速度入口邊界,來流氣流溫度為305K;出口邊界設(shè)為壓力出口條件;翅片為固體,材質(zhì)設(shè)定為Al,通過導(dǎo)熱和表面對流換熱進(jìn)行熱量傳遞;橢圓管內(nèi)壁面設(shè)為等溫條件,壁面無滑移;其余表面均設(shè)置為對稱邊界(Symmetry)。

考慮到翅片厚度僅為0.3mm,相比于模型的整體尺寸,尺度比相差很大。翅片處的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)致劃分,并進(jìn)行網(wǎng)格獨立性校驗,最終選取網(wǎng)格數(shù)量為602萬。

2.4 數(shù)學(xué)模型

由于RNG k-ε模型能更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動,優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程,考慮到本計算中流通的彎曲變化程度,選取RNG k-ε計算模型。計算采用有限體積法,壓力與速度耦合采用SIMPLE算法進(jìn)行求解,離散項采用二階迎風(fēng)格式。

3 數(shù)據(jù)處理

摩擦系數(shù)由下式確定:

式中:△p為空氣進(jìn)出口壓降;vf為空冷凝汽器迎面風(fēng)速。

對流換熱系數(shù)由下式計算:

式中:Q為空氣和扁平管基管以及翅片之間交換的熱量;A為扁平管基管以及翅片面積之和;△t按對數(shù)平均溫差計算。

式中,tf″為流道出口溫度,tf′為進(jìn)口溫度,tw為壁面溫度值。

4 計算結(jié)果與討論

4.1 翅片間的壓力分布

圖3給出了A-A截面處在不同迎面風(fēng)速下的壓力分布。從圖中可看出,隨著流動工質(zhì)移向下游,壓力不斷減小,在橢圓管的迎風(fēng)側(cè)由于流動滯止點的存在,壓力會有所增高。隨著迎面風(fēng)速的增加,壓力分布情況類似,但出入口間的壓差增大,也即流經(jīng)翅片所受的阻力增加,功耗增大。

圖3 不同迎面風(fēng)速下翅片間A-A截面處壓力分布云圖

4.2 翅片間的速度分布

圖4給出了A-A截面處在不同迎面風(fēng)速下的速度分布。當(dāng)空氣流經(jīng)橢圓基管表面時,流速緩慢增加,隨著通道面積增加,在背風(fēng)面上,速度等值線逐漸變得稀疏,尾部出現(xiàn)渦流區(qū)。前排翅片影響后排翅片的速度分布,后排翅片的速度變化相對較為平緩;基管尾部的尾跡區(qū)隨著迎面風(fēng)速的增加略有增大。

4.3 翅片間的溫度分布

沿工質(zhì)流動方向,空氣不斷被翅片和基管加熱,溫度不斷上升。因而,隨著排數(shù)的增加翅片的效率是不斷降低的。從圖5溫度分布圖可看出,在基管迎風(fēng)側(cè)溫度等值線細(xì)密,溫度梯度較大,換熱較強(qiáng)烈;而在基管背風(fēng)側(cè),溫度梯度明顯減小,溫度分布曲線變疏,溫度升高速率減小。這主要原因是流體與翅片壁面溫差減小,熱驅(qū)動力減弱,換熱能力減小。在橢圓管尾跡區(qū)內(nèi),由于繞流脫體作用,流體出現(xiàn)擾動,湍動能的增大強(qiáng)化了流動換熱。隨著迎面風(fēng)速的提高,翅片與空氣的換熱效果不斷增強(qiáng),出口空氣溫度不斷降低。

4.4 迎面風(fēng)速對流動和換熱的影響

汽輪機(jī)額定功率或銘牌功率 (TRL)工況下,三排管翅片在不同迎面風(fēng)速下,平均傳熱系數(shù)的變化情況如圖6(a)所示;流動阻力的變化情況如圖6(b)所示。隨著迎面風(fēng)速的增加,翅片換熱系數(shù)和流動阻力都有所增加。

圖6 流動和換熱特性隨迎面風(fēng)速變化

5 結(jié)論

對不同迎面風(fēng)速下直接空冷系統(tǒng)空凝器三排管外空氣側(cè)進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)合獲得的速度場、溫度場進(jìn)行比較分析。計算結(jié)果表明:隨著迎面風(fēng)速的增大,橢圓管后部的尾跡區(qū)增大,擾動增強(qiáng),換熱能力相應(yīng)的增大;管排數(shù)增加,流體與翅片間的換熱的溫差減小,也即熱量傳遞的推動力減小,后排管的換熱能力逐漸減小;三排管的流動阻力和傳熱系數(shù)隨著迎面風(fēng)速的增加而增加。

[1]Meyer CJ,Kroger DG.Numerical investigation of the effect of fan performance on forced draught air-cooled heat exchanger plenum chamber aerodynamic behavior.Applied Thermal Engineering,2004,24(2):359-371

[2]Giovanni L,Umberto M.An experimental investigation of heat transfer and friction losses of interrupted and wavy fins of fin and tube heat exchangers International Journal of Refrigeration,2001,24(5):409-416

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[4]明廷臻,黨艷輝,劉偉,黃素逸.橢圓管矩形翅片空冷器流體流動與傳熱特性數(shù)值分析[J].化工學(xué)報,2009,60(6):1380-1384

[5]石磊,邢蒼,李國棟,等.雙排管外空氣流動和傳熱性能的數(shù)值研究[J].動力工程,2008,28(4):569-572

[6]程遠(yuǎn)達(dá).直接空冷式翅片管及空冷凝汽器單元流動與換熱的數(shù)值研究[D],北京交通大學(xué),2008

[7]石磊,石誠,劉海鋒,等.三排管外空氣流動和傳性能的數(shù)值研究[J].熱力發(fā)電,2009,38(5):23-26