【HETA】直接空冷凝汽器空气流动阻力的研究

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空冷凝器是空冷机组冷端的主要部分，今天我们就来分析了解空气流经倾斜“A”型直接空冷凝汽器时，凝汽器各部分阻力产生的原因、凝汽器各部分的阻力系数等问题。

一：直接空冷凝汽器流动和传热性研究概述

根据直接空冷凝汽器的流动和传热特性，选择满足直接空冷凝汽器换热要求的风机，是直接空冷风机优化设计的一项重要内容，对直接空冷系统的优化和经济运行具有重要意义。而直接空冷系统的优化设计是个技术经济问题，要进行多方案的比较。

对直接空冷基本换热元件（即翅片本体）流动和传热特性的研究，多采用数值模拟和实验研究两种手段。数值模拟一般认为传热是稳态的，不考虑重力的影响，并假定空气是常物性、不可压缩流体，这与换热元件的实际工况存在差异。

二：空冷凝汽器的阻力特性

图1 为单个空冷单元和直接空冷凝汽器中间单元的流场示意图。

假定轴流风机出口处空气为竖直向上的平行流。空气流向与直接空冷凝汽器迎风面呈夹角θ，流经空冷凝汽器后，从垂直于管束背风面方向流出。经过空冷凝汽器后，空气受热密度减小，在重力作用下，垂直上浮。

空气进入空冷凝汽器翅片间时，由于流线收缩形成射流，并发生严重的流动分离。因此，拐角处速度分布出现变形，造成该处压力分布不均，并由此导致管束入口表面的压力分布不均。即使来流速度分布均匀，也将出现流线的弯曲变形。

空气流经与其流动方向呈一定夹角的空冷凝汽器管束时，其流动阻力主要包括空冷凝汽器本体阻力和空气出口阻力。与空气垂直外掠空冷凝汽器迎风面时的情况类似，空气流经倾斜放置的空冷凝汽器时，空冷凝汽器的本体阻力主要分为3 部分：

(1)空气流入管束时，由于流通截面突然缩小所产生的局部阻力；
(2)空气在翅片间流动所产生的摩擦阻力损失；
(3)空气流出管束时，由于流通截面突然扩大所产生的局部阻力。

空气的出口阻力包括2 部分：

一是由于射流在“V”形区域中心线附近的湍流衰减所造成的阻力；
二是从“V”形区域出口至无穷远处，由于最终混合过程所造成阻力，混合过程将最终使速度轮廓线趋于一致。

三：空冷凝汽器各部分的阻力

图2 为空气在直接空冷凝汽器“V”形区域流动示意图。

直接空冷管束的净长为L_t，包含下联箱的管束总长度为L_r，d_s为蒸汽分配管的直径。空冷单元间“V”形区域竖直中心线到管束与蒸汽分配管相接触的外缘的距离为L_b，到蒸汽分配管水平最大直径处的距离为L_s。“A”形空冷单元之间检修步道的半宽度为L_w。θ为空冷单元顶角的一半。

国外学者曾通过实验，确定了如图2所示空冷凝汽器各部分的阻力（包括蒸汽分配管和检修步道），并且定义了一个总阻力系数K_θt。K_θt包括：倾斜管束的入口阻力系数K_i_θ、翅片间摩擦膨胀系数K_f、空气流出翅片时的出口膨胀系数K_e（空冷凝汽器的本体阻力）、射流阻力系数K_dj和空气流出“V”形区域时的出口阻力系数Ko（空气出口阻力）。

式中，K_he是来流垂直于换热器管束迎风面时（θ=90°）的阻力系数；p1、v1分别为截面①处空气的静压和速度；p_a为环境静压；v_i为垂直来流的平均入口速度；θ_m为空气流入管束上游迎风面时的平均入射角；K_ci为当来流垂直于翅片管束迎风面时，基于自由流动能的入口收缩阻力系数。来流垂直于换热器管束迎风面时，空冷凝汽器阻力系数可由试验或数值模拟确定。对于非等温流动（考虑空冷凝汽器与空气的换热）：

式中，Δ_pt为入口和出口的总压降；ρ_m和v_m分别为空气的平均密度和平均流速。由于管束下游空气流动变形，空气流入管束时，管束表面的入射角并不是均匀一致的，而且小于θ。

平均入射角θ_m可采用如下的经验公式确定：

非等温流动总阻力系数为：

式中，ρ1、ρ2分别为截面①、②的空气密度；σ_min为入口断面收缩系数的最小值，即空气侧翅片间最小流动截面积与迎风面积的比值。

翅片间为湍流流动时，垂直来流的入口收缩阻力系数为:

式中，σ=A₂/A₁，A₁为垂直来流入口处的流通（迎风）面积；A₂为翅片间流动稳定段的流通面积。平行翅片间的收缩系数σ_c=A_c/A₁；A_c为收缩断面的面积。平行翅片间的收缩系数一般通过试验确定，σ_c与σ的关系如图3 所示。典型的工业圆形翅片管束K_ci =0.05。

射流阻力系数为：

出口阻力系数：

上述方程适用条件为：K_he≥30，管束半顶角20°≤θ≤35°，0≤d_s/(2L_b)≤0.178 86，0≤(L_w/L_t)≤0.090 33。不同形式的翅片管在使用式（1）、（4）时，由于翅片未占据整个有效迎风面积，如图4所示，方程右边的第二项要乘以系数[P_t/(P_t-d)]²。

四：总结

我们通过数值分析和实验研究，得出了空气外掠倾斜空冷凝汽器翅片管束时的阻力系数，分别有：总阻力系数、倾斜管束的入口阻力系数、翅片间摩擦膨胀系数、空气流出翅片时的出口膨胀系数、射流阻力系数和空气流出“V”形区域时的出口阻力系数。可为直接空冷系统的工程设计和优化提供参考。