直接空冷系統橢圓翅片管管束傳熱與流動性能的數值分析

王從飛,劉 斌,范 薇,黃文慧

(1.中國制冷學會,北京100142;2.中國中元國際工程公司,北京100089;3.國內貿易工程設計研究院,北京100069)

1 前 言

直接空冷系統因其具有設備投資少,系統簡單,節約水資源等優點,能很好地是適應富煤缺水地區的火電廠建設,因而近年來在國內外獲得了快速的發展。

直接空冷系統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,具有潛在的應用前景。早期開展了關于橢圓翅片管空冷凝汽器空氣側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行了數值分析;石磊等[5]對橢圓管雙排管外空氣流動和傳熱性能進行了數值研究。

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,具有空氣側流動阻力較小、換熱系數較高、使用壽命長(熱浸鋅處理)、清洗效果好、技術成熟等優點,因此在我國西北地區已建的直接空冷機組中應用還是相對比較廣泛的。程遠達[6]、石磊[7]等人通過數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生一定影響。再者,西北地區冬季寒冷,氣溫在0℃以上的持續時間較長,三排管直接空冷凝汽器存在著管束容易凍結等問題。因此,有必要對三排管直接空冷凝汽器空氣側流動及換熱性能進行細致分析,為機組的優化設計及運行管理提供依據。

2 數理模型

2.1 物理模型

本研究基于現有的熱浸鋅橢圓管繞橢圓翅片管束建立相應的物理模型,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,因而計算區域選取兩根相鄰基管之間區域的1/2,如圖1陰影部分所示的區域,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域。翅片沿軸向方向按一定的間距排列 (如圖1側圖所示),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的影響,為保證進入翅片區的流體可以達到充分發展,因而對進口長度適當的增加。模型如圖2所示。

2.2 模型假設

假定模型流動與換熱的過程是穩態,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 邊界條件與網格剖分

模型的入口設置設定為速度入口邊界,來流氣流溫度為305K;出口邊界設為壓力出口條件;翅片為固體,材質設定為Al,通過導熱和表面對流換熱進行熱量傳遞;橢圓管內壁面設為等溫條件,壁面無滑移;其余表面均設置為對稱邊界(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。翅片處的網格進行了細致劃分,并進行網格獨立性校驗,最終選取網格數量為602萬。

2.4 數學模型

由于RNG k-ε模型能更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動,優于標準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算法進行求解,離散項采用二階迎風格式。

3 數據處理

摩擦系數由下式確定:

式中:△p為空氣進出口壓降;vf為空冷凝汽器迎面風速。

對流換熱系數由下式計算:

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按對數平均溫差計算。

式中,tf″為流道出口溫度,tf′為進口溫度,tw為壁面溫度值。

4 計算結果與討論

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速下的壓力分布。從圖中可看出,隨著流動工質移向下游,壓力不斷減小,在橢圓管的迎風側由于流動滯止點的存在,壓力會有所增高。隨著迎面風速的增加,壓力分布情況類似,但出入口間的壓差增大,也即流經翅片所受的阻力增加,功耗增大。

圖3 不同迎面風速下翅片間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速下的速度分布。當空氣流經橢圓基管表面時,流速緩慢增加,隨著通道面積增加,在背風面上,速度等值線逐漸變得稀疏,尾部出現渦流區。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;基管尾部的尾跡區隨著迎面風速的增加略有增大。

4.3 翅片間的溫度分布

沿工質流動方向,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,在基管迎風側溫度等值線細密,溫度梯度較大,換熱較強烈;而在基管背風側,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,熱驅動力減弱,換熱能力減小。在橢圓管尾跡區內,由于繞流脫體作用,流體出現擾動,湍動能的增大強化了流動換熱。隨著迎面風速的提高,翅片與空氣的換熱效果不斷增強,出口空氣溫度不斷降低。

4.4 迎面風速對流動和換熱的影響

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

圖6 流動和換熱特性隨迎面風速變化

5 結論

對不同迎面風速下直接空冷系統空凝器三排管外空氣側進行數值分析,結合獲得的速度場、溫度場進行比較分析。計算結果表明:隨著迎面風速的增大,橢圓管后部的尾跡區增大,擾動增強,換熱能力相應的增大;管排數增加,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隨著迎面風速的增加而增加。

[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

[3]屠珊,楊冬,黃錦濤,陳聽寬,羅毓珊.橢圓翅片管空冷器流動傳熱特性的研究[J].熱能與動力工程,2009,15(89):455-458

[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值分析[J].化工學報,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值研究[J].動力工程,2008,28(4):569-572

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

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