入口蒸汽速度分布对凝汽器传热系数的影响

　　摘 要：
　　针对不同的凝汽器入口蒸汽流场，采用有限差分方法计算凝汽器的传热系数和端差。指出合理的流场会使传热系数增加，为凝汽器设计和改造提供参考。
　　
　　关键词：凝汽器 有限差分 数值计算 传热系数
　　
　　1. 引言
　　
　　凝汽器入口蒸汽流场并不均匀，有的甚至很不合理[1,2]，无法满足管束设计的要求。对排汽通道优化改造后，尽管排其损失系数有轻微的增加，但凝汽器入口流场变得更加合理[1]。流场的变化会影响凝汽器的传热系数，本文将对此做数值分析。
　　
　　2. 凝汽器入口蒸汽流场情况
　　
　　图1(a)是通过模型实验测得的300MW机组凝汽器入口蒸汽流场（图中的上边线是凝汽器的中心线，下边是凝汽器的侧边，相对长度方向与冷却管纵向一致）。可见在原有结构下入口流场极不合理靠近侧边是高速区，蒸汽速度均在100m/s以上；中间是很大的漩涡区，该区域中由于蒸汽几乎不流动，不凝结气体就会汇聚在一起，影响管束的传热系数，造成总体传热系数的下降。
　　
　　而在喉部或排汽缸加装合适的导流装置以后，可以明显改变流场的分布情况，使其变得更加合理。见图1(b)、(c)。文献[3]指出，当汽测蒸汽速度在50m/s 以下时，局部传热系数随蒸汽速度的上升而增加，但当蒸汽速度达到50m/s 以后，随着蒸汽速度的上述，局部传热系数不再变化。因此可以断定，流场合理后凝汽器的传热系数必然上升，毕竟总的传热系数是各局部传热系数的某种加权平均值。
　　
　　3. 传热系数的数值计算
　　
　　3.1 计算方法
　　
　　凝汽器的换热系数可以用下式来计算[4]：
　　
　　式中αw ——管内壁对冷却水的放热系数， W/(m2.K)； ——分别为冷却管的外径和内径，m；λ——冷却管的导热系数，W/(m.K)；1 d，d2s α——管外侧蒸汽凝结放热系数，W/(m2.K)；水侧放热系数αw由（2）式计算[4]：
　　
　　式中：Re ——雷诺数， 2 Re w w =V d v ；Vw——冷却管内水流速，m/s； ——冷却水的运动粘性系数，mw v2/s； ——普朗特数， r P r w P = v a；a——冷却水的导温系数，m2/s；w λ ——冷却水的导热系数，W/(m·K)； w、和v a w λ 都按冷却水的定性温度查得，取冷却水平均温度作为定性温度：
　　
　　α 数值决定于水速、水温及管径。只在汽侧蒸汽速度变化的情况下，由于管内水速及水温沿冷却表面变化不大，所以沿冷却表面可认为w α 不变。
　　
　　同样，认为管壁导热热阻1沿冷却表面不变。
　　
　　流场的改变，直接影响汽测的凝结放热系数s α。在总结了各类凝汽器的实验结果的基础上，前苏联的施克洛维尔提出了下述计算汽侧放热系数s α的公式[5]：
　　
　　式中：Π——表征冷却管束流体动力学相似的无因次参数， 21 / s si c Π = ρ V ρ gd其中：ρs为蒸汽密度，kg/m3；Vsi为凝汽器入口处的管间折合流速，即蒸汽进口处各冷却管之间最窄通道处的蒸汽平均流速，siiiVVSS=；iV为凝汽器单元入口处的蒸汽平均流速，m/s；Si为单元进口处面积，m2；S为单元管束管间最窄通道的面积，m2；cρ为凝结液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；为管子外径，m； 1dS——管束进口处冷却管间最窄通道面积之和与管束冷却面积之比。
　　
　　n为管束中的管子数目，S表征了管束的几何特性。
　　
　　Nu——静止纯蒸汽在单根水平圆管外管上发生凝结时的努谢尔特数，1cNudαλ=。α——不考虑蒸汽流动的放热系数[4]，W/（m2·K）；r——汽化潜热，kJ/kg；cμ—凝结水运动粘度，m2/s；cλ——凝结水导热系数，W/（m·K）；它们可按ft查表得到；是确定冷却管外壁上凝结水膜层物性参数的定性温度q为凝汽器比热负荷；cqQF=；Q为凝汽器热负荷，QD(') c c c = h h c F ；为凝汽器冷却面积；而式（3）中的()0.15S实际上表示了蒸汽在管束内流动过程中速度的变化以及从冷却管滴落的凝结水对蒸汽侧对流放热的影响；0.040ε——表示空气漏入凝汽器对蒸汽侧对流放热系数的影响。蒸汽在凝汽器管束中刚开始凝结时的相对空气含量ε0按下式计算[6]：
　　
　　施克洛维尔计算公式的αs考虑了蒸汽流速、管束几何特性、多流程凝汽器内的温度再分配、空气相对含量等因素对凝结放热过程的影响，计算结果与实测值比较接近。
　　
　　3.2 传热系数的数值计算及结果
　　
　　根据前述方法，对某机组凝汽器改造前后的传热系数和端差进行计算。计算中的相关数据和处理方法分布介绍如下：
　　
　　（一）凝汽器的有关参数：
　　
　　冷却面积： Fc=15770 m2
　　冷却水温度： =20 ℃ 1wt
　　凝汽器压力： cp=0.0054 MPa
　　冷却管内水流速： =2.3m/s wV
　　冷却管总根数： N=18994
　　根冷却管材质： Hsn70—1A
　　冷却管规格： Ф25×1.0
　　排汽的干度： x=0.9004
　　流程数： Z=2
　　凝汽量 =591.16t/hcG
　　
　　（二）计算采用的假设条件：
　　
　　1．在同一排汽通道内，流量均分地流入上下两组管束中进行凝结放热。
　　
　　2．同一排汽通道内上、下两组管束的凝结放热系数相同。
　　
　　3．进入各冷却管中的冷却水流速相同。
　　
　　4．冷却管沿凝汽器宽度方向均匀分布，2.0iSS=。
　　
　　（三）计算过程中的处理方法
　　
　　将凝汽器入口截面划分成足够多个面积单元，利用MATLAB软件拟合（有限差分法）出该单元中心点蒸汽速度，作为该面积单元的入口速度。
　　
　　根据文献[3]，对入口速度高于50m/s的单元，计算时速度取为50m/s；对于漩涡区，则取速度为0m/s；对于入口速度在0～50m/s之间的单元，计算时取实际值。
　　
　　在按照（3）式计算出各单元的汽侧凝结放热系数sα后，按（1）式计算该单元的传热系数，最终利用下式加权平均的方法求得凝汽器总体传热系数：
　　
　　式中——第i面积单元对应的管束局部换热系数。——第i面积单元对应管束的冷却面积。——凝汽器的冷却面积。ikiFcF最后利用（6）式计算出端差。
　　
　　（四）计算结果：
　　
　　将各已知数据代入前述各公式，可得计算结果，见表1。
　　
　　3.3 工业应用结果
　　
　　根据计算结果，传热系数上升、端差下降，必然会使汽轮机排汽压力降低。图2是喉部改造方案工业应用前后的对比实验。可见，在不同的工况下，排汽压力都有明显的降低，机组经济性得到提高，证明前述的分析和计算是正确的。
　　
　　4. 结束语
　　
　　计算和实验结果表明，合理的凝汽器入口蒸汽流场会使传热系数增大，降低机组的排汽压力。在凝汽器设计、改造和研究中应引起重视。
　　
　　正确利用此项技术对国产引进型300MW汽轮机排汽缸和喉部进行改造，可以提高凝汽器的传热性能，获得明显的经济效益。