高压给水加热器[火用]传递系数特性分析.pdf

第 5 2卷 第 6期 2 0 1 0年 1 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOLOGY V0 1 _ 5 2 No ． 6 De c ． 2 0l 0 高压给水加热器炯传递系数特性分析 张明智 ， 赵 博 ， 任敬科 ( 华北电力大学 能源动力与_ 7 - 程学院， 保定 0 7 1 0 0 3 ) 摘 要 ： 在考虑管壁壁厚热阻和管壁污垢影响的情况下 ， 导 出了高压 给水 加热 器水侧 和汽侧 的温度 分布和 给水管壁 温度分 布汁算式 。在考虑温差 和压 降的情况 下 ， 导出了高压给水加热器 水侧 和汽侧 的局 部炯传递 系数 。计算式 中 体现出了两者内在的耦合关系， 通过分析炯传递系数得出高压给水加热器的符段的传炯量以及删损分布， 为确定 合理 的运行参数 以及优化结构参 数提供参 考。 关键词 ： 高压给水加热器 ； 炯传递 ； 炯 传递 系数 ； 污垢 分 类号 ： T K I 2 3 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 1 — 5 8 8 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 - 0 4 2 7 -04 An a l y s i s o n E x e r g y T r a n s f e r C o e f f i c i e n t o f Hi g h — p r e s s u i ‘e F e e d Wa t e r He a t e r Z H A N G Mi n g — z h i ． Z H A O B o ． R E N J i n g — k e ( S c h o o l o f 1 E n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e l ’ i 、 e r s i t y ， B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Co ns i de r i n g t h e i n flu e n c e o t t he t h e r n mr e s i s t a n c e a n d f o u l i n g o f t ub e wa l t ， t h e t e mp e r a l m’e di s t ~ ‘i hu l i o n f or mu l a o f wa t e r a n d s t e a m s i d e o f hi g h— p r e s s u r e f e e d wa t e r he a t e r a n d f e e d— wa t e r| t l b e wa l l a r e dm’ i v e d ． Co ns i de l i n g o f l e mp e r a t u r e d i f f er e n c e a nd pr e s s u r e d i o p， t he p a r t i a l e x e r g y t r an s t >r c o e f f i e i c I I t o f~ v a l e l a n d s t e a m s i d e( ，r h i g h— f } r e S S H I e t e e t t wa t e r he a t e r i s e x po r l e ( t ． F he f 0 r mu] a r e f l e c t s t he i n t e r na l c o up l e ~ 1 r e l a t i o n be t we e n t he m． F h c e x e l ’g Y l o s s di s t r i t rat i o n a nd t r a n s f m’ q ua n t i l y o f e x e r g y o f e a c h s e ct i o n o f h i g h— p r e s s u r e f e e d wa t e r h e a t m a r e ob l a i n e l 1 1 ) 、l ml ? z i r i g t l i e e x e l g Y t r a n s f e r ’ c oe ffi c i e n t w h i c h p I o v i d e s r e f e r e n c e f o r d e t e r mi n i n g t h e r e a s o n a b l e o p e r a t i o n a l p a t a n i c | i ‘ i． 1 I 1 ⋯ ㈠ g s t l’ u c t u r a t p a r m n e t e r ． Ke y wor ds： hi gh- pr e s s ur e f e e d wat e r he a t e r；e x e r g y t r a ns f e r：e xe r g y t r ans f e r c o e f fic i en t；f o ul i ng q —— 质量流量 ， k g ／ s K -_一 总传热 系数 ， w ／ ( I l l K) —— 对流换热系数 ， W／ ( n l K) 占 —— 厚度 ， H i 6 —— 厚度 ， m —— 炯传递系数 ， W ( i n 。 K) 0 前言 符 号 “ ， 一下标 ， 管外壁流体 Cp--一 定压 比热容 ， ．J ／ ( k g K ) A ——截面积 ， n l 1 —— 下标 ， 进 口 A 一导热率 ， W／ ( n l K) m——定 义常数 高压给水加热器是火电机组中 一 f 、 比较重要的辅助换 热设备 ， ~{ a l x ,t D f l 热器进 行优 化设计 ， 提 高加 热器性 能埘 于 改进火f 乜 机组 回热系统的用能过程 、 降低能 最消耗有极其 重 要的意 义 前埘 各种 各样 的加热 器 的性能 分析一 般有 两 种 方法 ， 一种足依 据能 的数 守恒 天系 ， 即以热 力学第 一 定律为基础 ， 分析 加热 器的能 鲢往 数量 』 二 传 迎 、 利用 和损 失 的情况 ， 斤以能效 率干 传 热有效 度束 反映它 的性 能 ： 另_一 种 方法 【J! Ij 是根据能 中删的平 衡关系 ． 即以热力学 第 ： 定律 为 基础 ， 分析加热器 中炯 的传递 、 l Il ,t i J 和损失 的情况 ， 其 主要有 收稿 日期 ： 2 0 0 9 — 1 0 - 2 1 作者简 介： 张明智 ( 1 9 5 6 — 1 ， 男， 悼 授 ， 主要从巾电厂热 力学分析 ￡ 一一管 内 温瞍 ， ℃ c ⋯热容 ， J ／ ( S K ) ^ ——下标， 高温流体 2一 卜标 ， 出门 —— 环境温度 ， ℃ —— 比熵 ， J ／ ( k g K) ( ) 一一传热量， w c 一一 下标 ， 低温流体 卜温度 ， ℃ —— 比焓 ， J ／ k g 熵产分忻法 和堋 分析法 在对符种各样的加热器的热 汁算『 十 l ， 常常利用传热速 牢方程和传热 系数 万 联 立求 传热量 、 传热 面积 、 分 离换 热系数和污垢热阻等参数 、文献l 9 征推导加热器高低温流 休 殷管 温 变化 关系式时 ， 允假定管壁热绝 缘系数 和壁厚 ；f - ； 7 十， 儿 也忽 略丁管 污垢 的影响 ， 最 后再对 有关 系数进 行 修 jE 水文在摊 导过程一 考 虑 』 厚热阻 及管壁污垢 的影 响 ， 得 山结 文献 『 9 ] 修正后 的_天系式 卡 H 同 。并结 合热 力 学 论 ， 惟导 出』 I L l 热器 n 勺 郎煽传递 系数 ， 通 过分析 传递 系数来 得出加热 的传堋 丛卡 炯损 分布 ， 为火电机组 巾的回 热 系统 确定合 f_I 。 运行参数 以及优化结构参数提供参考 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 8 汽轮机技术 第 5 2卷 1 汽侧 、 水侧温度关系式的推导 为了推导高压给水加热器的传热过程， 需要对以下工作 做出假设 ： ①汽侧 、 水侧流体的热容量 C ( 质量流量 q 与 定压比容 c 的乘积) 在整个换热表面为常量。②加热器无 散热损失。③加热系数在整个换热面上不变。 在传热学中， 表示传热量的方法是： Q =K A A T ( 1 ) 如图 1 ， 对于加热器的微元面积 c L 4 ， 当其趋近于微分值 时 ， 从汽侧流体流 向管外壁 的热流量为 ： d Q = 。 ( 一 ) d A ( 2 ) Q —g w 1— — 一目 — A ~ --O— — 一 一d A 图 1 加 热 器 典 型 换 热 过 程 在 考虑 管壁 污垢 的情 况下 ， 从管外壁 到管 内壁导热 的热 流量为 ： a Q ： = ( + + 等 ) ( (L4 ( 3 ) 从管内壁流向水侧流体的热流量为： a Q 3= 2 ( t 一 ) d A ( 4 ) 且 d Q。 =d Q =d Q ， 。 同时， 汽侧流体与水侧流体获得的热量又可以表示为： d Q．=一C d T h ( 5 ) d Q =一C d ( 6 ) 以上两式 中 ， 负号表示沿着面积增加的方 向( 从左到右 ) 两流 体的温度都是降低的。 根据( 2 ) 式和( 5 ) 式可以得到关于管外壁 的关系式， 根据 ( 4 ) 式和 ( 6 ) 式可 以得 到关 于管 外 壁 t 的关 系 式 ， 把 、t 关系式代入( 3 ) 式可得 与 的关系式： ( 导+ + C hb + 警)鲁 + 导 + — = 0 ( 7 ) 又由( 5 ) 式、 ( 6 ) 式可以得出： d = d ( 8 ) 将( 8 ) 式代人( 7 ) 式， 可以消去 d ， 那么( 7 ) 式变成 ： ( 詈+ 等 + 半+ 等 + 导 )鲁+ — = 。 ( 9 ) 对 ( 9 ) 式两边 A 求导 ， 并把 ( 8 ) 式代入 ， 得到 ： ( 导 + 等+ 竿+ 等+ 詈 )鲁 + ( 一 手 ) 鲁= 。 ，1一 Ch = y， 那么上式变为 ： 等+ y = 。 ， 根据边界 条件 ， A =0时 ， ： 。 ； A =A时 ， = 可 以解 出汽侧流体 的温度分布关系式 ： 等等 + m= 半 ( 导+ + 竿+ 警+ 导 ) 。 ( 导 + + 竿+ 等+ 詈 )鲁 + ( 罟一 )罟= 。 ， 令 ， 詈+ + —竿+ 等+ 导= 苦一 = y 根据边界条件 A = 0时 ， = ； A =A时 ， = 可 以 解 出水侧 流体 的温度分 布关 系式 ： 4一- 1 e x p m A 唧 ( 一 ( 1 4 ) 一P Y n l —m— J I _ 斗I ‘ 一 ( 一 )⋯ ⋯ m =m： ( 鲁 + + + 警+ ) 。 d T h ( A ) 一 一m [ 1一e x p ( 一m A ) 那么由( 2 ) 式、 ( 5 ) 式、 ( 1 2 ) 式和( 1 5 ) 式可得管外壁的温度分 布关 系式 ： + ( m —C h ) 唧c ( 1 6 ) 同理可以推出： d T c ( A ) — 。 一 一m丁 — -m — A ) 那么 由( 4 ) 式 、 ( 6 ) 式 、 ( 1 4 ) 式和( 1 7 ) 式可得管 内壁 的温 度分布关系式为 ： t (a x = 等等 +1 + ) 二 1 1 一 e x p ( 一 m A ) ( 1 0 ) 2 高 给水加热器炯传递系数推导 对于 可 C h + 等+ 竿+ 等 A = I ^ ^ ^ ’ ( 1 8 ) 在一定状态下 ， 加热器的稳流工质从 给定 状态变化到环 境状态时所能做出的最大有用功， 即为稳流工质的物流炯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 张明智等 ： 高压给水加热器炯传递系数特性分析 4 2 9 以 E 表 不 。 假定 流 体 为 小 口 J 缩 流 体 ， 则 对 如 图 1所 选 控 制微元体， 其加热器的炯传递方程为： d E ： d A AT ( 1 9 ) 对于稳定流动工质的炯， 通常是指其能量焓中的炯， 那 么单位炯可 以表示为 ： e =h—h 0—7 "0 ( s—s 0 ) ( 2 0 ) 如果取 为独立变量， 即 = ( T ， P ) ， 那么则有 ： d e． ： ( 鲁) ( 堕 ap 1／ 如 ( 2 1 ) 将式( 2 0 ) 对温度 r， 求偏 导 ， 可 以得到 ： ( ) = ( ) 一 ( 斋) ， 将式( 2 0 ) 对压力P求偏导， 可以得到： ( 鲁) ( To h ) 一 ( 专 ) ， ( 2 3 ) 根据热力学能 、 焓 和熵 的一般关 系式可以得出 ： ( ) = c ( 2 4 ) ( 翥) = 了C p ( 2 5 ) 将( 2 4 ) 式和( 2 5 ) 式代人( 2 2 ) 式 ， 可得： ( 鲁) ( 一 争 ) 因 实 际 气 体 的 焓 是温 度和 压 力的函 数， 所以f ) 不 、 0 lD ， 能忽略不计， 且为： ( 等 ) ⋯ r， ( ) ( 2 7 ) ( 毒 ) 一( ) 那么根据 ( 2 6 ) 式 、 ( 2 7 ) 式 和( 2 8 ) 式可 以得 出： ( 鲁) ～ 一 ) ( 斋 ) ( 2 9 ) 又因 = ( 斋) ( s o ) I J ( _j U ’ 那么 ( 2 9 ) 式变为 ： ( 鲁) ～ [ 1 _ ( T o ) ( 3 I ) ( 3 0 ) 式中O ／ 称为体膨胀系数 ， 单位为 K～， 表示物 质在定压下比体积随着温度的变化率。 再将( 2 6 ) 式和( 3 1 ) 式代入( 2 1 ) 式 ， 可得： d e = c f l 一 ~ - ) d r + [ 1 一 ( 一 ) ] d ( 3 2 ) 从而推出管内所取微元 体 长度 d x 的 流动状 态下 的 d E x 炯的传递方程 ： = ( 1 一 争 ) d l 一 ( ～ r， 0 ) ] d P ) ( 3 3 ) 根据( 1 9 ) 式和( 3 3 ) 式， 可得 ： q= C e A T( 1 一 争 ) d T g [ 1一( T一7 "o ) O l ] △ 粤 ( 3 4 ) o ／! 由( 2 ) 式、 ( 5 ) 式和( 3 4 ) 式， 可得高温流体炯传递系数 为 ： ～ { ( 1 _ 鲁 ) + ) ( 3 5 ) 因 d A= 一 A 那么由上式结合( 1 5 ) 式可得： d p d △ p [ 1一e x p ( 一m A) ] m A( r， ^ 一 ) e x p ( 一m A ) ( 3 7 ) 将上式代入 ( 3 5 ) 式 ， 可以得到汽侧流体至管壁 的局部 炯 传递系数为 ： k { ( 一 鲁 ) + 二 二 二! 二 Cp ．h m A( T h 1一? ) e x p ( 一m A ) J ( 3 8 ) 由( 2 ) 式、 ( 6 ) 式和( 3 4 ) 式， 水侧流体炯传递系数表示 为 ： ⋯ f ( 1 _ 号 ) + 等) ( 3 9 ) 因 鲁d A= 一 盟 A ( 4 0 ) ＼ ～ ， 那么 由上式与 ( 1 7 ) 式可得 ： d P c = Ap ． [ 1 -e x p ( - m A ) ] ( 4 1 ) d ， ( 2一 。 ) e x p ( 一枷 ) 把上式代／ k ． ( 3 9 ) 式 ， 可以得到管壁至水侧流体局部的炯 传递系数为： 一 ：{ ( 一 争) + ! 二 二 二竺 二 Cp ， mA( ， 2一， I ) e x p (一m A ) J ( 4 2 ) 3实例分析 以某电厂 8号高压加热器如图2为例， 具有过热蒸汽冷 却段、 饱和蒸汽凝结段和疏水冷却段三段式传热， 卧式， U形 管 ， 二流程， 传热管材质为碳钢。 图 2 高压加热器简单示意 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 3 0 汽轮机技术 第 5 2卷 基于炯传递基础原理， 用 M A T L A B软件对 8号高加进行 炯传递系数分析， 分析得出： ( 1 ) 由图 3可知， 过热段汽侧炯传递系数随着流体温度 的降低而降低， 且降低的速率由慢变快。由图4一图5知， 凝 结段和疏水段高温流体炯传递系数随着温度的降低而降低 ， 降低的速率几乎保持不变。而由图 6 得， 给水侧的炯传递系 数也随着温度的降低而降低， 基本保持一次线性。 ( 2 ) 比较图 3～图6不难发现， 蒸汽侧的炯传递系数在 2 8 8 0～ 8 0 4 0 之间， 要远小于给水侧 的炯传递系数2 8 4 0 0～ 2 9 0 0 0 。也就是说蒸汽侧的炯阻要远大于给水侧的炯阻， 那 么蒸汽侧的炯损失要 比给水侧的炯损失大得多。随着温度 的降低， 汽侧压力降低很快， 水侧压力变化不大， 即由压降造 成的炯损失管壁外蒸汽侧也要明显大于给水侧。 萎 捌 荩 迎 孽 荩 妊 篓 * 楼 荩 蜒 汽侧过热段流体温 度 厂 r 图 3 过热段汽侧煳传递系数随温度 的变化 汽侧凝结段温度 厂 r 图4凝结段汽侧炯传递系数 随温度 的变化 汽侧疏水段温 度 厂 r 图 5 疏水段疏水炯传递系数 随温度 的变化 1 《 删 篓 ’ 啦 管 内给水温度 厂 r 图 6 管内给水炯传递 系数随温度的变化 ( 3 ) 对于高温流体 ， 炯传递系数在凝结段最大， 几乎是过 热段与疏冷段的5倍， 因而在凝结段 的J朋阻也 比过热段与疏 冷段要 小很 多 ， 在凝结段的平均炯损也要 小。理论上说 明了 凝结段的换热面积越大， 整个汽侧平均炯损越少。 4 结论 ( 1 ) 在考 虑了污垢 影响 和管壁 内外 温度之 差情况 下 ， 得 出了高压给水加热器汽侧和水侧的温度分布关系。利用汽 侧和水侧温度分布关系式， 对加热器的炯传递系数进行了分 析 ， 并给出了在考虑温差和压降情况下的l炯传递系数。 ( 2 ) 通过炯传递分析， 得 出了各段炯传递系数的大小。 对加热器各段 的传炯量和I斓损失 的大小 有了客观 的认识 ， 从 而为确定合理的运行参数以及优化结构参数提供参考。 参 考 文 献 [ 1 ] S a r a n g i S ， C h o o w d h u r y K．O n t h e g e n e r a t i o n o f e n t r o p y i n a c o u n t — e r fl o w h e a t e x c h a n g e r [ J ] ． C r y o g e n i c s ， 1 9 8 2， ( 2 2 ) ： 6 3— 6 5 ． 『 2]H e s s e l g r e a v e s J E ．R a t i o n a l i s a t i o n o f s e c o n d l a w a n a l y s i s of h e a t e x c h a n g e ~[ J ] ． I n t ． J ．H e a t a n d Ma s s T r a n s f e r ， 2 0 0 0， 4 3： 4 1 8 9— 4 2 0 4 ． [ 3] S e k u j ic D P ．E n t r o p y g e n e r a t i o n i n a h e a t e x c h a n g e r [ J ] ．He a t T r a n s f e r E n g i n e e ri n g ， 1 9 8 6： 7 ( 1—2 ) ： 8 3—8 6 ． [ 4] 熊大曦 ， 李志信 ， 过增元．换热器的效能与熵产分析 [ J ] ．工程 热物理学报 ， 1 9 9 7， 1 8 ( 1 ) ： 9 0—9 4 ． [ 5] 刘蔡月．换热 器中熵产数和炯效率的计算与分析 [ J ] ．内蒙古 工业 大学学报 ， 1 9 9 4 ， 1 3 ( 2 )： 4 7—5 7 ． [ 6] Yi l m a z ， M S a r a O N， K a r s l i S ． P e rf o r ma n c e e v al u a t i o n c ri t e ri a f o r h e a t e x c h a n g e r s b a s e d o n s e c o n d l a w a n a l y s i s [ J ] ． E x e r g y ， I n t ． J ． ， 2 0 01 ， 1 ( 4 ) ： 2 7 8— 2 9 4 ． [ 7] 杨善让 ， 徐志明 ， 王建国．换热器的最佳斓效率 [ J ] ．工程热物 理学 报， 1 9 9 6， 1 7 ( 增刊 ) ： 1 7 1 —1 7 4 ． [ 8] 韩小 良， 刘毓骅．换 热器传热过 程炯分析 [ A] ．热力学 分析与 节能论 文集 [ C] ．北京 ： 科学出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 9] 王志国， 张德文 ， 项新耀． 换热 器中流体及管壁温度变化关 系及 其修 正[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 5， 4 1 ( 7 ) ： 3 O一3 3 ． [ 1 O ] 任泽霈 ， 等译． 工程传热学 [ M] ． 北京 ： 人民教育 出版社 ， 1 9 8 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m