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1 入口蒸汽速度分布对凝汽器传热系数的影响摘 要： 针对不同的凝汽器入口蒸汽流场， 采用有限差分方法计算凝汽器的传热系数 和端差指出合理的流场会使传热系数增加，为凝汽器设计和改造提供参考 关键词：凝汽器有限差分数值计算传热系数 1. 引言 凝汽器入口蒸汽流场并不均匀，有的甚至很不合理 [1,2]，无法满足管束设计 的要求对排汽通道优化改造后， 尽管排其损失系数有轻微的增加，但凝汽器入 口流场变得更加合理 [1]流场的变化会影响凝汽器的传热系数，本文将对此做 数值分析 2. 凝汽器入口蒸汽流场情况 图 1(a)是通过模型实验测得的300MW 机组凝汽器入口蒸汽流场（图中的上 边线是凝汽器的中心线，下边是凝汽器的侧边，相对长度方向与冷却管纵向一 致） 可见在原有结构下入口流场极不合理靠近侧边是高速区，蒸汽速度均在 100m/s 以上；中间是很大的漩涡区，该区域中由于蒸汽几乎不流动，不凝结气 体就会汇聚在一起，影响管束的传热系数，造成总体传热系数的下降 而在喉部或排汽缸加装合适的导流装置以后，可以明显改变流场的分布情 况，使其变得更加合理见图1(b)、(c)文献[3]指出，当汽测蒸汽速度在50m/s 以下时，局部传热系数随蒸汽速度的上升而增加，但当蒸汽速度达到50m/s 以 后，随着蒸汽速度的上述， 局部传热系数不再变化。

因此可以断定， 流场合理后 凝汽器的传热系数必然上升， 毕竟总的传热系数是各局部传热系数的某种加权平 均值 3. 传热系数的数值计算 3.1 计算方法 凝汽器的换热系数可以用下式来计算[4]： 式中 αw —— 管内壁对冷却水的放热系数，W/(m2.K) ； ——分别为冷却管 的外径和内径， m；λ—— 冷却管的导热系数， W/(m.K) ；1 d，d2s α—— 管外侧 蒸汽凝结放热系数， W/(m2.K)；水侧放热系数αw 由（2）式计算 [4]： 式中： Re ——雷诺数，2 Re w w =V d v ；Vw——冷却管内水流速， m/s； ——冷却水的运动粘性系数，mw v2/s； ——普朗特数，r P r w P = v a；a—— 冷却水的导温系数， m2/s；w λ —— 冷却水的导热系数， W/(m · K)； w、和 v a w λ 都按冷却水的定性温度查得，取冷却水平均温度作为定性温度： α 数值决定于水速、 水温及管径 只在汽侧蒸汽速度变化的情况下，由于管 内水速及水温沿冷却表面变化不大，所以沿冷却表面可认为w α 不变 同样，认为管壁导热热阻1 沿冷却表面不变。

流场的改变，直接影响汽测的凝结放热系数s α 在总结了各类凝汽器的实 验结果的基础上，前苏联的施克洛维尔提出了下述计算汽侧放热系数s α 的公式 [5]： 式中： Π——表征冷却管束流体动力学相似的无因次参数，21 / s si c Π = ρ V ρ gd其中： ρs 为蒸汽密度， kg/m3；Vsi 为凝汽器入口处的管间折合流速，即蒸 汽进口处各冷却管之间最窄通道处的蒸汽平均流速，siiiVVSS= ；iV 为凝汽器单 元入口处的蒸汽平均流速，m/s；Si 为单元进口处面积， m2；S为单元管束管间2 最窄通道的面积， m2；cρ 为凝结液密度， kg/m3；g为重力加速度， m/s2；为管 子外径， m； 1dS——管束进口处冷却管间最窄通道面积之和与管束冷却面积之 比 n为管束中的管子数目， S 表征了管束的几何特性 Nu—— 静止 纯蒸汽在 单根水 平圆管 外管上 发生凝 结时的 努谢尔 特数， 1cNudαλ= α—— 不考虑蒸汽流动的放热系数[4] ，W/（m2 · K） ；r——汽化潜热， kJ/kg；cμ— 凝结水运动粘度， m2/s；cλ—— 凝结水导热系数， W/（m · K） ；它们 可按 ft 查表得到；是确定冷却管外壁上凝结水膜层物性参数的定性温度q 为凝 汽器比热负荷； cqQF=；Q 为凝汽器热负荷， QD(') c c c = h h c F ；为凝汽器冷 却面积；而式（ 3）中的 ()0.15S实际上表示了蒸汽在管束内流动过程中速度的变 化以及从冷却管滴落的凝结水对蒸汽侧对流放热的影响；0.040ε—— 表示空气漏 入凝汽器对蒸汽侧对流放热系数的影响。

蒸汽在凝汽器管束中刚开始凝结时的相 对空气含量 ε0 按下式计算 [6]： 施克洛维尔计算公式的αs 考虑了蒸汽流速、管束几何特性、多流程凝汽器 内的温度再分配、 空气相对含量等因素对凝结放热过程的影响，计算结果与实测 值比较接近 3.2 传热系数的数值计算及结果 根据前述方法， 对某机组凝汽器改造前后的传热系数和端差进行计算计算 中的相关数据和处理方法分布介绍如下： （一）凝汽器的有关参数： 冷却面积：Fc=15770 m2 冷却水温度：=20 ℃ 1wt 凝汽器压力：cp=0.0054 MPa 冷却管内水流速：=2.3m/s wV 冷却管总根数：N=18994 根冷却管材质：Hsn70—1A 冷却管规格：Ф25×1.0 排汽的干度：x=0.9004 流程数：Z=2 凝汽量 =591.16t/hcG （二）计算采用的假设条件： 1．在同一排汽通道内，流量均分地流入上下两组管束中进行凝结放热 2．同一排汽通道内上、下两组管束的凝结放热系数相同 3．进入各冷却管中的冷却水流速相同 4．冷却管沿凝汽器宽度方向均匀分布，2.0iSS= （三）计算过程中的处理方法 将凝汽器入口截面划分成足够多个面积单元，利用MATLAB 软件拟合（有 限差分法）出该单元中心点蒸汽速度，作为该面积单元的入口速度。

根据文献 [3]，对入口速度高于 50m/s的单元，计算时速度取为50m/s；对于 漩涡区，则取速度为0m/s；对于入口速度在0～50m/s之间的单元，计算时取实 际值 在按照（ 3）式计算出各单元的汽侧凝结放热系数sα后，按（ 1）式计算该 单元的传热系数，最终利用下式加权平均的方法求得凝汽器总体传热系数： 式中——第 i 面积单元对应的管束局部换热系数——第 i 面积单元对应管3 束的冷却面积 ——凝汽器的冷却面积 ikiFcF 最后利用（ 6）式计算出端差 （四）计算结果： 将各已知数据代入前述各公式，可得计算结果，见表13.3 工业应用结果根据计算结果，传热系数上升、端差下降，必然会使汽轮机排汽压力降低 图 2 是喉部改造方案工业应用前后的对比实验可见，在不同的工况下， 排汽压 力都有明显的降低，机组经济性得到提高，证明前述的分析和计算是正确的4. 结束语计算和实验结果表明， 合理的凝汽器入口蒸汽流场会使传热系数增大，降低 机组的排汽压力在凝汽器设计、改造和研究中应引起重视正确利用此项技术对国产引进型300MW 汽轮机排汽缸和喉部进行改造， 可 以提高凝汽器的传热性能，获得明显的经济效益。

致谢：感谢老师的支持参考: 百度知道网。