直接空冷凝汽器三排管外空气流动和传热性能的数值研究

　　直接空冷系统(直冷系统)具有占地面积小、防冻灵活等优点,近几年在我国得到了广泛应用。如图1所示,发电机组直冷系统基本换热元件经历了20世纪50年代的多排圆管,70年代的双排管(矩形翅片式椭圆管)和90年代的单排(扁平)管,空气自下向上流动,外掠换热元件。山西榆社、漳山等电厂的空凝器均采用三排管,空凝器投运以来运行情况良好。本文对三排管外空气流动和传热性能进行数值模拟。

　　三排管采用钢制椭圆管(基管)绕钢制椭圆翅片(等宽钢带沿基管外壁呈螺旋形绕制)和热浸镀锌工艺加工制造,热浸镀锌是翅片式钢管散热器生产过程中的一个重要环节。镀锌的作用:一是提高管道的抗腐蚀能力,延长使用寿命;二是使基管与翅片紧密结合,减少接触阻力,增强传热效果。镀锌时,管子端头封闭,管内空气受热膨胀,管壁也受热向外膨胀,可使绕制的翅片与基管产生胀接效果。为防止冬季管内出现流动死区造成水的冻结,三排管采用不同的翅片间距(翅距)。基管和翅片具有较高的承压能力,可以采用高压水清洗翅片和管束外部的污垢。三排管的传热性能主要取决于管外空气侧的对流换热系数,而对流换热系数与迎面风速有着密切的联系。因此,对不同迎面风速下,三排管流动和传热的性能的研究极为重要。

　　1　三排管模型

　　三排管的模型和基本尺寸见图2。基管尺寸为72mm×20 mm,翅片尺寸为94 mm×46 mm;基管壁厚为1.5 mm,翅片壁厚为0.3 mm。为使所研究的问题简化,将绕制的翅片简化为套片。沿管外空气流动方向,三排管的翅距分别为5、3、3 mm。基管通过导热的方式将管内蒸汽的热量传递给翅片,同时基管和翅片又通过对流的方式将热量传递给外掠的空气。因此,三排管的传热是空气对流换热和固体导热相互耦合的传热问题。

　　由于三排管几何结构的周期性和对称性,选择三维交错三排管的一部分如图2所示,在A-A和B-B截面之间建立三排管的三维模型。该模型忽略基管外的翅片锌镀层,忽略蒸汽侧热阻、翅片与基管之间的接触热阻以及实际运行过程中三排管的污垢热阻,忽略翅片与基管的辐射换热,在稳态、不可压缩、不计重力影响、常物性条件下进行模拟研究。汽轮机额定功率或铭牌功率(TRL)工况下的排汽压力为35 kPa,运行环境条件为:1个标准大气压,空气入口温度为32℃,空气定性温度(空气进出口平均温度)为50℃,密度为1.154 6 kg/m3,动力粘性系数为1.789 4×10-5kg/(m·s),导热系数为0.024 2W/(m·℃)。基管的密度为7 790 kg/m3,比热容为470 J/(kg·K),导热系数为36.7 W/(m·K)。同时,对汽轮机热耗率验收(THA)工况(排汽压力15 kPa)时三排管的性能进行数值研究。