直接空冷凝汽器的换热和流动特性
第 2 章直接空冷系统数值计算基本理论 2.1 直接空冷凝汽器的换热特点 直接空冷机组的凝汽设备称为空冷凝汽器，它是由外表面镀锌的椭圆钢管 外套矩形钢翅片管的若干散热器管束组成的。汽轮机排气在管内进行凝结放热，管 外空气与管束进行对流换热。在这种管式换热器中，管外侧介质(空气)的放热系数 远小于管内侧介质(水)的放热系数， 因而传热的热阻集中于放热系数较小的空气侧。 为了更好的提高放热系数较低侧的换热效果，空冷电厂的散热器均在管外侧加装翅片以增 大散热面积。对于直接空冷系统，由于其空冷凝汽器在室外露天布置，而且有轴流 风机强制通风，利用周围的空气作为冷却介质对其进行冷却，所以环境风场必然会 对空冷凝汽器的正常运行产生特别大的影响。环境风场除了取决于当地的天气特征情况外， 还与空冷凝汽器周围的建筑物，特别是主厂房和电厂的总体布置紧密关联。同时， 空冷凝汽器的换热效率还与其结构技术参数相关，如空冷凝汽器平台支架的高度、 挡风墙高度、空冷凝汽器单元排列等。可见，影响空冷凝汽器效率的因素很多，这 些因素相互关联且相当复杂。 2.2 直接空冷凝汽器的基本传热方程 直接空冷凝汽器可以视为一侧有相变的交叉流热交换器。根据传热学的理论， 在翅片管内，热量的传递需要依次经过三个过程，即管内热流体与管壁内侧之间的 对流传热过程;管壁内侧到管壁外侧的导热过程;管壁外侧和外界冷却介质的热交换 过程。翅片管的传热过程可由以下基本方程描述，即: = 0 热平衡方程式: Q = D（hs − hc） 3600 Aw v w ρC a ∆t a （2-1） 其中 D
直接空冷凝汽器的研究涉及空气动力学、气象学和热力学等多门学科。直接空 冷凝汽器的流动特性直接影响到散热器的换热特性和整个凝汽器的效率。因而，研 究空冷凝汽器的流动和换热特性对直接空冷系统的设计和优化至关重要。目前对空 冷凝汽器流动和换热特性的研究主要有试验和数值模拟两种手段。但是由于现场试 验研究具有很大的局限性，环境参数的随机性和不可控性大，影响因素多，试验数 据的处理十分复杂。随着计算流体力学的发展，数值模拟成为弥补现场试验不足的 一种有效方法。对直接空冷凝汽器进行数值建模，可以研究不同环境风场作用下空 冷凝汽器的运作情况， 总结环境风场对直接空冷凝汽器运行性能影响的机理和规律。
值模拟，对翅片倾斜角度进行了优化计算，研究表明，翅片角度为 30“时为最优， 使翅片换热量达到最大。 国内，康海军等对 9 种平直翅片管的传热和阻力特性进行了实验研究，发 现翅片间距对传热的影响依赖于临界 Re 数，对于层流来说，片间距的增加会导致换 热的下降，而对于流动阻力而言，片间距越大，流动阻力越小，且两排管的性能优 于三、四排管。 李永平等对容积式换热器的非稳态自然对流换热进行了实验研究。考虑到实际 情况，箱体和外界的换热处于自然状态，工作流体为水，热媒采用低温热水，换热 组件采用矩形翅片圆管、矩形翅片椭圆管两种。实验表明，采用矩形翅片椭圆管代 替矩形翅片圆管，将大幅度的提升换热能力。热负荷不变时，将缩小换热器的体积;不改 变体积，可以大幅度缩短加热水所需的时间。 1.3 目前研究中尚存在的问题 目前，对空冷凝汽器管外的空气流动与换热特性国内外专家己经研究得较多， 但是还不够完善，特别是在现阶段存在以下几个方面问题： (1)由于设计专利的原因， 至今针对直接空冷凝汽器翅片散热器空气流动与换热 特性研究仍很少见诸报道。为实现对此技术进行吸收，提炼，继而国产化，有必要 对直接空冷凝汽器管外空气流动与换热特性做进一步研究。 (2)翅片管外空气流动与换热特性研究主要是采用实验研究和数值研究两种方法。 但实验研究存在一定的缺陷，例如：制作模型既费时又昂贵，测试费用高，周期长， 且针对性较强，实验的参数范围也有限；通常情况下实验模型比实物要小，使实验 存在一定误差；大多测量装置只能测量表面某一处的参数，会对测量结果的整体分 析产生一定的影响。 (3)设计上，一般认为空气侧散热器出口温度是一致的，但是实际上空气侧散热 器出口空气温度是变化的，研究空气变化规律有助于空冷系统的开发与设计，空冷 凝汽器翅片散热器的流动换热特性是散热器设计和优化的基础。 (4)直接空冷凝汽器总传热系数一般是由小型翅片管管束试验求得后在应用时 加以修正得到，由于试验时翅片管长度一般在 0.5m 以下，而实际为 10m 级，尺寸效 益明显，如何减少这种尺寸效应，准确的确定总传热系数还要进一步研究。 1.4 论文的主要工作 本文针对目前国内外凝汽器的发展的新趋势，对大型直接空冷凝汽器换热元件的传
鉴于此本文对电站直接空冷凝气器使用较多的矩形翅片单排管气侧换热和流动 特性进行研究，片管的优化设计奠定基础。 1.2.2 翅片管的研究现状 翅片管是散热器中的重要换热元件，在直接空冷散热器中，由于空气的比热容 较小，空气侧的表面传热系数远小于管内流体相变的表面 传热系数，因此使得直接空冷凝汽器体积非常庞大、金属消耗多。对热阻占主要比 重的空气侧实施强化换热措施，减小翅片管换热器空气侧的传热阻力，将能够有效 减小空冷凝汽器的体积和能耗，是提高换热器传热效果的主要途径。截至目前，空 冷元件的发展经历了三个阶段 I4]: (1) 20 世纪 50 年代的圆管圆翅片四排管;(2) 20 世纪 70 年代的矩形翅片椭圆管两排管;(3)目前的单排管。 其结构示意图如图 1.2 所 示
热理论进行了分析探讨，同时运用数值模拟的方法，了换热元件管外空气流动与换 热特性，本文分析了翅片管外空气侧的流动与换热特性，以上工作为不同环境、气 候和气象条件下机组运行参数的优化提供了理论依照。 本文研究内容和工作按照以下几个步骤进行： 首先，对直接空冷凝汽器的相关理论和原理进行了分析，这也是做本文的理论 准备部分，它为翅片管外空气流动与换热特性的数值模拟奠定理论基础。 其次，利用 FLUENT 软件对管外空气流动与换热特性进行数值研究，研究主要对 目前直接空冷凝汽器常用的换热元件矩形翅片椭圆管 建立三维几何模型和划分网格，接下来通过合理的定义边界条件和选择正真适合的 数学计算模型，进而得到翅片表面温度场、翅间压力场和速度场分布。 再次，通过对数据的分析比较，找出外界条件变化对翅片管外空气流动与换热 的影响规律。 最后，最后对 600MW 直接空冷凝汽器的变工况特性进行模拟计算，
图 1.1 直接空冷机组系统图 1 一锅炉;2 一汽轮机;3 一发电机;4 一空冷凝汽器; 5 一轴流风机;6-凝结水箱;7 一水泵 Fig, l . l The system of direct air-cooled condenser 相比间接空冷系统，直接空冷系统具有无中间介质、传热效果好、传热面积小、 不需大型冷却塔、占地面积小、初投资相比来说较低、运行灵活和防冻性能好等优点， 得到了全力发展。但是由于空冷凝汽器直接暴露在环境空气中，凝汽器对环境条件 的变化极其敏感。环境参数的变化尤其是环境侧风(包括风速、风温)的变化将直接 影响空冷凝汽器的运行性能，进而影响空冷电厂的安全经济运行。
体现在以下三个方面: 1)经济性好。数值模拟费用远低于实验研究费用，而且数值模拟可以从多种参 数的大量匹配组合方案中相对较快地选出最佳方案。 2)模拟能力强。不受地形地貌和空间范围限制，能随意设定风向、风速、环 境温度和蒸汽温度，较真实地模拟流场，且自动满足所有相似性参数和相似律。 3)数据完整。数值模拟能够给大家提供所有矢量场和标量场的数值分布，因而可以补 充试验研究所没有办法获得的数据。 国外，应用计算流体力学(CFD)对热交换器进行数值模拟研究，最早是由英国 的 Patankar, S. V 和 Spalding, D. B.在 1974 年提出来的，他们第一步应用多孔介 质中的流动及分布阻力的概念计算壳管式热交换器。 Meyer 和 Kroger 在 1997 年采用实验的方法研究了不同风机、不同翅片管散热 器(椭圆翅片椭圆管及矩形翅片椭圆管翅片管散热器)及不同充气室几何参数对充气 室流动损失的影响。后来他们又对九种翅片管散热器的进口流动损失进行了实验研 究，发现空气流过散热器的进口损失与流体平均速度无关，散热器翅片管的排列方 式对空气的进口流动损失有一定的影响。 Ricardo 也对板间的流体进行了 3D 模拟，同时，借助可视化实验技术，揭示了 翅片间距对传热、流动阻力的影响。可以清楚地看到，翅片间距对流动及传热的不 同影响趋势，在管子的上游，较小间距时的翅片相互影响能够抑制漩涡的产生，间 距进一步的增大则漩涡出现;在管子的下游，主要是尾迹的影响。翅片间距对平均 Nu 数和压力降的影响最大;翅片间距很小则压力降很大，翅片间距越大则对换热的 影响越小;同时发现提高 Re 数的效果和增大翅片间距对强化换热的效果是相似的。 Jin-Sheng. Leu 用 PHOENICS 软件模拟了圆形及椭圆形百叶窗翅片管换热 器进行了数值模拟，分析了百叶安装角度、间距及长度对空气侧换热和流动的影响， 认为空气侧压降随着百叶安装角度增加而增大，空气侧换热系数、摩擦力与百叶长 度成正比。 Matos 191 等先后运用数值模拟和实验的方法对叉排环形翅片椭圆管进行 结构优化。人 ytunc Erekl 等运用 CFD 软件采用数值模拟的方法，考虑了翅片的几 何结构，对散热器的传热和阻力特性进行了研究，根据结果得出翅片间距对压降有相当 大作用，另外随着椭圆管长短轴比的增大，换热性能提高，同时流动阻力减小。 Mehmet,Sahin 等运用 FLUENT 计算流体软件对平直翅片管换热器进行了三维数
图 1.2 翅片管示意图 Fig. 1.2 Sketch of finned-tube 对翅片管的研究主要是针对翅片管的换热和阻力性能进行研究。目前，对于翅片 管的换热及阻力性能方面的文献很多，但针对电站直强化换热的关键是对空气侧流 动与换热特性进行研究，目前，针对直接空冷用翅片管的研究，多采用 CFD 数值模 拟的方法，也有部分的实验研究，本文采用数值模拟的办法来进行研究。 数值模拟技术是上世纪五十年代出现的一个以计算数学为基础， 以大型计算机为 工具，来模拟仿真物理过程的研究方法，随着理论和技术的进步，计算研究方法已 经和理论方法、试验方法并列，成为第三种基本的科学研究方法。近十年来计算机 技术快速的提升，数值模拟技术也逐步开始实用化，在工业和工程设计中有着举足轻 重的作用。相对于风洞模拟实验方法，数值模拟技术在空冷系统研究中的优势主要
众所周知，电力工业生产不仅消耗大量的一次能源，同时也消耗大量的水资源。 特别是近些年来，能源需求的增长也带动了世界各国电力行业的加快速度进行发展，无论发 达国家还是发展中国家，都加大了对电力等基础行业投入，兴建了大量火力发电厂， 大容量、高参数汽轮发电机组持续不断的增加，超临界甚至超超临界机组的应用，这些机 组在燃烧耗用大量煤炭的同时，也消耗了大量的水资源，因而使水资源的供求矛盾 日趋尖锐。况且我国是一个水资源缺乏的国家，有关统计数据表明人均淡水资源仅 为 1856.3m3，人均占有水量只及世界人均占有量的 1/4，位于世界第 110 位，现已 被联合国列为 13 个贫水国之一。并且我国水资源的时空分布极不平衡。特别是我国 的“三北”(华北、东北、西北)地区，煤炭资源丰富，但水资源十分贫乏。水资源 的贫乏增加了将丰富的煤炭资源就地转化为电力的困难，空冷技术是一项既经济又 环保的技术，与常规水冷却技术相比较，采用空冷技术可节约电厂用水的三分之二， 在相同的水资源下，装机容量可扩大至原来的三倍以上，因此，空冷机组在广大富 煤缺水地区，具有广阔的发展前途。 当前用于发电厂的空冷系统主要有直接空冷系统和间接空冷系统。直接空冷是 指汽轮机低压缸尾部的排汽通过大口径的排汽管道立即进入排入空冷散热器管束， 通过大直径风机将空气抽入排汽冷却为凝结水，如图 1.1。间接空冷机组分为海勒 式和哈蒙式两种(1)海勒式空冷机组:汽轮机排汽进入混合式凝汽器与大量循环水混 合将其冷却(循环水水质与凝结水水质相同)，少部分水进入正常的回热系统，大部 分水进入布置在空冷塔内的散热管束， 被空气冷却;(2)哈蒙式空冷机组:汽轮机排汽 进入表面式凝汽器通过大量循环水将其冷却，循环水再进入布置在空冷塔内的散热 器管束，被空气冷却。
