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蛇形扁平管空冷凝汽器翅片管的数值研究点击：1793 日期：[ 2014-04-26 21:35:40 ] |
| 蛇形扁平管空冷凝汽器翅片管的数值研究 张树国,赵兴楼,张艳娟 (华北电力大学,河北保定 071003) 摘 要:蛇形扁平管凝汽器在空冷电站的应用上取得了很好的效果,为进一步优化扁平管翅片的物理结构,提高空冷电站凝汽器的冷凝效率,建立了蛇形翅片扁平管凝汽器及直翅片扁平管凝汽器的三维物理模型和数学模型,利用FLUENT软件进行数值计算。进行对流换热系数、流动损失、散热量的对比分析,结果表明:蛇形翅片扁平管翅片的物理结构存在进一步优化空间的可能性,直翅片扁平管具有更优越的冷凝效率。数值计算结果为直接空冷凝汽器的设计和优化改造提供了科学依据。 关键词:扁平管;蛇形翅片;直翅片;数值模拟 基金项目:华北电力大学博士科研基金项目(93102502) 作者简介:张树国(1965-),男,高级工程师,从事电厂节能技术研究。 中图分类号:TK264. 1+1 文献标志码:A 文章编号:1001-9529(2009)02-0284-03 直接空冷系统具有显著的节水效果。据资料显示,与常规水冷系统的火电厂相比,直接空冷电厂全厂耗水量可节约65%以上。直接空冷凝汽器是直接空冷电厂的主要换热元件,蛇形扁平管凝汽器在空冷电站的应用上取得了很好的效果,在冷却、防冻、维护等方面的性能均有了很大的提高[1-3],为了进一步提高空冷凝汽器的冷凝效率,本文首先针对蛇形翅片扁平管凝汽器,应用数值计算的方法对其流场、温度场进行研究;在此基础上,进一步对翅片结构优化改造后的扁平管凝汽器———直翅片扁平管凝汽器进行数值计算。通过对结果分析对比,得到了重要的结论,为单排扁平管凝汽器的进一步优化设计提供了科学的依据[4-6]。 1·理论分析 1.1 物理模型 蛇形翅片扁平管的基管长轴为220 mm,短轴为20mm,翅片长200mm,宽19mm(单侧宽度),翅片厚度0. 35 mm,翅片间距为2·8 mm,简化后模型如图1(a);直翅片扁平管的翅片长为244mm,宽为58 mm,翅片厚度0. 35 mm,翅片间距2·8 mm,简化后模型如图1(b);为消除入口效应和出口边界的回流现象对计算结果产生影响,将入口区域和出口区域进行适当的延长。 1.2 数学模型 对扁平管凝汽器的数学计算模型作如下简化假设: (1)计算区域的流动与换热是稳态的; (2)不考虑扁平管外管面与翅片的辐射换热; (3)翅片的导热系数为常数,翅片与基管间没有接触热阻,空气的物理性质在流动过程中没有变化。 1.3 边界条件 将两种翅片扁平管的边界条件设为相同的边界条件,以便进行各种换热性能优劣的比较。设定入口边界为速度边界条件,出口边界为自由流出口边界条件;基管与翅片采用自身导热和表面对流换热的耦合换热方式;基管内壁采用恒壁温条件,T=336K;其余的几何表面设为对称性边界条件和周期性边界条件;翅片及基管采用不锈钢材料。 1.4 网格划分及计算方法 用GAMBIT软件生成研究对象的网格,网格采用六面体结构性网格,根据不同计算区域精度要求的不同,采取分块划分技术。FLUENT软件计算过程中,计算模型采用标准的κ-ε两方程模型,压力与速度的耦合关系采用SIMPLE算法。 连续性方程和动量方程的相对残差小于10-4,能量方程的相对残差小于10-6。 2·计算结果与分析 对物理模型在迎面风速为1. 5, 2. 14, 2. 5, 3,3. 5, 4 m/s等6种工况下进行变工况计算。 2.1 扁平管翅片表面和对称面局部特性 图2和图3分别为迎面风速为2. 5 m/s时,蛇行翅片扁平管、直翅片扁平管表面温度和对称面风速的局部分布图。直翅片扁平管的翅片表面温度稍高于蛇行翅片扁平管的表面温度;直翅片扁平管的进口区域风速较大,尾部区域风速分布均匀,回流区域小,基于这个原因,直翅片扁平管尾部的换热性能良好,并且空气的流动损失也较小。 2.2 两种扁平管翅片表面对流换热系数 由图4可知,两种翅片管空气侧表面平均对流换热系数都随着迎面风速的增大而逐渐提高;在迎面风速小于2. 7 m/s时蛇形翅片扁平管的空气侧表面平均对流换热系数比直翅片扁平管空气侧表面平均换热系数大约9%,当迎面风速大于2. 7 m/s时,直翅片扁平管空气侧表面平均对流换热系数值超过蛇形翅片扁平管的值,并且两者间的差值随迎面风速的提高而逐渐增大。 2.3 两种扁平管翅片的流动损失 如图5所示,随着迎面风速的提高,两种翅片管的空气流动阻力将逐渐增加。在同一迎面风速条件下,空气流经直翅片扁平管的阻力明显低于流经蛇形翅片扁平管时的阻力,直翅片扁平管的流动损失比蛇形翅片扁平管的流动损失低约28·3%。从空气流动损失性能方面分析可以看出,直翅片扁平管具有非常明显的节能优势和潜力。 2.4 空气侧总的散热量 如图6所示,两种翅片扁平管空气侧总的散热量都随着迎面风速的提高而增大。在同一迎面风速下,直翅片扁平管空气侧的散热量高于蛇形翅片扁平管空气侧总的散热量,直翅片管空气侧总的散热量较蛇形翅片扁平管空气侧总散热量提高约8·82%,尽管直翅片扁平管对流换热系数低于蛇行翅片扁平管,其散热性能方面的优势非常明显。 3·结论 在6种迎面风速条件下,通过对两种扁平管翅片的传热系数、流动损失、散热量的变化规律分析,得出以下结论: (1)直翅片扁平管外表面平均换热系数低于蛇形翅片扁平管外表面平均换热系数; (2)直翅片扁平管空气侧流动损失低于蛇形翅片扁平管空气侧流动损失28. 3%左右。直翅片扁平管的应用能有效降低空冷岛风机的出力,降低全厂能量消耗,提高全厂发电效率,直翅片扁平管具有非常明显的节能优势和潜力; (3)从空气侧的散热量的角度进行分析得出:直翅片扁平管空气侧的散热量高于蛇形翅片扁平管散热量8. 82%。这一结论将有助于空冷翅片结构的优化改进,有助于降低电厂空冷岛的初投资,提高全厂发电效率。 通过对数值计算结果的分析,蛇形翅片扁平管的几何结构可以进一步优化改造,对直翅片扁平管进行研究将具有长远经济意义。 参考文献: [1]屠 珊,杨 冬,黄锦涛.椭圆翅片管空冷器流动传热特性的研究[J].热能动力工程, 2000, 15(5): 455-458. [2]胡汉波,李隆键,张义华,等.直接空冷凝汽器三维流畅特性的数值分析[J].动力工程, 2007, 27(4): 592-595. [3]杨立军,周 健,杜小泽.扁平管蛇形翅片空间的流动换热性能数值模拟[J].工程热物理学报, 2007, 28(1): 122-124. [4]施晨洁,陈亚平,施明恒.板翅式换热器空气冷却侧传热性能的数值模拟[J].工程热物理学报, 2007, 28(4): 664-666. [5]李海凤.板翅换热器倾斜波纹翅片传热与流动特性研究[D].威海:山东大学, 2006. [6] RomeroR, SenMayansK T. Effect ofFin Spacing on Con-vection in a Plate Fin and Tube Heat Exchanger[ J]. HeatMassTransfer, 2000, 43(1): 39-51. |
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