板式空冷凝汽器传热性能的数值研究

No.2in2011(TotalNo.240，Vol.39)doi：10.3969/j.issn.1673-7237.2011.02.004

建筑节能

■暖通与空调

HEATING,VENTILATING&AIRCONDITIONING

板式空冷凝汽器传热性能的数值研究

黄晓庆，张

旭

201804)

(同济大学暖通空调及燃气研究所，上海

摘要：对板式空冷凝汽器传热特性进行了研究，建立了空冷单元的物理模型，并构建了换热板束及外部的数学模型。利用CFD软件

利对空冷单元进行数值模拟，典型工况模拟结果与实测数据基本相符，可应用此模型对空冷凝汽器的传热性能进行深入研究。用该模型进行变风量数值模拟，通过数据分析整理得到空气侧的努塞尔特数与雷诺数的准则关联式，适用于该同类现象的分析与计算。

关键词：板式空冷凝汽器；变风量数值模拟；准则关联式中图分类号：TU831.4；TK2.1

文献标志码：A

文章编号：1673-7237(2011)02-0019-03

NumericalStudyonHeat-transferPerformanceofPlateAir-cooledCondenser

HUANGXiao-qing,ZHANGXu

(InstituteofHVAC&Gas,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Abstract:Theheattransfercharacteristicofplateair-cooledcondenserisstudied,thephysicalmodelofair-cooledunitisbuilt,andthemathematicalmodelsofplateheatexchangerandspaceoutoftheheatexchangerareestablishedindividually.Thentheair-cooledunitissimulatedusingCFDsoftware,andnumericalresultsagreewellwithactualdata,thatshowsthesimulationmodelisreliable.ThenwithVAV(variableairvolume)numericalsimulation,thecorrelationformulabetweenNusseltnumberandReynoldsnumberisacquired.

Keywords:plateair-cooledcondenser;VAV(variableairvolume)numericalsimulation;correlationformula

0引言

我国火力机组发电量占总发电量的80%以上，火力发电是我国需水量最大的行业之一，由于我国煤炭基地多集中于北方，但是北方大部分地区缺水。按照我国电力工业发展规划，今后应着重建设在煤矿附近“坑口电站”，显然缺水问题是此发展规划的最大障的碍[1]。在电站中最有效的节水措施就是发展空冷技术，建立电厂冷端的干冷系统。空冷电厂理论上不消耗循环冷却水，电厂的补充水量大为减少，更重要的是空冷电厂的选址不受水源的，这样发展空冷技术使

发展空冷技术建设坑口电站成为可能。在其他行业，

替代水冷，可以很好地缓解我国水资源紧张的状况[2]。

由于空气换热系数小，因此，如何强化传热、减小流动阻力、提高紧凑性成了空冷器的关键技术问题。板式换热器具有换热效率高、结构紧凑的特点。结合板式换热器和空冷技术的板式空冷器，突破了传统光管式或翅片管式空冷器的结构特点，具有广阔的市场应用前景[3]。

本文通过数值模拟，对不同通风量进行了模拟计算，整理得到空气侧的努塞尔特数与雷诺数的准则关联式，适用于该同类现象的分析与计算。

收稿日期：2010-10-20；修回日期：2010-10-26

1空冷凝汽器原理

电站板式空冷凝汽器的典型设计结构如图1所

示，主要由顺流板束、逆流板束、风机、平台构架、挡风墙等组成。传热单元为全焊式板束，板束屋脊式布置，鼓风式风机水平安装。蒸汽通过蒸汽分配管线进入顺流板束内自上向下流动，不凝气由下管线进入逆流板束自下向上被抽出，空气横穿板束，与热介质间壁换热。

蒸汽分配管

顺流板束不凝气排放管

逆流板束

挡风墙

立柱风机护网风机桥架风筒电机及减速箱

图1空冷凝汽器原理图

Fig.1Schematicdiagramofair-cooledcondenser

2空冷单元数值模拟

2.1物理模型

实际工程中顺流板束20个，逆流板束4个，板束

19

宽度2.13m，由174个板管组成，板管间距为6.4mm；顺流板管长6m，宽0.2m；逆流板管长5.4m，宽0.2m。6个板束与设置在下部的鼓风式风机和四周的挡风墙一起，组成一个板式空冷凝汽器单元，多个空冷单元组成空冷凝汽器。建模过程对空冷单元进行合理简化，如图2所示，用长方体及其内部结构代表空冷单元(尺寸为7m×7m×10m)。

空气侧参数：空气流量Q1=476.5m3/s；进口空气温度平均值t1=27.1℃(12个测点)；出口空气温度平

蒸汽侧参数：汽轮机蒸汽均值t2=62.8℃(21个测点)。

排汽压力pc=51.23kPa，排汽温度流量W=30.17t/h；

tc=80.8℃；凝结水温度tw=66.3℃。

模型建立后，利用GAMBIT内设的网格划分工

通过采用不同的具生成网格。总网格数为1341949，

网格划分检验了网格无关性。

10m

ZX

7m图2

7m

空冷单元物理模型

Y

Fig.2Physicalmodelofair-cooledunit

2.2控制方程和边界条件

2.2.1控制方程(换热板束内侧及外侧)

在换热板束内侧及外侧，空气的流动和传热满足以下控制方程[4-5]：

(1)连续性方程：

uj/xj=0(1)

(2)动量方程：ρuj·(ui/xj)=-(p/xi)+μ·(2ui/xjxj)+(/xj)(-ρu'ju'i)+ρgβ(T-Tref)(2)

(3)湍流脉动所造成的应力表示为：-ρu'ju'i=μt(ui/xj+uj/xi)-(2/3)·[ρk+μ·t(ui/xi)]·δij(3)(4)能量方程：

(ρujT)/xj=(/xj)[(k/cp+μt/σT)·(T/xj)](4)(5)湍流动能k方程：

(ρk)/t+(ρkui)/xi=(/xj)[(μ+μt/σk)·(k/xj)]+Gk+Gb-ρε(5)

(6)湍流动能耗散率方程：20

(ρε)/t+(ρεui)/xi=(/xj)[(μ+μt/σε)·(ε/xj)]+(C1εε/k)(Gk+C3εGb)-C2ερ·(ε2/k)(6)式中：u为速度；

i，j指标取值范围为1、2、3；ρ为空气密度；p为压力；

μ为空气的动力黏性系数；u'为脉动速度；β为热膨胀系数；T为温度；

Tref为参考温度，可取风机入口温度t1=27.1℃作参考温度；

μt为湍流动力黏性系数，μt可表示成k和ε的

·(k2/ε)，Cμ=0.09，k为单位质量流体的湍函数μt=ρCμ

流动能，ε为湍流动能耗散率；

Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能k的产生项；Gb为由于浮力引起的湍流动能k的产生项；cp为定压比热；σT、σk、σε、C1ε、C2ε、C3ε为经验常数。2.2.2边界条件和源项(换热板束)

计算区域入口边界为该单元空冷风机的入口，采用massflowinlet入口条件(单元入口空气温度为300.1K，空气流量为142kg/s)；出口边界为单元模型

换热板束按多孔介质区顶面，采用outflow出口条件；

域处理[6]；换热板束四周的间壁采用wall边界条件。

换热板束内蒸汽的冷凝过程进行了简化处理，即不考虑蒸汽在换热板束内的具体凝结过程，只考虑其凝结放热量大小的影响。换热板束按多孔介质区域处理，则在能量方程(4)中增加源项，假设换热板束的热负荷核定，计算得到单元热负荷Q为4.96MW。

对于换热板束，在动量方程(2)中增加动量源项。计算的关键是找出动量方程中应附加的源项与空气自由流速度的关系。根据文献[7]实验数据(换热板束干工况变风量阻力特性实验)，拟合得到阻力与换热板束法方向速度u之间的关系式(7)：

p=62.75·板宽·u2(本次模拟板宽为0.2m)(7)可得惯性阻力系数C2=21.5。

数值模拟计算机为IntelXeonE20,2.5GHz主频，8G内存。2.3计算结果

图3为空冷单元Y=0断面温度分布图，空冷单元空气温度分布均匀。换热板束内侧的空气温度基本上为300K，空气出口温度平均值为334.7K，其他区域的空气温度介于两者之间。数值出口温度334.7K与测试出口温度335.8K一致，表明数值模型可靠。基于此模型，对空冷单元的传热特性进行深入研究。

1098763210

335

335

335

330325

335330325310300

330

325

增加而增大。

对于空气，普朗特数Pr可作为常数，故空气受迫紊流换热时的准则关联式为：

Nu=f(Re)

如3.1节所述计算方法，整理得到空气侧努塞尔特数Nua与雷诺数Rea的准则关联式：

Nua=0.007Rea1.031，2184.5≤Rea≤5230.9(8)准则关联式中的常系数由数值模拟确定，根据相似原理，它表征了同一类换热现象的规律，从而可适用于该同类现象的分析与计算。

2传热系数K/[W/(m·K)]Z150.0100.050.00.0

0.00图4

图3

X

空冷单元Y=0断面温度分布图

-2024

Fig.3TemperatureprofileofcrosssectionY=0

3变风量数值模拟

3.1数据分析

在实际工程中，饱和水蒸气入口温度为80.8℃，

因存在凝结过程，则应将凝结水出口温度为66.3℃，

“饱和”和“降温”分段计算。但由于温差较小，则忽略凝结水降温段。

空气与饱和水蒸气换热为一次交叉流[8](两种流体在相互垂直的方向流动)，两种流体各自都不混合。则对数平均温差τm：

2.004.006.008.00

空气流速ua/(m/s)传热系数随空气流速变化

Fig.4Heattransfercoefficientwiththevariationofairvelocity

4结论

以某电厂板式空冷凝汽器实测运行数据为基础构建了计算模型，典型工况模拟结果与实测数据基本

可应用此模型对空冷凝汽器传热性能进行深入相符。

研究。通过变风量数值模拟，整理得到空气侧努塞尔特数Nua与雷诺数Rea的准则关联式，适用于该同类现象的分析与计算。

参考文献：

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t'53.7

=33.47℃=(53.7-19.1)/ln19.1t''式中：t'为温差较大一端；

t''为温差较小一端。空冷单元传热面积：

A=174×6×(6×0.2×2)=2505.6m2

空冷单元的传热系数：

2

K=φ/(A·tm)=(4.96×106)/(2505.6×33.47)=59.0W/(m·K)

以2倍空气通道间距(2Sa)为特征尺寸，以空气进出口温度的平均值为特征温度Ta=317.4K，则板式空冷器空气侧的努塞尔特数Nua：

Nua=K·2Sa/λa=59×2×0.00/0.025=29.6式中：λa为空气的导热系数。

利用fluent计算可得换热板束内侧空气的平均流速ua=3.6m/s，换热板束外侧空气的平均流速为5.9m/s。以板束内侧空气平均流速ua为特征速度，则板式空冷单元空气侧的雷诺数Rea：

Rea=ua·2Sa/va=3.6×2×0.00/(15×10-6)=3072式中：va为空气的运动黏性系数。3.2变风量数值模拟

在验证工况中，风机运行平均效率仅为60%，空冷系统约有40%的富裕量。现改变测试工况验证模型风量及相关参数，得到空冷单元传热系数随板束内侧空气流速变化曲线(模风量变化范围100～240kg/s)，如图4所示，空冷单元传热系数随着入口空气流量的tm=(t'-t'')/ln

作者简介：黄晓庆(1984)，女，辽宁丹东人，暖通空调专业，从事蒸发冷却方向的研究(hxq-101@163.com)。

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