冬季低风速下空冷机组蛇形翅片管的换热和阻力特性

邹庆江，李鹏，郭民臣，李安生

(1.神华国能蒙东能源有限公司，内蒙古呼伦贝尔　021000; 2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京　102206)



冬季低风速下空冷机组蛇形翅片管的换热和阻力特性

邹庆江1，李鹏1，郭民臣2，李安生2

(1.神华国能蒙东能源有限公司，内蒙古呼伦贝尔021000; 2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206)

摘要:在环境温度较低的冬季，为了防止空冷凝汽器翅片管束低负荷工况下发生冻结，风机被迫低速运行或停运，因此有必要分析和研究低风速下翅片管的传热特性和阻力特性及自然通风时空冷系统的状态。利用流体计算软件模拟了环境温度、翅片管束壁面温度和空气入口速度对翅片管温度场和速度场的影响规律。建立了直接空冷系统自然通风的空气流动推动力生成模型，在数值模拟的基础上分析了单排翅片管束的阻力特性和传热特性，通过升力与阻力的平衡得出某工况下自然通风空气的流速，并计算了对应的传热系数，为直接空冷凝汽器在低风速下的运行和优化设计提供依据。

关键词:空冷机组;数值模拟;蛇形翅片管;传热特性;阻力特性

0　引言

近十几年来，空冷机组在我国北方地区得到了广泛应用，其中以直接空冷机组为主。空冷机组运行中存在的一个重要问题是冬季防冻，要使空冷机组达到冷却要求，空冷凝汽器多采取翅片结构，较大的换热面积有效增强了换热，充分保证了夏季满发，但在寒冷的冬季，当机组负荷比较低时，空冷凝汽器很容易冻结，严重影响机组运行的安全性。

在冬季环境温度和机组负荷都比较低时，直接空冷凝汽单元下部的风机被迫在低速下运行［1］，有的风机转速甚至在额定工况的20 ％左右。这种运行方式虽然有效降低了翅片管冻结的可能性，但不能完全避免冻结，在恶劣的条件下即使关闭所有风机运行，仅靠自然通风也能使管束发生冻结［2］。因此，研究冬季低风速下空冷凝汽器的换热特性，掌握风机在低速运行，甚至停运状态时空冷翅片管的换热情况，有助于进一步分析翅片管的防冻性能，对空冷机组冬季工况的运行和优化具有重要意义。

1　直接空冷散热单元自然通风的流动分析

即使关闭所有空冷单元的风机，空冷翅片散热器中仍然有空气通过，使翅片管得到冷却，这就是自然通风。为简化分析，这里所说的自然通风仅指由于散热器在自身温度场的分布作用下，空气对流形成的风量。对于大气环境作用下的自然风对空冷系统的影响暂不予考虑，而这种横向自然风的影响将来可以与散热器自身温度场作用形成流场叠加，主要是造成空气流动场的不均。因此，这里仅涉及室外静风状态下空冷岛自身流动状态的建模。

空冷系统自然通风状态如图1所示，图中示意了左右2个A型散热装置翅片管束围成的区域，该区域与两端的挡风墙构成了一个相对封闭的空间，该空间是空气经过散热器加热之后形成的一个热流体空间。因此，该立体空间内会形成类似双曲线冷却塔内的对流流动现象，只不过受空间高度的限制这里的流动不像双曲线塔内部那样剧烈，流动速度较低，所以就形成了小风速情景。

图1　空冷系统自然通风状态

空气流动的动力来自热空气与冷空气的密度差，由于空冷A型散热装置呈三角形，2个A形散热翅片之间形成的空间是▽形的，因此，推动空气流动的动力沿翅片管的分布是不一样的，这里按一个平均高度进行计算，故式中:Δp为密度差形成空气上升的推动力，Pa;ρ'，ρ″分别为冷空气和热空气的密度，kg/m3; g为重力加速度，m/s2; h为两翅片管间围成的▽的高度，m。最终用于克服空气穿越翅片的流动阻力形成一定流速的稳定自然通风状态。

2　单排蛇形翅片管束的数值模拟

目前，300 MW及以上大型火电机组广泛采用单排管、双排管和三排管。单排蛇形翅片管流动面积可以被充分利用，散热性能好，是目前直接空冷凝汽器的主要形式。因此，本文选用单排蛇形翅片管进行分析研究，具有一定的代表性。

2.1单排蛇形翅片管的物理模型

单排蛇形翅片管束如图2所示，其主要设计尺寸见表1。

图2　单排蛇形翅片管

表1　翅片管主要设计几何尺寸　mm

由于翅片管束具有对称性，为了方便模拟，仅以翅片管的一半区域作为计算域，计算域如图3所示。另外，为了保证来流的均匀性，在空气的进口位置将计算区域上游延长了150 mm;为了避免出口的回流效应，在空气的出口位置将计算区域向下游延长了450 mm。

图3　翅片管束计算域与部分网格示意

2.2单排蛇形翅片管的数值分析模型

为了便于分析低风速下翅片管束的阻力和传热特性，对该问题的数值模拟过程进行了如下简化:横掠翅片管束的空气是不可压缩的、常物性的流体;汽轮机排汽在翅片管束中的凝结是定温凝结过程，将翅片管的基管设置成定壁温条件，温度与凝结温度相同;由于风速比较低，当空气入口速度为1.0 m/s时，Re =454.3＜2000，因此空气在翅片管束中的流动视为层流;空气的黏性相对较小，忽略黏性耗散和体积力;不考虑辐射换热和自然对流产生的影响;流体在壁面上无滑移;忽略翅片和翅片管间的接触热阻，设定翅片导热率为定值。

对稳态、不可压缩、常物性流体，流动和换热满足的微分控制方程［3］包括连续性方程、动量方程和能量方程，分别为

式中: ux，uy，uz及ui为空气在x，y，z方向上的速度分量，i = x，y，z; p为空气静压力; t为空气温度;ν为运动粘度;λ为导热系数。

2.3边界条件

与空气流动方向垂直的平面上，沿管长方向的两个面为周期性边界条件，翅片管纵截面方向设置成对称性边界条件。入口边界条件为速度入口、自由流出口，认为蒸汽在基管内是等温凝结，铝制材料的导热系数比空气要高得多，故可以将基管的温度设置成等壁温条件，温度等于蒸汽的冷凝温度，忽略翅片管和翅片的接触热阻。

速度与压力耦合采用标准的Simple算法［4－5］，对流场的离散采用一节迎风格式，翅片表面温度分布由空气对流换热及翅片导热耦合求解。连续性方程、动量方程和质量方程的收敛标准都低于10－5。

3　低风速下单排蛇形翅片管特性分析

分别模拟了不同环境温度和翅片管基管温度条件下，空气以不同速度横掠翅片管束时的温度场和速度场，由于空气以低风速横掠翅片管束进行换热主要发生在温度极低的冬季，因此设定冬季室外环境温度较低，分别为－10，－20℃，空气横掠翅片管束的速度分别0.6，0.8 m/s。翅片管基管的最低温度设定为40℃，基准状态下的参数分别为:环境温度－10℃，翅片管基管温度40℃，空气入口速度0.6 m/s，数值模拟在基准状态基础上改变某一参数。

3.1温度场和速度场

由图4～11可知，单排蛇形翅片管的换热程度受空气入口速度的影响较大，翅片管基管温度和环境温度对翅片管束的换热程度影响较小。

图4　空气以0.6 m/s横掠翅片管束的温度场

图5　空气以0.6 m/s横掠翅片管束的速度场

图6　空气以0.8 m/s横掠翅片管束的温度场

图7　空气以0.8 m/s横掠翅片管束的速度场

图8　环境温度为－20℃翅片管束的温度场

图9　环境温度为－20℃翅片管束的速度场

图10　翅片管基管温度为50℃的温度场

当保持翅片管基管温度和环境温度不变时，迎面风速越大，翅片管束的换热程度越强，高温区区域变小越明显。空气入口速度对速度场的影响表现在，风速越大，空气离开翅片管束的扰动越强;当保持迎面风速和翅片管基管温度不变，仅改变环境温度，不同的环境温度下翅片管束的换热程度相似，高温区区域范围变化不大，速度场的差别不明显。如保持迎面风速和环境温度不变，仅改变翅片管基管温度，不同的壁面温度下，翅片管束的换热程度相似，高温区区域范围变化不大，速度场的差别不明显。

图11　翅片管基管温度为50℃的速度场

3.2单排管的阻力特性

通过对翅片管束的数值模拟，得到了不同翅片管基管温度和环境温度下，空气流经空冷凝汽器的进出口压力、空气离开翅片管束的温度，热流量等重要参数，具体数据见表2。表2中: t1，t2，t3分别为环境温度、翅片管束基管面温度、空气出口温度; v为空气入口速度; Q为热流量。

表2　不同环境温度、翅片管基管温度和迎面风速下数值模拟的重要参数

4　计算结果分析

4.1自然通风状态下的风速

空气流经翅片管束的阻力，即空气流经翅片管束时产生的压力损失，该压力损失应由翅片管进出口的压降定义［6］，即

式中:Δpr为空气流经翅片管束时产生的压力损失，Pa;为空气进口的平均压力，Pa;为空气出口的平均压力，Pa。

当风机全停时该压力降应由空气产生的热压差克服，即式(1)所表示的动力与式(5)所表示的阻力要达到平衡。针对环境温度为－10℃时所计算的出口空气温度，设大气压力为100 kPa，所计算的空气上升的热压及阻力见表3。

表3　环境温度－10℃时不同风速下的阻力和热压

根据表3可近似得到空气入口风速与流动热阻的关系如图12所示，由图12可知:在风速约为0.73 m/s时，翅片的阻力与热压近似相等，即风机全停时自然通风的风速约为0.73 m/s。那么，如果此时机组负荷比较大，防冻压力较小，可启动风机获得比较大的风速，提高冷却能力。

图12　流动阻力随空气入口速度的变化

4.2单排管的传热特性

利用管内/外蒸汽、空气的进/出口温度和总传热量，采用对数平均温差法获得总换热系数，具体表达式［7－8］为

式中: Q为热流量，W; A为总换热面积，m2;Δt为对数平均温差，℃; K为总换热系数，W/(m2·K)。

对数平均温差为

式中: t1为入口风温，℃; t3为空气出口平均温度，℃; ts为蒸汽的凝结温度，℃;Δt为对数平均温差，℃。

计算得到的空气流经空冷凝汽器的传热特性见表4。

单排管的流动阻力和换热系数随迎面风速的变化分别如图12和图13所示。当保持环境温度和翅片管束的壁面温度不变时，随着空气入口速度的增加，流动阻力和换热系数也相应提高;空气入口速度和翅片管束基管温度一定时，随着环境温度的降低，流动阻力增加与换热系数均增大，但变化量很小;环境温度和空气的入口速度一定时，随着翅片管束基管温度的升高，流动阻力和换热系数都会略微增大，但变化量也很小。

表4　空气流经单排管传热特性

综上所述，空气横掠翅片管束的流动阻力和换热特性主要受迎面风速的影响，受环境温度和翅片管束的壁面温度的影响较小。

空气的流动阻力与空气的入口速度基本呈线性关系，采取差值的方式可以得到不同流动阻力对应的空气入口速度。自然通风条件下风速为0.73 m/s，则换热系数约为24 W/(m2·K)。

图13　换热系数随空气入口速度变化关系

5　结论

针对空冷机组冬季低温工况，利用数值模拟的方法，开展了单排管翅片在自然通风时的阻力和传热特性研究，总结了不同风速、环境温度下翅片管束的阻力和传热系数变化规律，主要结论如下。

(1)空气的流动阻力和传热特性受空气入口速度的影响较大，随着空气入口速度的增加，空气的流动阻力和传热系数会显著地增加;而环境温度和翅片管束基管温度对空气流动阻力和传热特性的影响较小，可以忽略不计。

(2)当风机全部停运空冷系统在自然通风状态运行，环境温度为－10℃与基管温度为40℃的工况下，自然通风风速约为0.73 m/s，传热系数约为24 W/(m2·K)，翅片管阻力约为10 kPa。

参考文献:

［1］张长志，只建强.300 MW CFB直接空冷机组空冷岛的防冻保护［J］.电力建设，2008，24(6) : 23－25.

［2］石磊，石诚.冬季自然通风状态下直接空冷凝汽器的性能［J］.汽轮机技术，2009，51(2) : 137－140.

［3］郭民臣，任德斐，李鹏，等.空冷凝汽器积灰对运行调节影响的计算分析［J］.中国电机工程学报，2012，32(11) : 60－65.

［4］申微波.直接空冷凝汽器空气侧传热和流动的数值模拟［D］.武汉:华中科技大学，2008.

［5］宋富强，屈治国，何雅玲，等.低速下空气横掠翅片管换热规律的数值研究［J］.西安交通大学学报，2002，36 (9) : 899－902.

［6］李凤梅.波形翅片管换热器空气侧传热与流动特性的数值研究［D］.大连:大连理工大学，2013.

［7］史美中，王中铮.热交换器原理与设计［M］.南京:南京大学出版社，2009.

［8］郭民臣，彭新飞，李美宝，等.冬季自然通风条件下直接空冷凝汽器性能分析［J］.热力发电，2014(7) : 131－134.

(本文责编:白银雷)

邹庆江(1967—)，男，山东莱芜人，高级工程师，总工程师，从事火力发电厂生产管理与技术管理方面的工作(E-mail: gmc6666@163.com)。

作者简介:

收稿日期:2015－07－23;修回日期:2015－10－31

中图分类号:TK 223.26

文献标志码:A

文章编号:1674－1951(2016)01－0013－05