超臨界變壓運行鍋爐垂直上升內螺紋管的傳熱特性

于 猛, 俞谷穎, 張富祥, 楊 勇, 朱才廣

(上海發(fā)電設備成套設計研究院,上海 200240)

超臨界變壓運行直流鍋爐由于具有良好的循環(huán)熱效率和機組熱經濟性等優(yōu)點,因此受到國內外的廣泛重視.在超臨界鍋爐變壓運行過程中,隨著負荷的變化,工質的壓力要在亞臨界到超臨界范圍內變化,使得鍋爐爐膛水冷壁管內工質的流動與傳熱特性十分復雜.從上世紀60年代至今,國內外學者針對超臨界變壓運行直流鍋爐流體的傳熱特性進行了許多研究工作.結果表明:與光管相比,在亞臨界壓力下,內螺紋管可以明顯改善沸騰傳熱,能夠在較低的質量流速和較高的蒸汽干度下保持核態(tài)沸騰,有效抑制膜態(tài)沸騰的發(fā)生.因此,內螺紋管被廣泛用于亞臨界壓力鍋爐的水冷壁管.

根據(jù)內螺紋管垂直向上的流動特性機理,可以發(fā)現(xiàn)其在亞臨界壓力下改善傳熱的原因:由于管內工質存在汽-液密度差,所以內螺紋結構對流體產生旋流作用,使得管子的內壁產生了螺旋流和邊界層分離流,螺旋流使流體與管壁的相對速度增加,減薄了層流底層的厚度,螺旋流產生的離心力將蒸汽中夾帶的液滴甩回壁面,從而推遲壁面干涸現(xiàn)象的出現(xiàn);邊界層分離流的主要作用是攪動邊界層,使該處流體混合趨于均勻[1].

目前,國內開發(fā)并投入運行的部分超臨界變壓運行鍋爐的垂直水冷壁采用直徑38.1mm,厚度7.5 mm的內螺紋管,從鍋爐設計制造或運行安全性角度來考慮,有必要對該型號內螺紋管在超臨界變壓運行下的傳熱特性進行全面的研究.

1 試驗系統(tǒng)和試驗方法

本次試驗的試驗系統(tǒng)見圖1.試驗裝置采用電加熱方式,直接在內螺紋管壁上通以低電壓、大電流,憑借管子本身電阻所產生的熱量來加熱管內工質.試驗電功率由調壓變壓器連續(xù)調節(jié),加熱總功率可達1 000 kW,其中試驗段加熱功率為180 kW.

試驗段采用直徑為38.1 mm、內徑為7.5 mm的六頭內螺紋管,試驗段長度為2 500 mm.內螺紋管的結構參數(shù)見表1.試驗工質采用經離子交換法處理過的去離子水,以保證試驗管壁不結垢、不發(fā)生腐蝕.

試驗工質的流量由孔板流量計和 Rosemount3051型差壓變送器測量,試驗前對孔板流量計進行標定,試驗壓力采用HP1151型壓力變送器進行測量(測量位置在試驗段出口).試驗段及預熱段的加熱功率由實測的電壓和電流有效值計算得到.試驗段和預熱段的管壁溫度采用布置在管壁面上的包覆絕緣層的鎳鉻-鎳硅熱電偶測得,其直徑為0.5 mm.試驗期間所有測量數(shù)據(jù)均采用英國Schlumbeger公司生產的Solarton IMP3595分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集,并輸入電腦進行處理.試驗的主要參數(shù)為:試驗壓力 p=10～28 MPa,工質質量流速 γm=500～1 220 kg/(m2?s),內壁熱負荷q=140～400 kW.在一定壓力、質量流速和熱負荷條件下,逐步增加試驗段進口工質焓值,從而得出此工況下內螺紋管的傳熱特性.

圖1 試驗系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of the experim ental system

表1 內螺紋管的參數(shù)Tab.1 Parameters of the internally ribbed tube

2 結果與分析

2.1 亞臨界壓力區(qū)內的傳熱特性

當超臨界變壓運行直流鍋爐處于啟動階段或者在較低負荷下運行時,水冷壁將處于亞臨界壓力下運行.在亞臨界壓力區(qū)內,管內流動工質是汽-液兩相流體,在低干度區(qū)可能會發(fā)生膜態(tài)沸騰(DNB),在高干度區(qū)會發(fā)生干涸現(xiàn)象(Burn-out)引起傳熱惡化.此時壓力、質量流速、熱負荷及干度是影響汽水兩相沸騰傳熱的主要因素.圖2給出了在亞臨界壓力區(qū)域干度0～1范圍內,試驗管段的管外壁溫度在不同條件下的分布特性.

圖2 亞臨界壓力區(qū)內螺紋管外壁溫度的分布特性Fig.2 Outer w all temperature of the internally ribbed tube in sub critical pressure region

由圖2可以看出,在低壓力的條件下,工質的汽、液密度差較大,此時由于內螺紋管的旋流作用,管子中部密度較大的液相工質受到離心力作用,被甩到管子內壁面,使管內壁產生的汽泡脫離壁面,避免傳熱惡化的發(fā)生,在工質質量含汽率 x達到0.5左右時,管外壁溫度有所降低,這是由于汽、液兩相流體速度增加改善了傳熱所致;隨著工作壓力的升高,管外壁溫度也相應升高,此時管外壁與工質的溫度差 Δt增大,傳熱效果變差,這是由于壓力升高,導致工質的汽、液密度差減小,內螺紋管的旋流作用降低,壁面處產生的汽泡不易脫離,滯留在壁面上形成汽膜,從而在近臨界壓力區(qū),內壁傳熱系數(shù)變小,抑制傳熱惡化的能力下降;在高干度區(qū),隨著壓力的升高,發(fā)生干涸現(xiàn)象,使得壁溫升高.因此,在亞臨界壓力區(qū)及近鄰界壓力區(qū)內所得試驗結果與文獻[2-7]相一致.

2.2 超臨界壓力區(qū)內的傳熱特性

在超臨界壓力區(qū),工質加熱的過程中不存在汽、液兩相流共存的沸騰狀態(tài),但是存在一個大比熱容區(qū).在超臨界壓力區(qū)內進行了3個不同工況的試驗,試驗參數(shù)分別為:(1)p=22.3 MPa,qn=267 kW/m2,γm=1 220 kg/(m2?s);(2)p=25 MPa,qn=352 kW/m2,γm=1 220 kg/(m2?s);(3)p=27.4 MPa,q n=327 kW/m2,γm=1 200 kg/(m2?s).試驗結果見圖3.

圖3 不同壓力下超臨界壓力區(qū)內螺紋管外壁溫度的分布特性Fig.3 Ou terw all tem peratu re of the in ternally ribbed tube in supercritical pressure region at different pressures

從圖3可以看出,雖然試驗參數(shù)不同,但是管壁溫度隨工質溫度的變化規(guī)律基本相同,大致可以分為以下3個區(qū)段:(1)壁溫上升區(qū),壁溫隨工質溫度的升高而升高;(2)隨著工質溫度的升高,壁溫平緩升高至最高值(壁溫峰值).壁溫峰值與工質壓力有關,壓力越高,壁溫峰值越高;(3)壁溫下降區(qū),當達到壁溫峰值后,壁溫開始隨工質溫度的升高而下降,當工質溫度升高至相應工質壓力下的擬臨界溫度時,壁溫降至最低值(壁溫谷值).同樣,壁溫谷值也與工質壓力有關,隨著壓力的升高,壁溫谷值也略有升高.

內螺紋管在超臨界壓力區(qū)產生上述傳熱特性與內螺紋管的強化傳熱機理以及傳熱工質的物性變化,特別是工質比體積隨工質溫度的變化有密切關系.圖4給出了不同壓力下工質比體積隨工質溫度的變化趨勢(計算依據(jù)文獻[8]).在超臨界壓力下,比定壓熱容cp具有極大值的溫度稱為擬臨界溫度,此區(qū)域稱為大比熱容區(qū),當壓力為臨界壓力時,此溫度稱為臨界溫度.在擬臨界溫度前后,工質溫度稍有變化,則其物性將發(fā)生顯著變化.當工質溫度較低,管內中心工質和貼壁處工質的溫度低于擬臨界溫度時,管內中心工質與貼壁處工質的比體積相差很小,此時內螺紋管的旋流作用甚微,不能抑制傳熱惡化現(xiàn)象,因此管外壁溫處于上升區(qū).隨著工質溫度的升高,當管壁處工質溫度達到或超過擬臨界溫度、而管中心處工質溫度低于擬臨界溫度時,旋流作用達到最強,對傳熱效果有所改善,因此管外壁溫處于下降區(qū),當管中心處工質溫度達到擬臨界溫度后,管內工質傳熱方式變?yōu)槌R界壓力下的過熱蒸汽的單相傳熱形式.

圖4 不同壓力下超臨界壓力區(qū)內工質比體積隨溫度的變化Fig.4 Specific volum e ofw orking medium varying with temperature in supercritical pressure region at different pressures

3 結 論

(1)在亞臨界壓力區(qū),由于管內汽、液兩相流體的密度差大,內螺紋管的旋流作用增強了傳熱效果,有效地抑制了膜態(tài)沸騰的發(fā)生.

(2)當工質質量含汽率 x達到0.5左右時,由于汽、液兩相流體速度增加,改善了工質的傳熱,所以管壁溫度有所降低.

(3)隨著系統(tǒng)工作壓力的升高,工質的汽、液密度差減小,內螺紋管的旋流作用降低,管壁溫度隨壓力的升高而升高,管壁與工質溫差△t增大,傳熱效果變差,在高干度區(qū)出現(xiàn)“干涸”現(xiàn)象.

(4)在超臨界壓力區(qū),當管內中心處工質與貼壁處工質溫度均低于擬臨界溫度時,中心工質與貼壁工質間的比體積相差很小,內螺紋管的旋流作用產生的離心力很弱,抑制傳熱惡化的效果不明顯,管壁溫度升高較快,此階段是超臨界壓力下的傳熱惡化區(qū).

(5)當管內中心處工質溫度低于擬臨界溫度、而貼壁處工質溫度達到擬臨界溫度時,由于擬臨界點附近比體積增大較快,工質的旋流作用增強,從而改善了傳熱,降低了壁溫,此階段是超臨界壓力下的傳熱強化區(qū).

(6)由于擬臨界溫度隨壓力的升高而升高,所以管外壁的最低溫度也隨著壓力的升高而升高.

[1] 孫丹,陳聽寬,羅毓珊,等.內螺紋管臨界壓力區(qū)內水的傳熱特性[J].西安交通大學學報,2001,35(3):234-238.SUN Dan,CHEN Tingkuan,LUO Yushan,etal.Water heat transfer characteristics of internally ribbed tube in the near critical p ressure region[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2001,35(3):234-238.

[2] 孫丹,陳聽寬,羅毓珊,等.垂直上升光管內臨界壓力區(qū)水的傳熱特性研究[J].西安交通大學學報,2001,35(1):10-14.SUN Dan,CHEN Tingkuan,LUO Yushan,et a l.Research of heat transfer performance of water in verticalupw ard smooth tube under near critical pressure[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2001,35(1):10-14.

[3] 胡志宏,陳聽寬,孫丹,等.近鄰界及超臨界壓力區(qū)垂直光管和內螺紋管傳熱特性的試驗研究[J].熱能動力工程,2001,16(3):267-270.HU Zhihong,CHEN Tingkuan,SUN Dan,eta l.Research of heat transfer performanceo f water in vertical upward smooth tube and internally ribbed tube under the near critical pressure and surpercritical pressure[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2001,16(3):267-270.

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[7] 俞谷穎,張富祥,陳端雨,等.超(超)臨界壓力直流鍋爐垂直管圈水冷壁特性的研究[J].動力工程,2009,29(3):205-209.YU Guying,ZHANG Fuxiang,CHEN Duanyu,eta l.Compare of the w ater w all arrangement type in oncethrough boiler[J].Journal of Power Engineering,2009,29(3):205-209.

[8] W?瓦格納,A?克魯澤.水和蒸汽的性質[M].北京:科學出版社,2003.