直接空冷凝汽器翅片管積灰的換熱特性研究

張學鐳，孫苗青，葛永建，段俊陽

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

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直接空冷凝汽器翅片管積灰的換熱特性研究

張學鐳，孫苗青，葛永建，段俊陽

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

摘要：為了深入研究空冷凝汽器散熱管束積灰時的傳熱與流動特性，利用FLUENT軟件數值模擬了翅片管束不同積灰厚度的傳熱及流動情況，對比分析了翅片管束不同積灰厚度的壓力分布、溫度分布及速度分布，計算得到了翅片管束5種積灰厚度的對流換熱系數、傳熱系數及流動阻力隨迎面風速變化的規(guī)律，擬合得到了摩擦系數及努塞爾數隨雷諾數變化的關系。結果表明：隨著迎面風速的增加，積灰前后的管外對流換熱系數、傳熱系數以及流動阻力逐漸增加；同一迎面風速下，隨積灰厚度的增加，對流換熱系數和流動阻力增大，傳熱系數減小。

關鍵詞：蛇形翅片扁平管；迎面風速；積灰厚度；流動換熱特性

0引言

西北富煤缺水地區(qū)所建的火電機組廣泛應用了直接空冷系統，直接空冷凝汽器性能的優(yōu)劣是決定機組能否安全、經濟、有效運行的重要因素之一[1，2]。在西北地區(qū)，直接空冷機組的裝機容量在不斷擴大，空冷凝汽器長期置于室外運行，散熱管束結構緊密，管束之間空氣流道狹窄，且該地長年風沙天氣較多，極易產生積灰，空冷凝汽器積灰現象也比較嚴重[3]。積灰嚴重影響翅片管外空氣的傳熱與流動特性，導致空冷凝汽器換熱性能惡化。因此研究直接空冷凝汽器散熱管束的積灰特性，對于保證機組的安全高效運行具有十分重要的意義。

國內關于空冷凝汽器散熱管束積灰方面的研究，文獻[3]等運用傳熱學知識及換熱器理論計算推導散熱管束的傳熱系數隨不同積灰厚度之間的變化關系，得出機組出力隨翅片管外積灰厚度的變化規(guī)律，以300 MW機組為例，當積灰厚度為1 mm時，機組的出力減少1.4%。文獻[4-6]等針對直接空冷凝汽器單元在翅片管外積灰影響下換熱情況的不同，提出了運用溫度監(jiān)測的方法來調節(jié)積灰單元的風機轉速，并運用理論知識計算驗證了該調節(jié)方式的經濟性。文獻[7]等以兩翅片間的單一流道為研究對象，在設定風機功率不變且不考慮積灰自身熱阻的條件下進行研究，得出：翅片積灰后，散熱管束換熱量隨污垢層的變厚而迅速下降，空冷凝汽器換熱負荷下降，空氣的溫升增大。文獻[8]等分析了積灰和迎面風速兩種情況對傳熱系數和機組背壓的影響規(guī)律，得出：積灰和迎面風速的降低，都會使機組的換熱能力下降；隨著積灰厚度的增加，機組背壓就越高，且迎面風速降低，機組背壓上升。文獻[9]等運用FLUENT軟件對空冷凝汽器U型管束進行數值模擬，得到空氣對流換熱、平均努賽爾數和摩擦系數隨雷諾數的變化規(guī)律，且擬合得出相應的關系式。

目前，針對直接空冷凝汽器翅片管積灰特性的數值模擬研究較少，本文以典型600 MW 直接空冷凝汽器蛇形翅片單排管為研究對象，建立了單排管翅片積灰前后的數值分析模型，重點分析在不同的迎面風速下，空冷凝汽器單排管翅片積灰前后的傳熱與流動特性。

1數學模型

實際的散熱器翅片結構如圖1所示，其結構參數如表1。翅片是焊接在扁管上的，扁管的厚度為0.25 mm?？紤]到翅片結構的對稱性，所取的計算域是一個對稱性區(qū)域，翅片結構呈Z字形。

圖1　蛇形翅片單排扁管結構示意圖

mm

為了避免計算區(qū)域入口處的入口效應和出口邊界的回流現象對計算結果產生影響，入口、出口區(qū)域適當延長，分別為50 mm、240 mm。用GAMBIT軟件對其建立物理建模，計算區(qū)域分為入口區(qū)、翅片區(qū)、基管區(qū)和出口區(qū)四部分，并對這四部分區(qū)域劃分網格。

為了便于計算，扁平管蛇形翅片散熱器數學模型作如下簡化假設[10，11]：

(1)環(huán)境溫度為常數，取空氣進口溫度為305 K；

(2)翅片材料和基管導熱系數為常數；

(3)計算域中的換熱與流動是穩(wěn)態(tài)的；

(4)忽略基管與翅片的輻射換熱；

(5)計算域中的空氣可認為不可壓縮流體。

1.1控制方程

在穩(wěn)態(tài)、不可壓縮以及常物性條件下,翅片管流動換熱控制方程如下[12]：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

湍動能方程：

(4)

湍流動能耗散率方程：

(5)

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；ui為i方向的速度(i=1，2，3分別表示x，y，z)，m/s；P為壓力，Pa；Τ為溫度，K；k為湍動能；ε為湍動能耗散率；μeff為有效粘性系數，kg/(m·s)；μi為湍流粘性系數， kg/(m·s)；μ為空氣動力粘度系數，kg/(m·s)；Gk為由平均速度梯度引起的湍動能的產生項；C1ε，C2ε，C3ε，σk，σt和σε為經驗常數[12]。

1.2邊界條件

(1)入口設為速度入口邊界，湍流強度設為10%，空氣入口溫度為305 K；出口設為壓力出口邊界；空氣側的對稱平面均設為對稱性邊界；

(2)積灰前后的基管內壁溫設為相同，基管內壁設為定壁溫邊界，溫度設為342 K；

(3)基管內外壁和翅片表面設為固體壁溫條件；基管和翅片的對稱平面均設為對稱性邊界；

(4)基管材料為碳鋼，翅片材料為鋁；

(5)采用分塊劃分網格的方法，將模型分割為多個幾何體。每個幾何體統一采用六面體網格，入口、出口及基管區(qū)域采用相對稀疏的網格，翅片區(qū)域采用相對密集的網格。為了確定網格的數目，針對55萬、76萬以及120萬的網格進行計算比較，結果差距小于1%，驗證了網格數目對計算結果的無關性,最后確定積灰前的網格數目為76萬左右，積灰后的網格數目為87萬左右。

1.3收斂準則

采用FLUENT默認的收斂準則：Energy方程的計算殘差低于10-6，其他各方程的計算殘差都低于10-3。

1.4計算方法

數值模擬采用有限體積法，分離求解器用隱式求解，壓力與速度耦合采用Simple算法，能量方程的離散采用一階Upwind。

針對翅片管外均勻積灰進行數值模擬時，考慮翅片上表面積灰和扁平管積灰，建立積灰模型與建立清潔模型的步驟相同，據此對翅片管外積灰厚度為0 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm的物理模型進行模擬。

1.5數據處理

(1)管外氣側對流換熱系數h0

換熱過程中，翅片和基管對空氣的換熱量表示為[4]：

(6)

空氣流經翅片區(qū)域帶走的熱量可表示為：

(7)

管外氣側平均對流換熱系數為：

(8)

翅片效率為[5]：

(9)

其中：

(10)

式中：Q為換熱量，W；m為空氣質量流量，kg·s-1；Cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·K)；A為翅片管氣側換熱面積，m2；Af為翅片表面積，m2；At為基管表面積，m2；tw為基管外壁溫度，℃；tin為來流空氣溫度，℃；tout為空氣流經翅片管的出口溫度，℃;ηf為翅片效率；λt為翅片管導熱系數，W/(m·K);δt翅片管壁厚度。

對流換熱系數的具體計算流程如圖2。

圖2　對流換熱系數的計算流程圖

(2)管內蒸汽凝結換熱系數hi

管內蒸汽凝結換熱系數為[5]：

(11)

式中：g為重力系數；ρ為蒸汽密度，kg/m3；λw為蒸汽導熱系數，W/(m·K)；r為蒸汽汽化潛熱，kJ/kg；η為蒸汽動力粘度，Pa·s;l為特征長度，m；ts，tw分別為蒸汽溫度和壁面溫度，K。

(3)傳熱系數K

以空氣側翅片管總面積為基準的傳熱系數表達式為[5]：

(12)

式中：肋化系數β為：

(13)

肋壁總效率η0為：

(14)

翅片管空氣側總傳熱面積A0為:

A0=At+Af

(15)

假設翅片管基管外表面和翅片上表面積灰均勻，積灰厚度為δd，以翅片間流道總傳熱面積為基準的傳熱系數K[6]為：

(16)

式中:K0為積灰前的傳熱系數，W/(m2·K)；λ為管壁材料導熱系數，W/(m·K);δ為管壁厚度，mm；Ai為蒸汽側傳熱面積；K為積灰后的傳熱系數，W/(m2·K)；h0’為積灰后管外空氣對流換熱系數，W/(m2·K)；c為考慮到翅片僅在上表面而引入的積灰系數，取0.4[6]；λd為積灰的導熱系數，取0.4W/(m·K)[6]。

(4)空氣流經翅片管的流動阻力

(17)

式中：Pin為進口平均壓力，Pa；Pout為出口平均壓力，Pa。

(5) 雷諾數[5]

(18)

式中：當量直徑de[2]為：

(19)

u為翅片間最小流通截面上的流速，m·s-1；v為空氣的運動粘度，m2/s；P為翅片的間距，mm；h為翅片的高度，mm。

(6) 摩擦系數

(20)

式中：u為來流速度，m·s-1；ρ為來流密度，kg/m3。

(7) 努塞爾數[5]

(21)

式中：λ為空氣的導熱系數，W/(m·K)。

2翅片空間空氣的流場分布

本文針對積灰0 mm、積灰0.1 mm、積灰0.2 mm、積灰0.3 mm、積灰0.4 mm 5種工況，對每種工況數值模擬5種迎面風速 1m/s，1.5 m/s， 2 m/s，2.5 m/s，3 m/s，分析翅片空間的流動、換熱特性。由于模擬結果呈現的規(guī)律性相差不大，因此僅對迎面風速2 m/s下，積灰0 mm和積灰0.3 mm兩種工況，分析翅片空間的壓力場、速度場、溫度場。

2.1壓力場

壓力分布如圖3，圖4所示?？諝饬鹘洺崞瑓^(qū)域時，由于翅片區(qū)域流動阻力的存在，壓力呈逐漸減小的趨勢，進口處壓力最大，由于計算域出口設置的是壓力出口邊界，出口處壓力最小，值為0 Pa。

積灰后的入口壓力比積灰前的入口壓力要大。在同一風速下，積灰前后通過的體積流量是一定的，積灰后流道變窄，在入口區(qū)，形成一定的集聚，導致入口壓力比積灰前要大。

圖3　積灰0mm時的壓力場

圖4　積灰0.3mm時的壓力場

2.2溫度場

溫度分布如圖5，圖6所示。冷卻空氣由入口端流經翅片區(qū)域的過程中，冷卻空氣不斷帶走翅片管及基管外表面的熱量，空氣溫度逐漸升高，在空氣流經翅片出口時溫度達到最大值。翅片的尾渦區(qū)溫度較高，是因為扁管背風側尾部區(qū)域速度很小且存在回流現象，致使熱量不能及時被帶走，加熱過的熱空氣又重新回到基管被加熱，導致尾渦區(qū)溫度升高，空氣冷卻效果明顯減弱。

積灰后的溫度分布與積灰前相比，不同的是翅片管的后半部分高溫區(qū)域面積變大。這說明了翅片積灰后，空氣流經翅片的過程中溫度升高很快，空氣與翅片管間的溫差減小，導致翅片管的后半部分換熱能力下降。

圖5　積灰0 mm時的溫度場

圖6　積灰0.3 mm時的溫度場

2.3速度場

速度分布如圖7，圖8所示?？諝饬鹘洺崞瑫r，流速呈先上升后下降的趨勢?？諝庥扇肟趨^(qū)進入翅片區(qū)域時，流通截面積減小，速度增大，在翅片區(qū)域，流通截面積幾乎不變，風速保持不變?？諝庥沙崞瑓^(qū)進入出口區(qū)時，流通截面積增大，速度又有所減小。翅片區(qū)域幾何結構的差異與冷卻空氣的流速有密切的關系。

空氣流過翅片區(qū)域時，積灰后的速度比積灰前的速度要大。這是由于計算域的進口設置的是速度入口邊界，通流量是恒定的，但由于積灰后通流面積減少，所以積灰后流速會略微增加。

圖7　積灰0mm時的速度場

圖8　積灰0.3mm時的速度場

3迎面風速對翅片積灰前后的換熱流動的影響

針對空冷凝汽器翅片管積灰前后5種工況，即積灰0～0.4 mm，進行數值模擬。選取迎面風速1～3 m/s 5種情況，分析翅片空間的流動、換熱特性。模擬結果顯示，當翅片管積灰后，對流換熱系數、傳熱系數、空氣流經翅片管的阻力以及摩擦系數均發(fā)生變化。

3.1結果及分析

不同迎面風速下，積灰0～0.4 mm時5種工況下的凝汽器翅片管外氣側對流換熱系數h0、傳熱系數K、進出口的壓力降ΔP分別見圖9，圖10和圖11。

從圖9可以看出，隨著迎面風速的增加，積灰前后5種工況下的翅片管外對流換熱系數呈逐漸增大的趨勢，由于風速增加，翅片內空氣流動受到的擾動就越大，空氣側對流換熱效果得到增強；在同一迎面風速下，積灰后的管外對流換熱系數與積灰前相比略微增加，在迎面風速為2m/s時，積灰0.1 mm比積灰0 mm增加0.013%，積灰0.3 mm比積灰0.1 mm增加0.031%，與文獻[8]的計算結果差別不大。由于空氣流過翅片區(qū)域時，積灰后的速度比積灰前的速度略微增大，管外對流換熱系數也略微增加。

圖9　積灰前后對流換熱系數

圖10　積灰前后傳熱系數

由圖10可以看出，隨著迎面風速的增加，積灰前后5種工況下的傳熱系數也逐漸增加,且每種工況下的增大速度逐漸變緩；在同一迎面風速下，隨著積灰厚度的增加，傳熱系數呈逐漸下降的趨勢，如在迎面風速為2 m/s時，積灰0.1 mm比積灰0 mm減小0.021%，積灰0.3 mm比積灰0.1 mm減小0.036%。傳熱系數隨著翅片管表面積灰厚度的增大而減小，說明了翅片管表面積灰影響了凝汽器的換熱，降低了積灰單元的換熱能力。由此可知，在運行中，除了需要保證一定的迎面風速，更要保持凝汽器的清潔，經常性地進行除灰措施。

由圖11可知，隨迎面風速的增大，積灰前后5種工況下翅片管進出口的壓力降ΔP也隨著增大，并且增加趨勢也上升；在同一迎面風速下，隨著積灰厚度的增加，壓力降ΔP也逐漸增加，如在迎面風速為2 m/s時，積灰0.1 mm比積灰0 mm增加10.173%，積灰0.3 mm比積灰0.1 mm增加37.698%。隨著風速的增大，流動阻力也增加，這就意味著需要更多的風機能耗，因此，通過增大迎面風速來提高直接空冷凝汽器的運行效率，也就必須考慮流動阻力的影響。

圖11　積灰前后流動阻力

根據公式(18)、(20)和(21)，計算得到摩擦因子，努塞爾數和雷諾數之間的關系，分別表示在圖12和圖13上。

從圖12和圖13可以看出，f隨Re的增加而減小，尤其在Re較低的情況下，減小的趨勢更大，而Nu隨Re的增加而增大；隨著積灰厚度的增加，f逐漸增大，Nu逐漸減小，說明隨著翅片管束積灰厚度的增加，翅片管的綜合熱力能力下降。

圖12　摩擦因子隨雷諾數的變化關系

圖13　努塞爾數隨雷諾數的變化關系

3.2特征數關聯式

采用最小二乘擬合的原理，對通過數值模擬得到的對流換熱系數、傳熱系數、流動阻力隨迎面風速的變化關系以及摩擦系數、努塞爾數隨雷諾數的變化關系擬合為指數函數形式，列于表2、表3中。

表2　迎面風速表示的翅片管束流動換熱關聯式

表3　雷諾數表示的翅片管束特征數關聯式

4結論

本文建立翅片管束積灰前后的數值模型，利用FLUENT針對積灰0～0.4 mm 5種工況，進行數值模擬，研究了迎面風速對翅片管流動換熱特性的影響，得出結論如下：

(1)以2 m/s迎面風速為例，對比散熱管束積灰前后的壓力場、速度場、溫度場分布。積灰后的入口處壓力比積灰前的要大；積灰后與積灰前相比，后半部分高溫區(qū)域的面積略微增大；空氣流經翅片的整個過程，流速呈先增大后減小的趨勢，且積灰后，空氣流經翅片管的速度變大。

(2)隨著迎面風速的增加，翅片管外空氣側對流換熱系數、傳熱系數以及ΔP呈逐漸增大的趨勢；在同一迎面風速下，隨著積灰厚度的增加，管外對流換熱系數略微增加，傳熱系數下降，ΔP增大。

(3)f隨Re的增加而減小，尤其在Re較低的情況下，減小的趨勢更大，而Nu隨Re的增加而增大；隨著積灰厚度的增加，f逐漸增大，Nu逐漸減小，翅片管束綜合熱力性能下降。

參考文獻:

[1]魏棟，王建平，吳鵬，等. 300MW直接空冷凝汽器污垢熱阻對換熱面積影響[J]. 電力科學與工程，2012，28(2)：51-55.

[2]郭民臣，李美寶，彭新飛，等. 空冷凝汽器積灰對機組出力影響的計算分析[J]. 中國電力，2013，46(9)：52-55.

[3]郭民臣，陳文飛. 電站空冷凝汽器積灰的計算分析及監(jiān)測[J]. 汽輪機技術，2013，55(4)：291-294.

[4]丁爾謀. 發(fā)電廠空冷技術[M]. 北京： 水利電力出版社，1992：23-32.

[5]楊世銘，陶文銓. 傳熱學[M]. 北京： 高等教育出版社，2008.

[6]郭民臣，任德斐，李鵬. 空冷凝汽器積灰對運行調節(jié)影響的計算分析[J].中國電機工程學報，2012，32(11)：52-55.

[7]劉博. 電站汽輪機空冷凝汽器研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[8]王麗，張義江，郭民臣，等. 積灰及迎面風速對直接空冷機組性能的影響[J].中國電力，2015，48(2)：21-26.

[9]丁麗媛，陳帥，程友良. 空冷凝汽器U型翅片管水平布置間隙優(yōu)化[J]. 電力科學與工程，2013，29(9)：62-69.

[10]周蘭欣, 喬瑾, 張淑俠. 600MW機組空冷凝汽器變工況特性計算與研究[J].華北電力大學學報(自然科學版)，2011，38(1)：92-97.

[11]代善良. 迎面風速對直接空冷凝汽器流動換熱特性的影響[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

[12]陳文飛. 空冷凝汽器翅片管積灰對換熱的影響特性研究[D]. 北京：華北電力大學，2013.

[13]楊立軍，杜小澤，楊勇平，等.火電站直接空冷凝汽器積灰檢測[J].熱能動力工程，2007，22(2)：172-175.

[14]楊立軍, 周健, 杜小澤，等. 扁平管外蛇形翅片空間的流動換熱性能數值模擬[J].工程熱物理學報，2007，28(1)：122-124.

[15]LIN C N.Heat transfer and fluid flow analysis for plate|fin and oval tube heat exchangers with vortex generators[J].Heat Transfer Engineering，2008，29 (7)：588-596.

[16]LI L，DU X，YANG L,et al.Numerical simulation on flow and heat transfer of fin structure in air-cooled heat exchanger [J].Applied Thermal Engineering, 2013，59(s1-2)：77-86.

《電力科學與工程 》

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Study on Heat Transfer Characteristics of Dust Accumulation on Direct Air-cooled Condenser Fin

ZHANG Xuelei， SUN Miaoqing，GE Yongjian，DUAN Junyang(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

Abstract：In order to study the heat transfer and its flow characteristics of dust accumulation on direct air-cooled condenser cooling tubes, the heat transfer and flow condition of the different thickness of the fin tube were simulated by FLUENT software, and the distribution of the pressure, temperature and velocity of different thickness of the fin tube were compared and analyzed. The variations of the convective heat transfer coefficient, heat transfer coefficient and flow resistance of the five kinds of ash deposits with the windward velocity were presented, and the correlating equations of the friction factor versus Reynolds number and the Nusselt number versus Reynolds number were obtained by fitting. The results show that the convective heat transfer coefficient, heat transfer coefficient, and flow resistance before and after the deposition of ash grow gradually with the increase of the wind speed. Under the same windward velocity, convective heat transfer coefficient and flow resistance are enhanced and heat transfer coefficient drops with the increase of the thickness of the ash.

Keywords：flat wave finned tube；head wind speed；ash deposition thickness；flow heat transfer characteristics

中圖分類號:TK267

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.012

作者簡介：張學鐳(1977-)，男，副教授，從事電站冷端系統優(yōu)化運行關鍵技術、先進能源動力系統的建模與優(yōu)化等方面的研究工作，E-mail：xueleizh@163.com。

基金項目：中央高?；鹂蒲袠I(yè)務費專項資金資助(2015MS116)。

收稿日期：2016-01-18。