汽輪機(jī)乏汽在水平光管冷凝過程中的傳遞研究

馬光耀 趙玉柱 邴漢昆 陳 帥

（華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030）

馬光耀 趙玉柱 邴漢昆 陳 帥

（華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030）

以汽輪機(jī)的乏汽在凝汽器內(nèi)水平光管上的凝結(jié)為研究對(duì)象，依據(jù)nusselt膜狀凝結(jié)理論，對(duì)乏汽在凝汽器水平光管上凝結(jié)過程中不同的傳熱溫差、不同乏汽壓力及沿管徑壁面方向的傳遞系數(shù)進(jìn)行研究。壓力為5kPa時(shí)，當(dāng)傳熱溫差在1～6K范圍內(nèi)逐漸增大，傳遞系數(shù)隨著溫差的增大由13 443.13W/（m·K）減小至4 122.66W/（m·K），減小速率呈遞減趨勢(shì)。乏汽壓力在5～30kPa之間逐漸增大時(shí)，的傳遞系數(shù)由5 070.87W/（m·K）逐漸減小至4 822.62W/（m·K）。減小換熱溫差可增大的傳遞系數(shù)，強(qiáng)化的傳遞。

膜狀凝結(jié)；強(qiáng)化傳熱；傳遞系數(shù)

汽輪機(jī)乏汽主要通過凝汽器進(jìn)行冷凝回收，乏汽在水平光管表面的凝結(jié)換熱是熱力系統(tǒng)得以進(jìn)行循環(huán)的基礎(chǔ)。目前，蒸汽在水平光管表面的膜狀凝結(jié)主要集中于管束膜狀凝結(jié)換熱研究［1］，包括通過管束內(nèi)部組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱［2］及螺旋槽管的強(qiáng)化傳熱［3］等針對(duì)管內(nèi)外強(qiáng)化換熱的研究及分析，對(duì)于換熱量及強(qiáng)化換熱［4］的分析，對(duì)乏汽在水平光管上凝結(jié)過程中的傳遞情況有所研究。有科研工作者針對(duì)膜狀凝結(jié)換熱的影響因素展開研究，如表面張力［5］、界面剪切力對(duì)蒸汽垂直下流膜狀凝結(jié)傳熱的影響［6］，不凝結(jié)氣體對(duì)水平單管外膜狀凝結(jié)換熱的影響［7］等。由于乏汽在水平光管上的膜狀凝結(jié)問題較為復(fù)雜，同時(shí)受到試驗(yàn)條件及試驗(yàn)誤差的限制，對(duì)于傳遞過程中的傳遞速率情況研究相對(duì)較少。因此，本文對(duì)乏汽的膜狀凝結(jié)過程中的傳遞速率情況進(jìn)行理論推導(dǎo)及數(shù)值計(jì)算分析。

蒸汽的膜狀凝結(jié)分析理論在豎壁及光管的凝結(jié)研究已比較成熟，本文在膜狀凝結(jié)換熱基礎(chǔ)上，對(duì)于凝汽器內(nèi)水平光管膜狀凝結(jié)過程中對(duì)傳遞理論進(jìn)行分析。同時(shí)，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行過程中不同乏汽壓力及冷凝溫差下的傳遞系數(shù)進(jìn)行分析，有助于強(qiáng)化傳遞并深入研究傳遞的過程。

1 建模及分析

本文以汽輪機(jī)乏汽至凝汽器冷凝系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合努賽爾壁面凝結(jié)理論及傳遞理論對(duì)汽輪機(jī)乏汽在凝汽器內(nèi)水平光管上的膜狀凝結(jié)進(jìn)行建模分析。在對(duì)乏汽在凝汽器內(nèi)水平光管上的凝結(jié)情況進(jìn)行建模前，根據(jù)nusselt對(duì)豎壁面膜狀凝結(jié)理論［8］，假設(shè)dx微元質(zhì)量增量為：

液膜凝結(jié)過程中液膜厚度為：

由于上述假設(shè)的普遍性，將上述假設(shè)用于汽輪機(jī)排汽（乏汽）在水平光管的膜狀凝結(jié)研究。

汽輪機(jī)乏汽在凝汽器光管凝結(jié)過程比較復(fù)雜，將汽機(jī)乏汽在凝汽器光管表面的凝結(jié)過程簡(jiǎn)化為從乏汽凝結(jié)為飽和水的過程與液膜表面至管壁表面的導(dǎo)熱過程，因而，可將乏汽凝結(jié)過程中的傳遞過程分為乏汽在水平光管壁面液面凝結(jié)時(shí)的傳遞和從液膜表面至管壁表面的傳遞兩部分，即：

式（3）中，dEx為乏汽，J；dE1為凝結(jié)過程的變化量，J；dE2為導(dǎo)熱過程的變化量，J。

微元dx中 值變化為：

根據(jù)克拉貝龍方程知：

由此可將式（5）化為：

對(duì)式（9）溫度T進(jìn)行積分，聯(lián)立式（8）和式（10），將式（2）求導(dǎo)后帶入，得到水平光管膜狀凝結(jié)局部傳遞系數(shù)為：

2 計(jì)算實(shí)例及分析

根據(jù)電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)乏汽及凝結(jié)水的物性進(jìn)行選取，主要參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)表

圖1 乏汽壓力為5kPa時(shí)過冷度與傳遞系數(shù)及液膜厚度

不同汽輪機(jī)乏汽壓力下（即不同的氣化潛熱下），乏汽在光管表面凝結(jié)時(shí)，液膜厚度和傳遞系數(shù)隨過乏汽壓力的變化趨勢(shì)如圖2所示。液膜厚度隨乏汽壓力的增加而增加，但增加速率呈減小趨勢(shì)，當(dāng)乏汽壓力從5kPa增大到30kPa時(shí)，液膜厚度從0.004 35cm增大到0.004 40cm，變化比例為1.14%。傳遞系數(shù)隨著過冷度的增加由5 070.87W（/m·K）減小至4 822.62W（/m·K），變化比例為4.90%。原因是由于隨著乏汽壓力的增大，乏汽的汽化潛熱逐漸減小，的傳遞系數(shù)逐漸減小，液膜的厚度則也隨著乏汽壓力的增大逐漸變大，這是由于乏汽的凝結(jié)速率逐漸降低所致。

圖2 不同乏汽壓力下時(shí)傳遞系數(shù)及液膜厚度

3 結(jié)論

本文對(duì)乏汽在凝汽器內(nèi)光滑管上的膜狀凝結(jié)進(jìn)行分析研究，得到如下結(jié)論：①汽輪機(jī)乏汽在凝汽器內(nèi)冷凝時(shí)，提高換熱溫差可起到強(qiáng)化傳熱的作用，但傳遞系數(shù)會(huì)隨著傳熱溫差的增大而減小，因此減小換熱溫差可提高效率；②在汽機(jī)乏汽的凝結(jié)過程中，傳熱溫差對(duì)的傳遞效率影響較大，機(jī)組乏汽壓力對(duì)傳遞系數(shù)的影響最小。

［1］馬志先.水平管束外膜狀凝結(jié)換熱試驗(yàn)與理論研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］何長(zhǎng)江，楊斯博，張震.組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置穩(wěn)定性分析［J］.化工進(jìn)展，2014（8）：1970-1973.

［3］吳慧英，帥志明，周強(qiáng)泰.凝結(jié)換熱器采用螺旋槽管的強(qiáng)化傳熱研究［J］.化工學(xué)報(bào)，1997（5）：626-630.

［4］王松平，羅偉平，陳清林.換熱強(qiáng)化及其優(yōu)化設(shè)計(jì)的新途徑［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（6）：20-23.

［5］彭寶宏.表面張力對(duì)凝結(jié)換熱的影響研究［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

［6］張俊霞，王立，李運(yùn)剛.界面剪切力對(duì)蒸汽垂直下流膜狀凝結(jié)傳熱的影響分析［J］.化工學(xué)報(bào)，2011（10）：2732-2739.

［7］唐桂華，莊正寧，王建偉，等.不凝結(jié)氣體存在時(shí)水平單管外膜狀凝結(jié)換熱的數(shù)值研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（11）：31-35.

［8］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006：303-306.

Exergy Transfer Study in the Process of Horizontal Tube Condensation of Steam Turbine Exhaust Steam

Ma Guangyao Zhao Yuzhu Bing Hankun Chen Shuai
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou Zhejiang 310030）

Taking the steam turbine exhaust steam(steam exhaust)condensed in the condenser horizontal plain tube as the object of study,on the basis of nusselt filmwise condensation theory different heat transfer temperature,differ?ent steam exhaust pressure and different lengths along the tube surface were studied about the exergy transfer coeffi?cient in the process of exhaust steam condense on horizontal tube.When the pressure was 5kPa,the heat transfer tem?perature changed from 1 K to 6 K,exergy transfer coefficient reduced with the increase of temperature from 13 443.13 W/(m·K)to 4 122.66 W/(m·K),the reduce presented the degressive trend.When the exhaust pressure was in?creased from 5 kPa to 30 kPa,exergy transfer coefficient changed from 5 070.87 W/(m·K)to 4 822.62 W/(m·K).De?creasing the heat transfer temperature differences could increase exergy transfer coefficient,and it’s advantageous to the exergy transfer.

film condensation；heat transfer；transfer coefficients

TQ051.3

A

1003-5168(2016)09-0087-03

2016-08-22

馬光耀（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：電站設(shè)備節(jié)能診斷。