蒸汽冷卻器的流動傳熱與模擬

郜愿鋒,唐 卉,王志堅

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,黑龍江哈爾濱150046)

蒸汽冷卻器的流動傳熱與模擬

郜愿鋒,唐 卉,王志堅

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,黑龍江哈爾濱150046)

建立了某型蒸汽冷卻器包殼的整體模型,根據(jù)蒸汽和給水流動狀態(tài)及換熱管位置,在模型上劃分了兩個流體域,并對主要換熱區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)分。利用軟件擬合了材料的傳熱特性與溫度的函數(shù)關(guān)系,使模擬結(jié)果更接近實際傳熱狀態(tài)。同時,設(shè)定了計算時的邊界條件,定義了流體域和固體域間的交界面。計算后,讀取了相關(guān)模擬數(shù)據(jù),并與理論計算值進(jìn)行了對比,可為優(yōu)化結(jié)構(gòu)和提高設(shè)備性能,提供參考。

冷卻器;蒸汽;流動;傳熱;模擬;模型;網(wǎng)格;傳熱

0 概 述

近年,熱力發(fā)電機(jī)組不斷向更高等級的機(jī)組發(fā)展。在鍋爐給水回?zé)嵯到y(tǒng)中,由傳統(tǒng)的八級回?zé)嵯到y(tǒng)發(fā)展為九級回?zé)嵯到y(tǒng)。在二次再熱鍋爐機(jī)組的回?zé)嵯到y(tǒng)中,更是已發(fā)展到十級回?zé)嵯到y(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)增加了1臺或多臺蒸汽冷卻器(簡稱蒸冷),可進(jìn)一步提高鍋爐機(jī)組的熱效率,這是熱力發(fā)電機(jī)組的一種發(fā)展趨勢[1]。增加蒸冷器的換熱面積,將更充分地利用抽汽的過熱度,可提高鍋爐的給水溫度,但也會降低下級高壓加熱器(簡稱高加)進(jìn)汽的過熱度,從而可能導(dǎo)致高加在過熱段內(nèi)出現(xiàn)汽水兩相流,影響高加的安全運行。現(xiàn)采用流體分析軟件ANSYS CFX,對某型蒸冷器進(jìn)行流動傳熱的模擬計算,為蒸冷和高加的換熱比例的分配,提供參考。同時,細(xì)化蒸冷器內(nèi)部溫度場的分布,將有助于蒸冷器殼體的優(yōu)化設(shè)計。

1 蒸冷器的設(shè)計參數(shù)和水室結(jié)構(gòu)

蒸冷器的設(shè)計參數(shù),如表1所示。蒸冷器的水室結(jié)構(gòu),如圖1所示。

表1 蒸冷器的設(shè)計參數(shù)

圖1 蒸冷器的水室結(jié)構(gòu)

2 材料特性與擬合函數(shù)

在實際的傳熱過程中,介質(zhì)(汽、水)的物理特性,將隨溫度和壓力的變化而連續(xù)變化,換熱管的物理特性也是隨溫度連續(xù)變化的。所以,用軟件計算前,必須給定這些特性隨溫度或壓力變化的函數(shù)曲線。在運行過程中,蒸冷器的管程壓力和殼程壓力變化很小,相對于溫度對介質(zhì)特性的影響,可忽略不計。根據(jù)這些原則,運用了數(shù)學(xué)工具軟件Mathematica[2],對介質(zhì)和換熱管的物理特性進(jìn)行了擬合。

2.1 蒸汽特性函數(shù)的擬合

蒸汽密度:

33.84856640866969 -0.060029072681707075x+ 0.000033443903877342485x2

蒸汽定壓比熱容:

7482.050077399547 -14.73268170426113x+ 0.010317706029780683x2

蒸汽動力黏度系數(shù):

-7.9653811145520566+0.053186967418549225x-0.000007592510688488013x2

蒸汽導(dǎo)熱系數(shù):

41.45252445820507 -0.05875989974937846x +0.00012209969906221586x2

2.2 給水特性函數(shù)的擬合

給水密度:

40.997 +4.203700000002726x-

0.00517500000000242 x2

給水定壓比熱容:

34651.865000016456 -117.50000000005893x +0.11500000000005275x2

給水動力黏度系數(shù):

468.732675000111 -0.9563000000003998x+ 0.0005250000000003599x2

給水導(dǎo)熱系數(shù):

-659.6650500009174+5.932000000003277x -0.006550000000002924x2

2.3 換熱管特性函數(shù)的擬合

換熱導(dǎo)熱系數(shù):

71.53241075757579 -0.03470969696969725x -0.000007727272727272399x2

注:變量x代表的是溫度,單位為K。

3 有限元模型

整個蒸冷器模型分為三個域,兩個流體域(蒸汽和給水)及固體域(換熱管)。總的單元數(shù)為9701982。網(wǎng)格的劃分,如圖2所示。在水室和布管區(qū)內(nèi),為重點換熱區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格的細(xì)分。局部網(wǎng)格的細(xì)分,如圖3、圖4所示。

圖2 蒸冷器模型的整體網(wǎng)格

4 流體模型及邊界條件

4.1 流體模型

圖3 給水進(jìn)入水室區(qū)域的局部網(wǎng)格

圖4 布管區(qū)內(nèi)的局部網(wǎng)格

選擇CFD中常用的k-ε模型做為湍流模型,此模型已被證明在數(shù)據(jù)上較為穩(wěn)定,具有很好的預(yù)測能力。采用Scalable壁面函數(shù)計算,可促進(jìn)模擬數(shù)據(jù)的收斂性和準(zhǔn)確性。傳熱選擇了Total Energy模型,在此模型中,考慮了流體動能帶來的熱量變化,適用于高速流體及可壓縮流體的熱量傳輸計算。換熱管內(nèi)外壁與兩個流體域的交界面的模型,選擇General Connection模型,此模型是適合于兩個域連接的通用模型。交界面網(wǎng)格的連接,選擇了GGI (General Grid Interface)連接方式,這種連接方式適用于節(jié)點位置、網(wǎng)格類型、面尺寸以及流體類型不同的交界面[3]。

4.2 邊界條件

蒸汽進(jìn)口參數(shù):流量為16.7 kg/s,溫度為460℃;

蒸汽出口參數(shù):壓力為2.28 MPa;

給水進(jìn)口參數(shù):流量為75 kg/s,溫度為285℃;

給水出口參數(shù):壓力為30.5 MPa。

將壁面設(shè)定為絕熱無滑移壁面。

流動傳熱分析時,不需要給定交界面的對流換熱系數(shù),可由軟件自行計算。蒸冷器模型的邊界條件,如圖5所示。

圖5 蒸冷器模型的邊界條件

5 模擬結(jié)果及分析

在模型的YZ方向上,取截面Plane1。在蒸汽進(jìn)口附近,在模型的XY方向上,取截面Plane2。各截面上的溫度分布云圖,如圖6、圖7所示。

圖6 截面Plane1上的溫度分布云圖

圖7 截面Plane2上的溫度分布云圖

(1)由圖6和圖7可知,模擬得到的整體溫度分布較為合理。模擬所得的蒸汽出口處平均溫度,為320.6℃,與理論計算值326.9℃相比,僅差6.3℃。模擬所得的給水出口處平均溫度,為303.4℃,與理論值302.4℃相比,僅相差1℃。讀取模擬數(shù)據(jù)后得知,蒸汽出口處平均溫度與給水出口處平均溫度,均與理論計算值相近。

(2)由圖6可知,蒸汽溫度從進(jìn)口至出口,逐漸降低;給水溫度從進(jìn)口至出口,逐漸升高,且在換熱管上半?yún)^(qū)的中間位置,其溫度梯度的變化較大。

6 結(jié) 語

對蒸冷器流動傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬所得的計算結(jié)果與理論計算值的吻合度較高,說明了模擬計算的準(zhǔn)確性及可行性。根據(jù)模擬計算得到的溫度場等數(shù)據(jù),在某種程度上,可指導(dǎo)蒸冷器的優(yōu)化設(shè)計,從而提升設(shè)備的性能。同時,完成蒸冷器的模擬計算后,可對存在相變的換熱器進(jìn)行流動傳熱方面的計算,為優(yōu)化設(shè)計方案提供參考。

[1]王志堅,唐卉,劉超.蒸汽冷卻器內(nèi)置節(jié)流孔板孔徑設(shè)計方法初探[J].電站輔機(jī),2014,35(2):16-19.

[2]徐安農(nóng).Mathematica數(shù)學(xué)實驗[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2004.

[3]謝龍漢,趙新宇,張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

Flow Heat Transfer and Simulation of Steam Cooler

GAO Yuan-feng,TANG Hui,WANG Zhi-jian
(Harbin Boiler Co.,Ltd.,Harbin 150046,Heilongjiang,China)

The integrated model of the steam cooler jacket which including two fluid domains was established in this paper,and the grids of main heat transfer area were meshed and refined.The functional relationship between material heat transfer properties and temperature was fitted by Mathematica software,so that the simulation result can be more approaching to the reality result.Meanwhile,in fluid analysis software,the boundary conditions were set according to the design parameters of the steam cooler,the interface was defined between the fluid domain and the solid domain,and the steady heat transfer process of the steam cooler was simulated during operation,the simulation data were read and compared with the theoretics data,so it can provide some reference for the performance design and structural design of steam cooler.

cooler;steam;flow;heat transfer;simulation;model;grids;heat transfer

TK264.9

A

2017-03-27

郜愿鋒(1983-),男,工程師,學(xué)士學(xué)位,畢業(yè)于東華理工大學(xué),從事壓力容器及輔機(jī)設(shè)備的設(shè)計和研發(fā)工作。