鍋爐熱力計算中傳熱系數類庫的實現

1、鍋爐熱力計算中傳熱系數類庫的實現摘要：通過對煙氣、空氣和水蒸汽的物性參數進行擬合，直接采用煙氣、蒸汽側對流傳熱系數公式計算對流換熱系數，進一步實現鍋爐對流受熱面的傳熱系數類庫編制，從而可以不再采用傳統(tǒng)的查圖求取的方法，提高計算的精度和效率。關鍵詞：物性參數；類庫；對流換熱系數 鍋爐熱力計算是進行鍋爐工況校核的常用方法。在鍋爐受熱面的熱力計算中，計算傳熱系數是至關重要的，它的計算由于涉及諸多參數和圖表，使得傳熱系數的計算比較繁瑣。為提高鍋爐熱力計算的效率，采用計算機對各個圖表進行擬合是常用的方法；本文以對流受熱面?zhèn)鳠嵯禂涤嬎銥槔?，參照前蘇聯的熱力計算標準方法3，對計算式中需要用到的物性參數，對煙

2、氣、蒸汽以及空氣的物性參數進行擬合，介紹鍋爐受熱面的傳熱系數類庫的實現。1傳熱系數的計算方法對流換熱系數是表征對流換熱強弱的指標，它與流體的物性、流動狀態(tài)、溫度、管束的布置結構、沖刷方式（縱向、橫向或斜向）、管壁溫度等因素有關。鍋爐對流受熱面中的對流換熱是一種氣體橫向或縱向沖刷管束的強迫對流換熱，工程中應用相似理論來進行分析，得到放熱系數計算式。一般表示為式中c考慮各種影響因素的修正系數；re、pr分別為雷諾數和普朗特數。鍋爐受熱面的傳熱系數與對流換熱系數的關系可以表示為式中k傳熱系數； 1管外工質（通常為煙氣）對流換熱系數； 2管內工質對流換熱系數； 根據受熱面不同，選取污染系數，熱有效系數

3、，利用系數。11傳熱系數計算的常用方法傳統(tǒng)的熱力計算中對于對流換熱系數的求取，一般是通過圖表法，即由煙氣（蒸汽）流速、管徑查取0，再由管排數、節(jié)距、煙氣溫度、煙氣中水蒸汽（rh2 o）含量等數值查出各個修正系數，由式求出煙氣或蒸汽的值。另外可以在計算機上將以上各個圖表擬合成程序，以便采用計算機進行計算，省卻查圖的煩瑣，提高計算效率。實際上這種方法也是在各個圖表的非連續(xù)處進行插值，其原始數據來源就是圖表，所以它對于計算的精度并沒有提高，也是屬于查圖法的一種變形。12傳熱系數計算的改進方法鍋爐熱力計算中查取對流換熱系數的圖表，它們實際的來源是將鍋爐機組熱力計算標準方法中的各個對流換熱系數的計算公式

4、，將各個公式及修正系數制成線算圖，用于查取對流換熱系數，如煙氣橫向沖刷順列管束的對流換熱系數為式中a常數； cs，cz修正系數； d管徑； ，re，pr工質的導熱系數、雷諾數、普朗特數。由公式到圖表，會帶來一定誤差；再由圖表查取對流換熱系數，將帶來更大的誤差，可見傳統(tǒng)的計算方法會直接導致查取的對流換熱系數的不準確，進而使鍋爐熱力計算的結果產生一定的不準確性。為求取各類對流放熱系數，總共用到的查取對流放熱系數的圖表有5處，各類修正系數的圖表有13處。進行圖表擬合將需要50006000組數據。而采用理論公式來求取對流放熱系數，總共需要的數據量在700800組之間，可見采用此種方法來進行對流放熱系數

5、計算的工作量也小得多。改進的方法是從理論公式直接入手，則可將對流換熱系數誤差控制在最小。要做到這一點，必須從工質物性入手，對工質的物性（pr，a，等）進行擬合，再根據工質所處的工況采用式（14）即可求得。上述原理，是著手進行傳熱系數類庫開發(fā)的理論基礎。2對流傳熱系數類庫的組成在面向對象的軟件技術中，“類”是對具有相同數據和相同操作的一組相似對象的定義，也就是說類是對具有相同屬性和行為的一個或多個對象的描述。繼承是指子類能夠直接獲得父類已有的性質和特性，而不必重復定義它們。繼承是類的一個很重要的屬性，它使得相似的對象可以共享程序代碼和數據結構，從而大大減少了程序的冗余信息。21對流傳熱系數類庫的

6、組成由以上分析可知，對流傳熱系數類庫組成的關鍵應該是煙氣、空氣和蒸汽的物性類庫，它們是傳熱系數類庫的基礎。傳熱系數類庫由以下幾部分組成：22物性參數類庫的組成（1）煙氣物性參數類庫和空氣物性參數類庫的組成類庫分別包括求取煙氣和空氣的導熱系數，運動粘度和普朗特數pr的函數。 （2）水蒸汽物性參數類庫的組成此類庫包括水蒸汽焓h、水蒸汽比容v、水蒸汽定壓比熱cp、水蒸汽動力粘度、水蒸汽導熱系數、水蒸汽普朗特數pr、水蒸汽運動粘度七個函數。23換熱系數類庫的組成煙氣、空氣對流換熱系數類庫的組成包括煙氣橫向沖刷順列管束的對流換熱系數，煙氣橫向沖刷錯列管束的對流換熱系數，煙氣縱向沖刷管束的對流換熱系數，空

7、氣預熱器煙氣側的對流換熱系數以及空氣預熱器空氣側的對流換熱系數五個函數。3對流傳熱系數類庫的實現31物性參數類庫的實現311煙氣、空氣物性參數類庫空氣的物性參數主要在計算空氣預熱系數空氣側換熱系數時用到，它的主要物性參數包括運動粘度、導熱系數、普朗特數pr均符合以下關聯式式中t空氣的絕對溫度，單位k； x（t）對應溫度t的空氣物性參數； a（n）擬合數組。它的適用范圍在2501050 k，完全滿足空氣預熱器空氣側所處的溫度要求。影響煙氣物性參數的因素除了溫度外，還有煙氣中水蒸汽份額，需要用到的物性參數包括導熱系數、普朗特數pr、運動粘度。它們符合以下關聯式式中r煙氣中蒸汽份額； t煙氣溫度；

8、x（r，t）實際煙氣的物性參數；312水蒸汽物性參數類庫水蒸汽隨著它所處的區(qū)域不同，它的物性參數計算公式也不相同，整個水蒸汽物性參數一般可以分為4大部分：過冷水區(qū)及飽和水區(qū)、不飽和蒸汽區(qū)及飽和蒸汽區(qū)、過熱蒸汽區(qū)、濕蒸汽區(qū)。水蒸汽物性參數在工程計算中，采用ifc67標準就可以滿足計算的精度要求。水蒸汽物性參數類庫涉及焓（h）、熵（s）、比容（v）這三個常用量。求取它們的公式參見文獻1。對于鍋爐對流受熱面的熱力計算，蒸汽均處于過熱狀態(tài)，只需采用蒸汽過熱區(qū)的算式。同時，在熱力計算中所用到的物性參數還有運動粘度（）、動力粘度（）、導熱系數（）、定壓比熱（cp）以及普朗特數（pr）。這需要將以上幾個物性

9、參數計算式進行推導。動力粘度式中t，p蒸汽的絕對溫度、密度； hi，hij系數。導熱系數采用南山（minamiyama）等人的導熱系數方程，它已被選用為國際計算公式2，其結構簡單，能較好地適合蒸汽區(qū)的臨界等溫線處的微小不連續(xù)性。該方程為式中ai，bi，bi，ci，di，q，r系數； t，p臨界點溫度、比容； t，p蒸汽溫度、比容。 定壓比熱 定壓比熱的理論計算公式如式（310），在實際定壓比熱的求取相對以上的物性參數來說，難度及計算量相對較大，式（311）的計算精度不如式（312），本類庫采用式（312）來進行計算。 以上各式中 pc1，tc1，vc1臨界點壓力、溫度、比容； ，對比態(tài)焓，熵；

10、 1常數； ttc1，對比態(tài)溫度； ppc1，對比態(tài)壓力； ，對比態(tài)自由焓。由以上可知，水蒸汽物性參數擬合這一部分的工作量比前一部分大，而且許多物性參數之間又是相互關聯的，所以在對水蒸汽物性參數擬合時要按照順序擬合，一步步的完成，同時要控制每個物性參數的擬合誤差，否則一步步的推進，將導致后幾項的誤差增大。32對流換熱系數類庫的實現321煙氣側對流換熱系數類庫采取的計算式為前蘇聯熱力計算標準采用的計算方法3，按照煙氣流向和管束的排列，采用的算式如下： 煙氣橫向沖刷順列管束的對流換熱系數 煙氣橫向沖刷錯列管束的對流換熱系數空氣預熱器空氣和煙氣兩側的對流換熱系統(tǒng)的計算式形式是一樣的，計算時調用各自的

11、物性參數類庫即可。322蒸汽側對流換熱系數類庫鍋爐對流受熱面內蒸汽在管內均為縱向沖刷，且為過熱狀態(tài)（即為單相介質），所以蒸汽側對流換熱系數算式采用計算時引用過熱區(qū)水蒸汽的物性參數。4總結在某廠2000th鍋爐的熱力計算中運用了傳熱系數類庫進行對流受熱面?zhèn)鳠嵯禂档挠嬎悖瑹o論在結果精度和運用便捷性上，傳熱系數類庫的實現對于鍋爐對流受熱面的計算帶來了很大方便。和傳統(tǒng)的計算方法相比，它具有以下優(yōu)點：便捷性。從在實際計算中的運用對比，應用編制類庫比傳統(tǒng)查圖方法更便捷，計算速度更快，傳統(tǒng)的查圖方法由于過于繁瑣，直接導致計算效率偏低；運用計算機進行計算后，由于類庫的實現可以直接調用，大大提高了計算速度。準確性。此類庫由于直接從制成線算圖的對流換熱系數的計算公式入手，進行物性參數的推導、編制；避免了對線算圖進行插值編程計算對流換熱系數，在一定程度上也會提高計算精確度。靈活性。此類庫不僅在計算對流受熱面的換熱系數時可以調用，而且類庫中的函數亦可以在鍋爐熱力計算中其他部分使用。如：在計算鍋爐爐膛的輻射熱量時，就可以調用煙氣輻射換熱系數類庫煙氣黑度函數計算煙氣黑度?？蓴U充性。對于此類庫，由于各個函數目標明確，調用時比較方便。對其中的物性參數類庫進行擴充可以使得物性參數類庫的應用性更為廣泛，為鍋爐其它受熱面的計