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【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Lt,包含下联箱的管束总长度为Lrds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Lb,到蒸汽分配管水平最大直径处的距离为Ls。“A”形空冷单元之间检修步道的半宽度为Lw。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KθtKθt包括:倾斜管束的入口阻力系数Kiθ、翅片间摩擦膨胀系数Kf、空气流出翅片时的出口膨胀系数Ke(空冷凝汽器的本体阻力)、射流阻力系数Kdj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,Khe是来流垂直于换热器管束迎风面时(θ=90°)的阻力系数;p1v1分别为截面①处空气的静压和速度;pa为环境静压;vi为垂直来流的平均入口速度;θm为空气流入管束上游迎风面时的平均入射角;Kci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,Δpt为入口和出口的总压降;ρmvm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θm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;σmin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/A1A1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σc=Ac/A1Ac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,σc与σ的关系如图3 所示。典型的工业圆形翅片管束Kci =0.05

 

射流阻力系数为:


出口阻力系数:


 

        上述方程适用条件为:Khe30,管束半顶角20°≤θ≤35°,0ds/(2Lb)0.178 860(Lw/Lt)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[Pt/(Pt-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。



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