弓形导流板对“V”型直接空冷单元流动传热特性的影响.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()山西省自然科学基金()作者简介:李莹莹()女硕士研究生 研究方向为对流换热强化及新型换热设备的开发弓形导流板对“”型直接空冷单元流动传热特性的影响李莹莹阴继翔张 辉王国栋李娜英(太原理工大学电气与动力工程学院太原)摘要:采用 软件对“”型直接空冷单元在环境横向风影响下的流动传热特性进行模拟研究 为缓解翅片管束出口温度分布不均匀的问题在“”型直接空冷单元风机出口处加装弓形导流板 首先对加装导流板前后空冷单元的内部流场进行对比分析随后探究了弓形导流板不同数量、倾角及高度对内部空气流动和传热特性的影响并对参数进行了优化最后比较了空冷单元内加装最优化的弓形与矩形导流板的换热效果 结果表明:在空冷单元的风机出口加装弓形导流板可有效减弱环境风的不利影响使散热器出口的速度及温度分布更加均匀局部高温区域逐渐消失改善了空冷单元的换热性能在弓形导流板数量为 块、倾角为、高度为.时导流效果最佳与矩形导流板相比弓形导流板对空冷单元散热效果的改善较为明显 论文所得结果可为空冷单元的优化设计提供一定理论依据关键词:“”型直接空冷单元弓形导流板流动传热特性环境风数值模拟分类号:文献标识码:文章编号:()():.:前 言直接空冷技术以其优良的节水性能极大地缓解了我国北方地区水资源的匮乏问题但环境条件的变化会不同程度地影响到直接空冷机组的正常运行 很多学者针对横向风的不利影响及改善措施进行了研究张利君以 “”型直接空冷单元为研究对象主要分析了环境风速和温度对空冷凝汽器换热的影响 得出的结论如下:环境温度越高空冷单元与冷却空气之间的换热就越差环境风速的增大对空冷单元内部流场也有一定影响环境风速较大时空冷单元内部流场出现换热不均匀现象 利用对“”型空冷单元进行研究并分析了不同环境风速和风向下空冷凝汽器的换热情况结果表明环境风速的增大会一定程度的降低空冷单元的换热量针对直接空冷凝汽器受到环境风不利影响的问题学者们提出了一些改进措施 严鹏航通过在空冷岛下方加装导流板来改善炉后来风的不利影响对不同的导流板结构进第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.行模拟探究得出最佳的布置方式并在最优导流板结构基础上再下延挡风墙增强空冷单元的流动换热 程友良 设计了风机出口不同形状的导流板并对导流板的不同数量进行了模拟研究 等数值研究了空冷岛四周安装平行导流板对风机吸入量的影响得出了导流板倾角为 时凝汽器换热效果最佳的结论 等通过数值模拟方法对 阵列布置的空冷岛进行了分析提出在空冷岛下方加装“十”字型防风网的措施以削弱环境风的影响并分析了不同高度和阻力系数的防风网对环境风的削弱效果得出了最佳阻力系数为 最佳高度为空冷平台高度一半的结论 杨建国为了改善“”型空冷单元内部流量分布不均匀的问题提出一种新的“”型布置方式的直接空冷单元研究了“”型和“”型下直接空冷单元的两种布置方式并通过数值模拟研究流动特性指出“”型直接空冷单元内部的速度分布更为均匀易文杰在考虑环境风的情况下对“”型空冷单元风机出口加装不同数量的平直导流板进行数值研究结果表明风机出口加装平直导流板能降低出口面的温度使翅片管束出口温度分布更均匀综上所述关于直接空冷单元研究的文献主要集中在“”型布置上而对于环境风对“”型直接空冷单元的不利影响及其改善措施的研究较少故本文在现有研究的基础上取环境风速/风向正 方向利用 软件对“”型直接空冷单元风机出口加装弓形导流板后空冷单元内部空气流动与换热特性进行数值研究探求不同导流板数量、倾角以及高度对直接空冷单元出口温度的影响规律确定弓形导流板的最佳结构及形状参数并对空冷单元内加装最优化的弓形导流板与矩形导流板后的换热进行对比为“”型直接空冷单元的工程优化设计提供理论依据 物理模型及计算方法.几何模型及网格划分本文以“”型直接空冷单元为研究对象尺寸选择某 机组“”型直接空冷单元的结构参数直接空冷单元的结构尺寸为.轴流风机的直径取.选择扁平蛇形翅片结构的换热器空冷单元底部距地面 四周布置高度为.的挡风墙为了真实地反映实际中环境风的影响取计算域的尺寸为.空冷单元位于计算域的中间位置空冷单元和计算域的物理模型如图 所示图 空冷单元和计算域物理模型利用 软件对计算域进行分块网格划分空冷单元内部不规则区域采用四面体网格其它区域采用六面体网格网格划分如图 所示图 计算域网格划分为减小环境横向风的不利影响在空冷单元风机出口处加装长为.的弓形导流板其形状如图 所示 弓形导流板弧边的顶点垂直于弦边的距离为导流板的高度导流板的数量取值为、块高度为.、.、.、.、.、.为了改善翅片管束的温度分布弓形导流板加装时均向翅片管束方向倾斜与竖直方向角度(即导流板的倾角)分别为、以风机出口平面 轴方向为对称轴在其两侧对称分布同侧导流板之间的距离相等图 所示为加装弓形导流板后空冷单元模型图 弓形导流板图 加装弓形导流板后空冷单元模型.控制方程及边界条件空气在翅片管束间的流动与换热采用多孔介质模型模拟将空气流经翅片管束时所产生的流动阻力以源项形式加载在动量方程中该源项由黏性损失和惯性损失两部分构成用式()表示:()()式中 为动力黏度/()为渗透率 为 方向的速度/为惯性阻力系数 为流体密度/根据文献中的数据惯性阻力系数()和黏性阻力系数(/)在垂直翅片管束方向的数值分别取为.汽 轮 机 技 术 第 卷和 多孔介质中为层流流动故黏性阻力系数较大在多孔介质模型中加入能量源项是将汽轮机的排热量看作一个定值以内热源的形式输入多孔介质模型的整个体积内数值模拟中采用标准 湍流模型模拟管束外部空气的流动压力与速度的耦合采用 算法空气在空冷单元的流动不可压缩定常流动描述流动与换热的控制方程如下:连续性方程:()()式中 为密度/为速度/动量方程:()()()()式中 为压力 为动力黏度/()为湍流黏度 为重力加速度/考虑了冷却空气的浮力效应浮力作用通过体积力的形式表示 为动量源项/能量方程:()()()()式中 为流体比内能 为流体比焓/()为 有 效 导 热 系 数/()为多孔介质孔隙率 为流体的导热系数/()为固体的导热系数/()()为应力张量 为内热源/湍动能方程:()()()式中 为湍动能/为模型常量取值.为由平均速度梯度引起的湍动能/()为湍流耗散率/湍动能耗散方程:()()()式中、为模型常量取值分别为.、.、.风机采用集总参数法将其看成一个无限薄的平面风机的不连续压升可处理为风机速度的函数公式为:()式中 为压升 为多项式系数 为风机法向速度/根据文献可得到某电厂空冷风机的性能曲线在 软件通过对轴流风机静压与流量的性能曲线进行拟合得出多项式系数分别为:.计算域迎风面采用速度入口边界条件风速分布如下式所示:()()式中 为距地面 高的风速/为空间高度幂指数 为地面粗糙度在本文中取为.此公式使用 软件中的用户自定义函数()进行编译在与迎风面相对的面上为计算域出口采用压力出口边界条件计算域底部为地面设为等温边界条件温度设为计算域前、后及上面设为对称边界条件直接空冷单元中的蒸汽分配管和凝结水箱为等温边界条件温度分别设为 和 挡风墙、风机挡风圈以及导流板设为耦合边界条件.网格无关性验证对 种不同网格数目下的“”型直接空冷单元进行模拟计算计算结果见表 空冷单元轴流风机进风量是随着网格数目的增加而增大可以看出网格数目从 万到 万时风量增加幅度较大当网格数增加到 万时与 万的网格数目相比轴流风机进风量的变化仅为.模拟结果已基本稳定 在考虑计算精度的同时需要兼顾模拟计算的时间成本因此本文所有工况的网格数处于 万数量级 表 不同网格计算结果网格数量/万风机进风量/(/)流量变化率/.算法验证为验证本文计算模型及算法的合理可靠性对文献中不同环境风速下(/、/、/、/、/、/)的“”型直接空冷单元进行数值模拟计算将模拟所得轴流风机进风量与文献中的模拟值进行对比结果如图 所示本文与文献 的最大误差为.最小误差为.结果基本吻合证明本文采用的模型和算法是合理可靠的图 模拟结果与文献对比 计算结果与分析为了研究空冷单元风机出口加装导流板时对环境风不第 期李莹莹等:弓形导流板对“”型直接空冷单元流动传热特性的影响 利影响的改善效果本文先对未加装导流板的直接空冷单元换热特性进行分析之后对导流板的数量、倾角以及高度进行优化在空冷单元风机出口处加装倾角 高为 数量为、块的弓形导流板进行模拟取最佳数量的导流板对倾角变化(取、)产生的影响进行研究得出最佳倾角布置的导流板在此基础上对导流板的高度变化进行研究取.、.、.、.、.、.等 个高度进行模拟.未加导流板的模拟结果环境风向为正 方向风速为/时未加导流板的 截面冷却空气的流线图如图 所示可以看出空冷单元内部迎风侧与背风侧速度分布不均匀由于 方向横向风的影响原本向翅片管束流动的空气偏向背风侧使空冷单元底部及背风侧形成高速区域导致迎风侧风量小于背风侧图 所示为散热器出口的温度分布由于速度分布不均匀导致温度分布不均匀左右两侧散热器温度分布不对称迎风侧的平均温度高于背风侧同时在翅片管束下端的低速区形成局部高温 为此设想在风机出口加装弓形导流板可以减弱环境风对空冷单元的不利影响使整个空冷单元温度场分布更加均匀消除局部高温图 截面的流线图图 未加导流板时散热器出口的温度分布.导流板数量对空气出口温度的影响图 所示为不同数量的弓形导流板加装在“”型直接空冷单元的轴流风机出口处后散热器出口截面处的温度分布 从图 可以看出加装弓形导流板后散热器出口的温度比不加导流板时温差更小且高温红色区域的范围随着弓形导流板数目的增加在逐渐减小 加装 块导流板后迎风侧的高温区域较无导流板时有显著减小高温区仅出现在迎风侧的底部两角处背风侧的红色高温区域完全消除加装 块导流板后红色高温区域已消失且背风侧的低温区域也在图 加装不同数量导流板时散热器出口的温度分布减小散热器出口温度分布更加均匀加装 块及 块导流板后高温区域已不存在温度分布也只有小幅度的变化其原因是较多的导流板数目会使远离风机中轴线区域的风量减小 因此综合考虑弓形导流板的数量为 块时效果最好.导流板倾角对空气出口温度的影响导流板的倾角会改变冷却空气的流动方向影响空冷单元内部的流场结构 因此取 块倾角分别为、汽 轮 机 技 术 第 卷、的导流板研究倾角变化产生的影响 图 所示为几种不同倾角的散热器出口面等温线分布图可以看出与导流板倾角为 时相比倾角为 时散热器出口面的温度差异减小减小了高温区域当导流板倾角大于 后橙色中温区域范围较倾角 时有所增大不利于空冷单元的换热图 加装不同倾角导流板时散热器出口的温度分布图 所示为加装不同倾角的弓形导流板时散热器出口平均温度及最高温度的变化 由图 可知散热器出口的平均温度及最高温度都是随导流板倾角的增大先降低后升高在导流板倾角为 时温度取得最低值 加装不同倾角的弓形导流板后轴流风机进风量的变化如图 所示 随着导流板倾角的增大进风量持续减小说明导流板的倾角越大对冷却空气产生的流动阻力越大冷却空气流速减小导流板附近局部压力增大导致风机进风量减小 导流板倾斜角度为 时冷却空气流量为./流量较无导流板时减小比例为.减小量并不明显倾角 与 流量的差值比其它相邻倾角的差值小说明 倾角的流量减小趋势平缓 故综合分析导流板倾角为 时导流效果最好图 最高温度及平均温度随导流板数量变化图 轴流风机进风量随导流板倾角变化.导流板高度对空气出口温度的影响若空冷单元所加导流板的高度过低起不到导流的效果若导流板的高度过高则会增大冷却空气的流动阻力使导流效果变差 取 块倾角为 高度分别为.、.、.、.、.、.的导流板进行模拟计算图 所示为几种不同高度的弓形导流板时散热器出口温度分布 由图 可以看出导流板高度在.时迎风侧红色高温区域逐渐减小至消失翅片管束中部和底部的换热效果均有改善当高度为.时散热器出口的温度变化不明显 由图 可以看出“”型直接空冷单元散热器出口的平均温度随着弓形导流板高度的变化先减小后增加在导流板高度为.时平均温度达到最低值 轴流风机进风量的变化如图 所示随着导流板高度的增大进风量持续减小这是因为较高的导流板增加了冷却空气的流动阻力流动速度减小导致冷却空气流量降低 导流板高度为.时冷却空气流量为./流量较无导流板时减小比例为.减小量并不明显高度.与.流量的差值比其它相邻高度的差值小说明.高度的流量减第 期李莹莹等:弓形导流板对“”型直接空冷单元流动传热特性的影响 图 加装不同高度导流板时散热器出口的温度分布图 平均温度随导流板高度变化小趋势平缓 因此弓形导流板的高度为.时对空冷单元传热性能的改善效果最为明显.与矩形导流板对比加装 块倾角为、高度为.的弓形导流板时“”型直接空冷单元内风机出口温度分布如图 所示 图 所示为“”型直接空冷单元内风机出口处加装同样尺寸与布置方式的矩形导流板的温度分布 从图 可以看出加图 轴流风机进风量随导流板高度变化图 加装弓形导流板时散热器出口的温度分布图 加装矩形导流板时散热器出口的温度分布装矩形导流板时翅片管束迎风侧底部红色高温区域与橙色偏高温区域的范围比加装弓形导流板时大由模拟结果得加装弓形导流板的散热器出口平均温度比加装矩形导流板时降低了.这是由于空气绕流曲线形弓形导流板时的流动阻力较小风机进口风量较大(弓形导流板的轴流风机进风量为./矩形导流板的轴流风机进风量为./)所致 结 论利用 软件对“”型直接空冷单元内风机出口处加装弓形导流板前、后的冷直接空冷单元进行数值模拟得出以下结论:()当未加导流板时由于环境风的影响使空冷单元内部流场分布不均匀加装弓形导流板后能得到明显改善减小甚至消除局部高温(下转第 页)汽 轮 机 技 术 第 卷 现场试车结果新机组在出厂前都需采用低参数蒸汽进行空负荷运转试验以验证机组在启停过程及额定转速下的振动性能及轴承瓦温等参数保证机组满足出厂要求 图 所示为改进排汽缸的整机试车现场经过试车新机组在额定转速下转子的振动值约为 机组振动性能完全满足设计要求试车合格图 改进排汽缸试车现场 结 论()采用有限元静力分析结果显示原始排汽缸上半变形主要位于外弧板上与中分夹角约 处下半为排汽方管附近()根据有限元计算结果通过在排汽缸薄弱位置外侧增设加强肋板可有效减少排汽缸变形()通过在轴承座底部增设支撑板即采用三点支撑方式可有效提高排汽缸的支撑刚度参 考 文 献 高庆水刘 石等 汽轮机座缸式轴承振动影响因素研究.振动与冲击():.郭玉杰张文涛等.真空变化对大型汽轮发电机组轴承标高和振动的影响分析.电站系统工程():.石可重李延波等.排汽缸刚度有限元分析.汽轮机技术():.史冬岩高旭文等.船用主汽轮机汽缸刚度特性研究.船舶工程():.浦广益编著.基础教程与实例详解:北京:中国水利水电出版社.(上接第 页)()在风机出口加装弓形导流板后随着导流板数目的增加高温区域的范围在逐渐减小在加装 块弓形导流板时高温区域得到改善空冷单元翅片管束出口的红色高温区在导流板倾角为 时基本消除且平均温度达到最低值导流效果最好导流板高度在.迎风侧红色高温区域逐渐减小至消失在.之后高温区域范围变化不明显弓形导流板高度为.时空冷单元换热效果最佳()空冷单元风机出口加装矩形导流板时翅片管束迎风侧底部红色高温区域与橙色偏高温区域的范围比加装弓形导流板时大且散热器出口平均温度比加装弓形导流板时高了.即弓形导流板对空冷单元散热效果的改善比矩形导流板更明显参 考 文 献 田小林马晓丽.直接空冷系统研究现状与发展前景.节能():.杨立军杜小泽杨勇平等.火电站直接空冷凝汽器性能考核评价方法.中国电机工程学报():.():.张利君冀树芳.环境风对空冷凝汽器换热特性的影响.机械设计与制造():.():.严鹏航.加装导流装置的直接空冷机组结构优化研究.北京:华北电力大学.程友良任泽民丁丽瑗.空冷单元风机出口加装结合形导流板的数值模拟.汽轮机技术():.程友良张 宁史亚骏等.空冷单元加装弯叶式导流板的数值研究.节能():.程友良任泽民张 宁.新型空冷单元的数值模拟研究.动力工程学报():.():.():.杨建国代善良张兆营等.一种电站直接空冷凝汽器单元:.():.易文杰阴继翔郭政等.“”型直接空冷凝汽器单元内部导流的数值研究.汽轮机技术():.胡汉波.直接空冷式凝汽器翅片散热器流动传热性能及单元流场特性研究.重庆:重庆大学.王洪峰.霍林河空冷风机/.:/./.杨立军 杜小泽 杨勇平.风场影响下直接空冷系统热风回流率的空间分布特性.工程热物理学报():.王 涛阴继翔贺小怡.不同环境风向和风速下两种直接空冷凝汽器单元换热性能的仿真对比.中北大学学报(自然科学版)():.汽 轮 机 技 术 第 卷