管殼式換熱器凝結(jié)換熱特性的研究及數(shù)值計(jì)算

1、摘 要作為管殼式換熱器的凝汽器在電廠中有其重要的作用，而凝汽器殼側(cè)是由凝結(jié) 和不凝結(jié)氣體組成。在換熱過程中，因存在凝結(jié)換熱，氣體流速、壓力、不凝結(jié)氣 濃度、傳熱系數(shù)及各氣體相對(duì)份額等參數(shù)，隨著蒸汽的凝結(jié)，沿氣體流動(dòng)方向發(fā)生 很大變化，使流動(dòng)與傳熱過程十分復(fù)雜。因此，在考慮凝結(jié)對(duì)換熱影響的基礎(chǔ)上， 利用多孔介質(zhì)理論，對(duì)凝汽器汽側(cè)的換熱過程建立數(shù)值計(jì)算的控制方程，通過編程 計(jì)算，得到了壓力、溫度、速度、密度場(chǎng)等，通過對(duì)結(jié)果分析，不凝結(jié)氣體的含量 對(duì)換熱系數(shù)影響很大，因此利用計(jì)算結(jié)果，擬合出傳熱系數(shù)與空氣體濃度之間的關(guān) 系式。為凝結(jié)換熱器的設(shè)計(jì)及計(jì)算提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：管殼式換熱器，凝汽器，凝結(jié)換熱

2、，傳熱系數(shù)，數(shù)值傳熱學(xué)abstractas a shelband-tube heat exchanger condenser is important to power plant, steam and non-condensable gases is existed in shell side of condenser. in the heat transfer process, as a result of the existence of condensation heat transfer, flow rate, pressure, non-condensing gas concent

3、rations, heat transfer coefficient and other parameters of gases with the condensation which was changed along the direction of gas flowing, led to the flow and heat transfer process complicated. so based on the condensation on the effects of heat transfer, using the theory of porous media, establis

4、h the equation of heat transfer process in the side of steam, getting the pressure, temperature, speed, density field by programming calculation, analyzing the result, conclude the non-condensable gas concentration had a great impact on the heat transfer coefficient, so fitting the function of the r

5、elation between heat transfer coefficient and air concentration. provide the basis for the condensation heat exchanger designing and calculation.fan wei (power machinery and engineering) directed by prof. li hui-jun摘 要作為管殼式換熱器的凝汽器在電廠中有其重要的作用，而凝汽器殼側(cè)是由凝結(jié) 和不凝結(jié)氣體組成。在換熱過程中，因存在凝結(jié)換熱，氣體流速、壓力、不凝結(jié)氣 濃度、傳熱系數(shù)及各氣

6、體相對(duì)份額等參數(shù)，隨著蒸汽的凝結(jié)，沿氣體流動(dòng)方向發(fā)生 很大變化，使流動(dòng)與傳熱過程十分復(fù)雜。因此，在考慮凝結(jié)對(duì)換熱影響的基礎(chǔ)上， 利用多孔介質(zhì)理論，對(duì)凝汽器汽側(cè)的換熱過程建立數(shù)值計(jì)算的控制方程，通過編程 計(jì)算，得到了壓力、溫度、速度、密度場(chǎng)等，通過對(duì)結(jié)果分析，不凝結(jié)氣體的含量 對(duì)換熱系數(shù)影響很大，因此利用計(jì)算結(jié)果，擬合出傳熱系數(shù)與空氣體濃度之間的關(guān) 系式。為凝結(jié)換熱器的設(shè)計(jì)及計(jì)算提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：管殼式換熱器，凝汽器，凝結(jié)換熱，傳熱系數(shù)，數(shù)值傳熱學(xué)abstractas a shelband-tube heat exchanger condenser is important to power

7、plant, steam and non-condensable gases is existed in shell side of condenser. in the heat transfer process, as a result of the existence of condensation heat transfer, flow rate, pressure, non-condensing gas concentrations, heat transfer coefficient and other parameters of gases with the condensatio

8、n which was changed along the direction of gas flowing, led to the flow and heat transfer process complicated. so based on the condensation on the effects of heat transfer, using the theory of porous media, establish the equation of heat transfer process in the side of steam, getting the pressure, t

9、emperature, speed, density field by programming calculation, analyzing the result, conclude the non-condensable gas concentration had a great impact on the heat transfer coefficient, so fitting the function of the relation between heat transfer coefficient and air concentration. provide the basis fo

10、r the condensation heat exchanger designing and calculation.fan wei (power machinery and engineering) directed by prof. li hui-jun聲 明本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文管殼式換熱器凝結(jié)換熱特性 的研究及數(shù)值計(jì)算，是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下 進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果。據(jù)本人所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致 謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲 得華北電力大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我

11、一同工作 的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。日學(xué)位論文作者簽名:關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保管、并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)校可以釆用影印、 縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借 閱；學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；同意學(xué)?？梢杂?不同方式在不同媒體上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。（涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定）第一章引言1.1選題背景及意義能源工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的物質(zhì)基礎(chǔ)，世界各國都把建 立可靠、安全、

12、穩(wěn)定的能源供應(yīng)保障體系作為國民經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略問題之一。我國是世 界上能源蘊(yùn)藏和能源生產(chǎn)大國，我國的一次能源生產(chǎn)居世界第二位，但人均擁有的 煤、石油和天然氣等不可再生能源只占世界平均值的55.67%、11.14%和4.38%,同 時(shí)我國的能源利用率比較低，只有33.4%,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的52%56%,而單位 國民生產(chǎn)總值能耗卻是發(fā)達(dá)國家的34倍。這就使得我國的能源供需矛盾十分突 出，因此迫切需要加強(qiáng)能源管理，合理開發(fā)和有效利用能源。我國政府對(duì)能源問題 十分重視：早在80年代就提出了“節(jié)約和開發(fā)并重，近期把節(jié)約放在優(yōu)先地位”的能 源方針政策；在2004年，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，國家發(fā)改委發(fā)布了節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)

13、 劃，提出了節(jié)能的指導(dǎo)思想、原則和目標(biāo)，以及十大重點(diǎn)節(jié)能工程和十條保障措 施。在“十一五-(2006-2010年)規(guī)劃綱要中提岀了“十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總 值能耗降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%的約束性指標(biāo)。而后又明確了 2010年中國實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)任務(wù)和總體要求，即到2010年，中國萬元國內(nèi)生 產(chǎn)總值能耗將由2005年的1.22噸標(biāo)準(zhǔn)煤下降到1噸標(biāo)準(zhǔn)煤以下，降低20%左右；. 單位工業(yè)增加值用水量降低30%o “十一五”期間，中國主要污染物排放總量減少 10%,到2010年，二氧化硫排放量由2005年的2549萬噸減少到2295萬噸，化學(xué) 需氧量由1414萬噸減少到127

14、3萬噸；全國設(shè)市城市污水處理率不低于70%,工業(yè) 固體廢物綜合利用率達(dá)到60%以上。換熱器廣泛的應(yīng)用于許多工業(yè)部門中，其中管殼式換熱器占了 1/3以上。由于 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)可靠、技術(shù)成熟.適用面廣，已成為目前熱力系統(tǒng)中最為常用的 換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)形式。化工廠中的加熱器、冷卻器，火力發(fā)電廠中的凝汽器、冷油器 以及壓縮機(jī)的中間冷卻器等都是管殼式換熱器的實(shí)例。在現(xiàn)代工業(yè)中，火力發(fā)電廠作為將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的場(chǎng)所，是消耗一 次能源的大戶。每年我國有約1/4的煤炭用于發(fā)電。管殼式換熱器的性能對(duì)火力發(fā) 電廠的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性以及能源的有效利用有著重要的影響。以火力發(fā)電廠中 重要的管殼式換熱器凝汽器為

15、例，國產(chǎn)高壓200mw機(jī)組，如果凝汽器真空下 降0.98kpa,則機(jī)組熱耗上升63kj/(kw h),而機(jī)組初壓下降490kpa,機(jī)組熱耗才 上升20.93 kj/(kwh)；對(duì)一臺(tái)超高壓汽輪機(jī)，凝汽器壓力每降低0.981kpa,循環(huán)熱 效率可提高0.5%0.7%；而對(duì)一臺(tái)亞臨界600mw汽輪機(jī)，循環(huán)熱效率相應(yīng)可提高 約0.5%。以全國年發(fā)電量1.5力億千瓦時(shí)計(jì)算，如果真空提高0.3kpa,則每年可節(jié) 約標(biāo)準(zhǔn)煤約78.7力噸。在當(dāng)前國家能源供應(yīng)十分緊張的情況下，提高管殼式換熱器的傳熱特性，進(jìn)行 強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究己經(jīng)成為節(jié)能降耗工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的 目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此要

16、節(jié)能減排，提高火力發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能意識(shí)， 必須研究各種傳熱過程的強(qiáng)化問題，開發(fā)適用不同過程的強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)及高效換熱 設(shè)備，這不僅是現(xiàn)代電力工業(yè)發(fā)展過程中必須解決的課題，同時(shí)也是開展節(jié)能工作 的迫切任務(wù)。1.2目前國內(nèi)外研究狀況1.2.1強(qiáng)化傳熱技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱就是使換熱器在單位時(shí)間、單位傳熱面積傳遞的熱量盡 可能多。管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱方法主要有：采用改變傳熱元件本身的表面形狀及 其表面處理方法，以獲得粗糙表面和擴(kuò)展表面；用添加內(nèi)插物的方法增強(qiáng)流體本身 的擾流；改變管束支撐形式以獲得良好的流動(dòng)分布，充分利用傳熱面積；將換熱管 的內(nèi)外表面軋制成各種不同的表面形狀，使管內(nèi)外流

17、體同時(shí)產(chǎn)生湍流以達(dá)到同時(shí)擴(kuò) 大管內(nèi)外有效傳熱面積的目的，提髙換熱管的傳熱性能；將換熱管表面制成多孔狀, 使氣泡核心的數(shù)量大幅度增加，從而提高傳熱系數(shù)。從傳熱學(xué)的發(fā)展歷史來看，20世紀(jì)60年代之前，研究的重點(diǎn)仍是揭示基本傳 遞現(xiàn)象的規(guī)律。這一時(shí)期及以前的各類文獻(xiàn)中，幾乎從未出現(xiàn)“強(qiáng)化傳熱"（heat transfer enhancement）的術(shù)語。發(fā)生于20世紀(jì)70年代的世界性能源危機(jī)，客觀上 極大的促進(jìn)了強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究和發(fā)展，其實(shí)質(zhì)是探求在消耗一定能量的條件下 盡可能多的傳遞為某種過程所需的熱量。因此，從70年代開始，各國均十分重視 強(qiáng)化傳熱技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用研究。進(jìn)入90年代以

18、后，強(qiáng)化換熱技術(shù)開始由第2代 向第3代發(fā)展，第2代強(qiáng)化傳熱技術(shù)已經(jīng)被逐漸認(rèn)同為一種常規(guī)技術(shù)；最近又提出 了第4代強(qiáng)化傳熱技術(shù)的概念。近年來，隨著激光多譜勒測(cè)速儀（ldv）、粒子圖像測(cè)速儀（piv）等先進(jìn)實(shí)驗(yàn) 和測(cè)試儀器在流體力學(xué)學(xué)科的深入應(yīng)用，為換熱器實(shí)驗(yàn)研究提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)手 段，極大的提高了換熱器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試能力，進(jìn)一步推動(dòng)了換熱器實(shí)驗(yàn)研究向著高精 度、高效率和數(shù)控化方向發(fā)展。實(shí)驗(yàn)研究固然有其有點(diǎn)，但實(shí)驗(yàn)研究周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn) 過程費(fèi)用較高，受多方面因素限制，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)過簡(jiǎn)化后，與工程應(yīng)用中換熱器原 型尺寸和結(jié)構(gòu)差別往往較大，難以完全相似，不可避免的存在著原始缺陷與誤差， 難以進(jìn)行放大設(shè)計(jì)和優(yōu)化

19、設(shè)計(jì)，且測(cè)量誤差的存在對(duì)測(cè)量?jī)x器及測(cè)量人員的測(cè)量經(jīng) 驗(yàn)都有較高的要求。因此隨著換熱器向著大型化、高參數(shù)化不斷發(fā)展，單純依靠實(shí) 驗(yàn)研究方式已不能很好的適應(yīng)換熱器的研究和開發(fā)需要。為了更好的適應(yīng)換熱器的研究和開發(fā)需要，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在換 熱設(shè)備研究開發(fā)和設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。近年來，國內(nèi)學(xué)者在國外數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ) 上，在換熱器數(shù)值模擬方面也開展了越來越多的工作。1.2.2數(shù)值傳熱學(xué)的基本思想簡(jiǎn)介隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，用數(shù)值方法對(duì)傳熱問題的分析研究取得了重大進(jìn)展， 在20世紀(jì)70年代已經(jīng)形成一個(gè)新興分支數(shù)值傳熱學(xué)。在介紹數(shù)值傳熱學(xué)的基 本思想之前，需要先介紹描述流動(dòng)與傳熱問題的控制方程組。設(shè)

20、在如圖11所示的三維直角坐標(biāo)系中有一對(duì)流換熱過程，流體的速度矢量u 在三個(gè)坐標(biāo)上的分量分別為u, v, w,壓力為p,流體的密度為°。這里，為一般 化起見及p都是空間坐標(biāo)及時(shí)間的函數(shù)。對(duì)圖中所示的微元體積dxdydz, 應(yīng)用質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律及能量守恒定律?？傻贸鋈齻€(gè)守恒定律的數(shù)學(xué)表 達(dá)式叫圖1-1三維直角坐標(biāo)系及微元體(1) 質(zhì)量守恒方程對(duì)圖11中固定在空間位置的微元體，質(zhì)量守恒定律可表示為單位時(shí)間內(nèi)微元體中流體質(zhì)量的增加二同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量據(jù)此，可以得出以下的質(zhì)量守恒方程，又稱為連續(xù)性方程空+燉+迸凹*如0dt dx dy dz上式中的第2, 3, 4項(xiàng)是

21、質(zhì)量流密度(單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的流體質(zhì)量)的散 度，可用矢量符號(hào)寫出為(1-2)對(duì)于不可壓縮流體，其流體密度為常數(shù)，連續(xù)性方程簡(jiǎn)化為(1-3)dzv(tr) = 0(2) 動(dòng)量守恒方程對(duì)圖1-1所示的微元體分別在三個(gè)坐標(biāo)方向上應(yīng)用newton第二定律(f ma )在流體流動(dòng)中的表現(xiàn)形式微元體中流體動(dòng)量的增加率二作用在微元體上各種力之和引入newton切應(yīng)力公式及stokes的表達(dá)式，可得3個(gè)速度分量的動(dòng)量方程如下動(dòng)量方程*d(pu) d(p«u) d(pvu) d(pwu)h+dt dxdydz旦+2dx dxdu加s2燈詩“dxdv du + dx dyd+ lldzdu dw

22、 + dz dx動(dòng)量方程d(pv) d(puv) d(pw) d(pwv)+ “ + dt dx dydz辱2dy dxdx dy ) dy“ divu + 2 +dv dw + dz dy(l-4b)w 動(dòng)量方程0(0v) d (puw) d(pvw) d(pvnv)+ dtdxdydzdp d n 一 +dy dxdu dw 一 + dz dxdv dw dz dydw+2加i叨+2“空dzdzdz+ pfz4c)式中“為流體的動(dòng)力粘度，“稱為流體的第二分子黏度，對(duì)氣體可取為2/3。在數(shù)值傳熱學(xué)中常常將上述3式等號(hào)后的分子粘性作用項(xiàng)做如下變化，以動(dòng) 量方程為例fidivu + 2 + dx

23、dxidv du"kfd+ dz(du dw lz+dxdx+ fidivu= div(“gradu) + s.(1-5)據(jù)此.上述動(dòng)量方程可以進(jìn)一步寫成以下矢量形式(l-6a)(l-6b)(l6c)-div(puu ) = div(/2gradu) + su -乎+ div (pvu) = div(/ltgradv) + j 一 詈 mp弓)+ div (pwu) = div(ptgradw) sw - dtdz式中s“，sv，s”為3個(gè)動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)，其表達(dá)式可對(duì)照式(15)得出如下(l7a)(l7b)(l7c)對(duì)于粘性為常數(shù)的不可壓縮流體，su = svsw=o,于是式(1

24、6)簡(jiǎn)化成為 + div(wl/) = div(ygradu)-丄羊(l-8a) + divvu) = div(vgradv) -(l-8b)號(hào) + div(wu) -div(vgradw)(l8c)式中“為流體的運(yùn)動(dòng)粘度。式(16)(18)稱為navier-stokes方程，簡(jiǎn)稱n-s方程。(3) 能量守恒方程對(duì)圖所示的微元體應(yīng)用能量守恒定律：微元體內(nèi)熱力學(xué)能的增加率二進(jìn)入微元體的凈熱流量+體積力與表而力對(duì)微元體做 的功。再引入導(dǎo)熱fourier定律，可得出用流體比焙方及溫度7*表示的能量方程a (ph) d(puh) d(pvh) d(pwh)dt dx dydz(1-9) - pdivu

25、 + div(xgradt) + 0 + s*式中人是流體的導(dǎo)熱系數(shù)，£為流體的內(nèi)熱源，0為由于粘性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱 能的部分，稱為耗散函數(shù)，其計(jì)算式如下筒調(diào)£)1噹罔mdu dw+dz dx2dv3z+v j+ xdivu(m0)式(19)中pdivu系表面力對(duì)流體微元體所做的功，一般可以忽略；同時(shí)對(duì)理想氣體, 液體及固體可以取hcj ,進(jìn)一步取°為常數(shù)，并把耗散函數(shù)0納入到源項(xiàng)耳中(sr ®+ )»于是可得+ div(put)- j/v( gradt) + st(ml)丹cp對(duì)不可壓縮流體有(m2)+ div(ut) -gradt) +

26、/psp式(12), (l4a), (l-4b), (l-4c)及(111)包含6個(gè)未知量，“ v,杠p, t及p,還需 補(bǔ)充一個(gè)聯(lián)系p和p的狀態(tài)方程，方程組才能封閉p-fm(m3)對(duì)理想氣體可有p = prt(1-14)其中r為摩爾氣體常數(shù)。至此，已得到流動(dòng)與傳熱問題的質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律及能量守恒定律 的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在流動(dòng)與傳熱問題求解中所需求解主要變量(速度及溫度等)的控制方程都可 以表示成以下通用形式-+ div (pu(p) = div(grad(p) +(1-12)dtr式中0為通用變量，可以代表-v, w, t等求解變量；q為廣義擴(kuò)散系數(shù)；s.為 廣義源項(xiàng)。這里引入“廣義”

27、二字，表示處在q與s.位置上的項(xiàng)不必是原來物理意義 上的量，而是數(shù)值計(jì)算模型方程中的一種定義，不同求解變量之間的區(qū)別除了邊界 條件與初始條件外，就在于耳與»的表達(dá)式不同【對(duì)于不同的方程及變量，。的 取值不同，其詳細(xì)的分類將在第三章以表格的形式詳細(xì)列出。得到控制方程后，若要求解還需確定計(jì)算模型的初始條件與邊界條件，且控制 方程還有守恒與非守恒形式，關(guān)于守恒與非守恒形式的討論在文獻(xiàn)2中有詳細(xì)的分 析，故本文不再贅述。對(duì)前面介紹的描寫流動(dòng)與傳熱的偏微分方程，數(shù)學(xué)界已經(jīng)發(fā)展出了不少獲得其 精確解(又稱分析解)的數(shù)學(xué)方法。這些精確解是在整個(gè)求解區(qū)域內(nèi)連續(xù)變化的函 數(shù)。但是直到目前，這些分析解還

28、只能對(duì)少量的簡(jiǎn)單的情形得出，對(duì)于大量具有工 程實(shí)際意義的流動(dòng)與傳熱問題，數(shù)值計(jì)算的方法越來越廣泛的得到應(yīng)用。數(shù)值傳熱學(xué)(numerical heat transfer, nht)又稱為計(jì)算傳熱學(xué)(computational heat transfer, cht),是指對(duì)描寫流動(dòng)與傳熱問題的控制方程采用數(shù)值方法通過計(jì) 算機(jī)予以求解的一門傳熱學(xué)與數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學(xué)科。數(shù)值傳熱學(xué)求解問題的 基本思想是：把原來在空間與時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)(如速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)， 濃度場(chǎng)等)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)(稱為節(jié)點(diǎn)，node)上的值的集合來代替，通過 一定的原則建立起這些離散點(diǎn)上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程(

29、稱為離散方程， discretization equation),求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值。 上述的思想可以用圖12來表示。在過去的幾十年內(nèi)已經(jīng)發(fā)展出了多種數(shù)值解法，其間的主要區(qū)別在于區(qū)域的離 散方式、方程的離散方式及代數(shù)方程求解的方法這3個(gè)環(huán)節(jié)上。在流動(dòng)與傳熱計(jì)算 中應(yīng)用較廣泛的是有限差分法(finite different method, fdm),有限容積法(finite volume method, fvm),有限元法(finite element method, fem)及有限分析法(finite analytic method, fam)o現(xiàn)將它們的主要思想

30、簡(jiǎn)述如下：；建立控制方程、確定初始! 條件與邊界條件 4m i劃分了區(qū)域，確定節(jié)點(diǎn)i(區(qū)域離散化)i建立離散方程 (方程離散化)初始與邊界條件離散化求解離散方程以當(dāng)前值重建離散方程hmm !n mfn 線性問題;非線性問題解收斂否i是解的分析圖1-2物理問題數(shù)值求解的基本過程有限差分法(finite different method, fdm)是歷史上最早采用的數(shù)值方法，對(duì) 簡(jiǎn)單幾何形狀中的流動(dòng)與換熱問題也是一種最容易實(shí)施的數(shù)值方法。其基本點(diǎn)是： 將求解區(qū)域用與坐標(biāo)軸平行的一系列網(wǎng)格線的交點(diǎn)所組成的點(diǎn)的集合來代替，在每 個(gè)節(jié)點(diǎn)上，將控制方程中每一個(gè)導(dǎo)數(shù)用相應(yīng)的差分表達(dá)式來代替，從而在每個(gè)節(jié)點(diǎn)

31、上形成一個(gè)代數(shù)方程，每個(gè)方程中包括了本節(jié)點(diǎn)及其附近一些點(diǎn)上的未知值，求解 這些代數(shù)方程就獲得了所需的數(shù)值解。由于各階導(dǎo)數(shù)的差分表達(dá)式可以從taylor展 開式來導(dǎo)出，這種方法又稱建立離散方程的taylor展開法。有限差分法的主要缺點(diǎn) 是對(duì)復(fù)雜區(qū)域的適應(yīng)性較差及數(shù)值解的守恒性難以保證。有限容積法(finite volume method, fvm)。在有限容積法中將所計(jì)算的區(qū)域劃 分成一系列控制容積，每個(gè)控制容積都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)做代表。通過將守恒型的控制方 程對(duì)控制容積做積分來導(dǎo)出離散方程。在導(dǎo)岀過程中，需要對(duì)界面上的被求函數(shù)本 身及其一階導(dǎo)數(shù)的構(gòu)成作出假定，這種構(gòu)成的方式就是有限容積法中的離散格式

32、。 用有限容積法導(dǎo)岀的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)的物理意 義明確，是目前流動(dòng)與傳熱問題的數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最廣的一種方法。值得指出，曾 經(jīng)有文獻(xiàn)將有限容積法作為有限差分法的種形式的看法刃。實(shí)際上這兩種數(shù)值方 法在獲得離散方程的途徑方面完全不同，正像有限分析法與有限差分法獲得離散方 8程的方法不同而作為兩種離散數(shù)值方法一樣，將有限差分法與有限容積法作為兩種 數(shù)值方法更為合適。有限元法(finite element method, fem)。在有限元法中把計(jì)算區(qū)域劃分成一系 列元體(在二維情況下，元體多為三角形或四邊形)，在每個(gè)元體上取數(shù)個(gè)點(diǎn)作為 節(jié)點(diǎn)，然后通過對(duì)控制方程做積分來獲

33、得離散方程。其與有限容積法區(qū)別在于：(1) 要選定一個(gè)形狀函數(shù)(最簡(jiǎn)單的是線性函數(shù))，并通過元體中節(jié)點(diǎn)上的被求 變量之值來表示該形狀函數(shù)。在積分之前將該形狀函數(shù)帶入到控制方程中去；這一 形狀函數(shù)在建立離散方程及求解后結(jié)果的處理上都要應(yīng)用。(2) 控制方程在積分之前要乘上一個(gè)權(quán)函數(shù)，要求在整個(gè)計(jì)算區(qū)域上控制方程余 量(即代入形狀函數(shù)后使控制方程等號(hào)兩端不相等的差值)的加權(quán)平均值等于零， 從而得岀一組關(guān)于節(jié)點(diǎn)上的被求變量的代數(shù)方程組。有限元法的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性好。但計(jì)算的工作量一般較有限 容積法大，而且在求解流動(dòng)與換熱問題時(shí)，對(duì)流項(xiàng)的離散處理方法及不可壓縮流體 原始變量法求解方面沒有

34、有限容積法成熟以二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題為例，在直角坐標(biāo)的均分網(wǎng)格上采用fdm, fvm及fem 的網(wǎng)格及p點(diǎn)離散方程涉及到的鄰點(diǎn)情況，如圖13 (a), (b), (c)中。圖中黑點(diǎn) 代表溫度場(chǎng)離散方程所涉及到的節(jié)點(diǎn)。(b)mwn-心&s se(c)ne:£swse(d)(a) fdm； (b) fvm： (c) fem； (d) fam圖1-3不同數(shù)值方法區(qū)域與節(jié)點(diǎn)的劃分有限分析法(finite analytic method, fam)。有限分析法是由美國籍華人陳景仁 教授在1981年提出的。在這種方法中，也像有限差分法那樣，用一系列網(wǎng)格線將 區(qū)域離散，所不同的是每一個(gè)節(jié)點(diǎn)與相

35、鄰的4個(gè)網(wǎng)格(二維)問題組成計(jì)算單元， 即一個(gè)計(jì)算單元由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)與8個(gè)相鄰點(diǎn)組成(圖1-3 (d)o在計(jì)算單元中把 控制方程中的非線性項(xiàng)(如ns方程中的對(duì)流項(xiàng))局部線性化(即認(rèn)為速度已知), 并對(duì)該單元上未知函數(shù)的變化型線做出假設(shè)，把所選定型線表達(dá)式中的系數(shù)和常數(shù) 項(xiàng)用單元邊界節(jié)點(diǎn)上未知的變量值來表示，這樣該單元內(nèi)的被求問題就轉(zhuǎn)化為第一 類邊界條件下的一個(gè)定解問題，可以找岀其分析解：然后利用這一分析解，得出該 單元中點(diǎn)及邊界上8個(gè)鄰點(diǎn)上未知值間的代數(shù)方程，此即為單元中點(diǎn)的離散方程。 有限分析法中的系數(shù)不像有限容積法中那樣有明確的物理意義，對(duì)不規(guī)則區(qū)域的適 應(yīng)性也較差【卸。1.3本文的研究?jī)?nèi)

36、容目前，世界各國在高效換熱器理論研究及新技術(shù)新產(chǎn)品開發(fā)方面己進(jìn)入高層次 的探索階段。各國為提高換熱器性能進(jìn)行的研究主要是強(qiáng)化傳熱，提高對(duì)苛刻工藝 條件和各類腐蝕介質(zhì)適應(yīng)性材料的開發(fā)，以及向著高溫、高壓.大型化方向發(fā)展所 作的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。當(dāng)今高效換熱器技術(shù)的發(fā)展以計(jì)算流體力學(xué)(cfd)、數(shù)值傳熱學(xué) (nht)、模型化技術(shù)、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及新型換熱器開發(fā)等形成了一個(gè)高技術(shù)體系。本文的研究思路是以數(shù)值傳熱學(xué)的基本思想為指導(dǎo)，對(duì)管殼式換熱器內(nèi)凝結(jié)換 熱特性進(jìn)行理論分析，建立計(jì)算模型并通過編制的程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行計(jì)算，分析計(jì)算 結(jié)果，得出結(jié)論。本文的主要目的是對(duì)管殼式換熱器內(nèi)含有不凝結(jié)氣體的凝結(jié)換熱過程進(jìn)行數(shù)值

37、 計(jì)算，主要分析管殼式換熱器的凝結(jié)換熱過程中，不凝結(jié)氣體對(duì)傳熱性能的影響， 并且對(duì)求解傳熱系數(shù)方程加以改進(jìn)。在研究方法上，選用現(xiàn)代化大型火力發(fā)電廠的凝汽器作為研究對(duì)象。在傳熱學(xué) 角度上，凝汽器是一種管殼式換熱器，管殼式換熱器內(nèi)凝結(jié)換熱的過程相當(dāng)于凝汽 器在工作狀態(tài)下的流動(dòng)與傳熱過程。首先，理論上對(duì)凝結(jié)換熱特性進(jìn)行闡述；然后， 建立計(jì)算模型，確定初始條件和邊界條件。數(shù)值解法采用有限容積法，區(qū)域離散化 釆用內(nèi)節(jié)點(diǎn)法，即方法b,控制方程的離散釆用控制容積積分法，釆用simple算 法求解離散方程，整個(gè)計(jì)算過程通過程序?qū)崿F(xiàn)，最后將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到tecplot 10 進(jìn)行繪圖，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。目前的

38、主要困難是，計(jì)算程序?yàn)樵创a程序，計(jì)算模型復(fù)雜，調(diào)試所需的工作 量較大；管殼式換熱器內(nèi)流動(dòng)與傳熱的問題非常復(fù)雜，需要建立合理的計(jì)算模型。第二章管殼式換熱器的換熱分析凝汽器殼側(cè)為汽-氣混合物，在通過冷卻管束時(shí)，因存在凝結(jié)換熱，氣流速度、 壓力、不凝結(jié)氣濃度、傳熱系數(shù).密度及各氣體相對(duì)份額等參數(shù)，隨著蒸汽的凝結(jié), 沿管程方向發(fā)生很大變化，使流動(dòng)與傳熱過程十分復(fù)雜。2.1凝汽器的傳熱過程作為汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，凝汽器的工作性能對(duì)整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的好 壞有很大影響。從傳熱學(xué)的角度來看，凝汽器是一種典型的管殼式換熱器，其結(jié)構(gòu) 如圖2-1所示。10 9131-后水室：2-管板；3-冷卻水管；4-熱井

39、；5-進(jìn)水管；6-水室隔板；7-前水室;8-出水室；9-管子支撐隔板；10-進(jìn)汽管；11-空氣冷卻區(qū)；12-擋板;13-外殼：14-抽氣口圖2-1凝汽器示意圖2.1.1傳熱過程表達(dá)式蒸汽在凝汽器內(nèi)的凝結(jié)過程基本上是等壓過程，其絕對(duì)壓力值取決于蒸汽凝結(jié) 時(shí)的飽和溫度，此溫度取決于冷卻水溫度（大致在030°c）以及冷卻水與蒸汽之間 的傳熱溫差（通常約為1020°c）。考慮到大氣壓力下蒸汽的飽和溫度為100-c,因 此凝汽器是在遠(yuǎn)低于大氣壓力下即較奇真空條件下工作的10ju2jo大多數(shù)凝汽器都采用水平管外凝結(jié)的工作方式，為使凝結(jié)過程連續(xù)進(jìn)行，冷卻 水需在循環(huán)水泵的驅(qū)動(dòng)下連續(xù)不斷地

40、流過冷卻管內(nèi)，不斷吸收蒸汽凝結(jié)時(shí)放出的汽 化潛熱。整個(gè)傳熱過程包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：冷卻管外表面上的蒸汽凝結(jié)放熱；通過 管壁金屬本身及管內(nèi)外表面上的污垢層的導(dǎo)熱；管內(nèi)壁對(duì)冷卻水的對(duì)流換熱。所以 這是由多個(gè)壞節(jié)串聯(lián)組成的復(fù)雜傳熱過程。凝汽器內(nèi)的傳熱過程可由下式表示：q = kfb(2-1)2(九-龍2幾"譏)(2-2)式中 0凝汽器的熱負(fù)荷，w,k凝汽器的傳熱系數(shù)，wgk)；f凝汽器的冷卻面積，加彳；m凝汽器的對(duì)數(shù)平均傳熱溫差，k；dc汽輪機(jī)排汽量，kgls；hc 汽輪機(jī)排汽比焙，j/s；hc凝結(jié)水比焙；kj isdw冷卻水流量，kg/s；cw冷卻水比熱容，j/(kg.k)；匚冷卻水出口溫

41、度，k；心冷卻水進(jìn)口溫度，k。傳熱過程的示意圖如圖22所示：與凝汽器壓力相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度可表示為:(2-7)2.1.2凝汽器的各換熱環(huán)節(jié)凝汽器換熱過程可以概括為三個(gè)環(huán)節(jié)：管外凝結(jié)放熱，通過管壁及污垢熱阻導(dǎo) 熱，管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱【°。(1) 管外凝結(jié)放熱管外凝結(jié)放熱是水蒸汽在凝汽器冷凝表面上釋放潛熱凝結(jié)為水的過程。蒸汽與 低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)有兩種不同的凝結(jié)形式。如果凝結(jié)液體能很好的潤(rùn)濕壁 面，它就在壁面上鋪展成膜。這種凝結(jié)形式稱為膜狀凝結(jié)。膜狀凝結(jié)時(shí)，壁面總是 被一層液膜覆蓋著，凝結(jié)放出的相變熱(潛熱)必須穿過液膜才能傳到冷卻壁面上 去。這時(shí)，液膜層就成為換熱的主要熱阻。當(dāng)凝

42、結(jié)液體不能很好的潤(rùn)濕壁面時(shí)，凝 結(jié)液體在壁面上形成一個(gè)個(gè)的小液珠，稱為珠狀凝結(jié)。(a)膜狀凝結(jié)膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)的定性圖示見圖23產(chǎn)生珠狀凝結(jié)時(shí)，所形成的液珠不斷 發(fā)展長(zhǎng)大，在非水平的壁面上，因受重力作用，液珠長(zhǎng)大到一定尺寸后就沿壁面滾 下。在滾下的過程中，一方面會(huì)合相遇的液珠，合并成更大的液滴，另一方面也掃 清了沿途的液珠，使壁面重復(fù)液珠的形成和成長(zhǎng)過程。(b)珠狀凝結(jié)圖2-3兩種凝結(jié)形式膜狀凝結(jié)時(shí)，在壁面形成的凝結(jié)液膜阻礙蒸汽與壁面直接接觸，蒸汽只能在液 膜表面凝結(jié)，所放出的潛熱必須通過液膜才能傳到壁面，因此膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù) 要小于珠狀凝結(jié)時(shí)的傳熱系數(shù)。當(dāng)發(fā)生珠狀凝結(jié)時(shí)，大部分的蒸汽可以

43、與壁面直接接觸凝結(jié)，所釋放岀的汽化 潛熱直接傳給壁面，因此珠狀凝結(jié)換熱與相同條件下的膜狀凝結(jié)換熱相比，表面?zhèn)?熱系數(shù)要大幾倍甚至一個(gè)數(shù)量級(jí)國。雖然珠狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)明顯的大于膜狀凝結(jié)的傳熱系數(shù)，但是珠狀凝結(jié)很難 獲得，即使能夠暫時(shí)獲得也很難長(zhǎng)久的保持。在凝汽器中，蒸汽主要是膜狀凝結(jié)， 有時(shí)，這兩種類型的凝結(jié)可能同時(shí)存在。目就凝汽器的傳熱計(jì)算，均采用膜狀凝結(jié) 的計(jì)算公式。到目前為止，人們已經(jīng)對(duì)蒸汽凝結(jié)時(shí)的熱交換過程進(jìn)行了大量的研究工作，但 是還不是非常清楚。如果說，純蒸汽的凝結(jié)放熱已研究的很充分，但當(dāng)蒸汽中存在 著空氣時(shí)，就使這種換熱過程變得大為復(fù)雜，尤其是在空氣冷卻區(qū)更是如此，極大 地惡化了蒸

44、汽與冷卻水之間的熱量交換。(2) 管壁及污垢熱阻導(dǎo)熱通過管壁及污垢熱阻的導(dǎo)熱是從壁面高溫側(cè)到壁面低溫側(cè)的熱量傳熱，亦即穿 過固體壁及內(nèi).外壁面上污垢的導(dǎo)熱過程。管壁的導(dǎo)熱性能主要受管子的材料，管壁厚度，管壁內(nèi)、外表面積等因素影響。 污垢熱阻是凝汽器在使用一段時(shí)間后，在壁面上積有的腐蝕物、污物或其他雜質(zhì)。 污垢熱阻會(huì)增大凝汽器的總熱阻，降低傳熱系數(shù)。所以，在進(jìn)行換熱計(jì)算時(shí)，應(yīng)考 慮污垢熱阻。在確定污垢熱阻時(shí)，應(yīng)考慮物理和經(jīng)濟(jì)兩種因素。在物理上應(yīng)考慮的因素有：流體和沉積物的性質(zhì)；流體溫度；管壁溫度；管壁 材料和粗糙度；流體流速等。經(jīng)濟(jì)上應(yīng)考慮的因素有：凝汽器的生產(chǎn)成本；清洗周期和費(fèi)用；折舊費(fèi)和維護(hù)

45、 費(fèi)用等。對(duì)于管壁污垢，一般都會(huì)定期通過凝汽器的清洗來降低其熱阻值，且污垢熱阻 的計(jì)算也有比較詳實(shí)的數(shù)據(jù)參考。(3) 管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流放熱是冷卻水在循環(huán)水泵的驅(qū)動(dòng)下與管內(nèi)壁面進(jìn)行熱量傳遞的 過程。管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱方式在換熱設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱可分為層流、過渡流和湍流。當(dāng)kw2300時(shí)為層流， &=230010000時(shí)為過渡流，比10000時(shí)為湍流。在凝汽器中，水在管內(nèi)的流 速多半為1.52mls.經(jīng)計(jì)算，如果采用內(nèi)直徑為17mm的管子，冷卻水溫為of, 當(dāng)/?,=10000時(shí)的流速為1.05/s。因此，凝汽器內(nèi)冷卻水的流動(dòng)處于湍流區(qū)域。對(duì) 于對(duì)流換熱來說，

46、在流體速度不變的情況下，湍流的換熱效果要好于層流的換熱效 果。2.2不凝結(jié)氣體對(duì)凝汽器換熱性能的影響通過對(duì)傳熱過程及各換熱環(huán)節(jié)的描述，已經(jīng)獲知在凝汽器的各換熱環(huán)節(jié)上都不 同程度的存在著熱阻，影響著傳熱系數(shù)。在三個(gè)環(huán)節(jié)中，蒸汽含不凝結(jié)氣體在管外 凝結(jié)放熱，即凝汽器汽側(cè)蒸汽-空氣混合物的凝結(jié)換熱過程，對(duì)凝汽器整體換熱性 能影響很大。傳熱系數(shù)隨著不凝結(jié)氣體濃度的增加而降低，例如文獻(xiàn)3中提出水蒸蒸汽中質(zhì)量含量占1%的空氣能使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60%o2.2.1漏入真空系統(tǒng)的空氣量在實(shí)際運(yùn)行中，凝汽器中不可避免的存在一部分空氣，空氣主要以三種形式進(jìn) 入凝汽器：隨汽輪機(jī)排汽和外界疏水帶入；通過真空系統(tǒng)中的設(shè)

47、備和管道閥門 漏入；加熱器熱交換過程中把釋出的不凝結(jié)氣體導(dǎo)入的。鍋爐給水和補(bǔ)水的水質(zhì)都有嚴(yán)格要求，所以隨汽輪機(jī)排汽、補(bǔ)水和疏水而帶入 的空氣量是不多的，主要是從真空系統(tǒng)的不嚴(yán)密處漏入的。漏氣量除與真空系統(tǒng)中 的設(shè)備尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)外，也與設(shè)備安裝質(zhì)量有關(guān)，如凝汽器殼體數(shù)目、低壓缸排 汽口數(shù)目和尺寸、凝汽器的接口型式、法蘭和焊口的嚴(yán)密真空閥門的密封程度，以 及水封工作是否正常等。漏入空氣量還與運(yùn)行工況有關(guān)，如汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)，真空區(qū) 域會(huì)一直延伸到髙壓缸的調(diào)節(jié)級(jí)汽室、加熱器，以及部分蒸汽管道，致使漏氣量增 加。正確的估計(jì)凝汽裝置的漏氣量，對(duì)合理的選擇抽氣設(shè)備的容量至關(guān)重要。知道 凝汽器漏入的空氣量，就

48、可計(jì)算出凝汽器內(nèi)汽、氣混合物分壓與總壓，從而可對(duì)凝 汽器內(nèi)凝結(jié)換熱特性進(jìn)行正確的分析。2.2.2汽、氣混合物及其分壓力由于空氣漏入凝汽器，凝汽器中的絕對(duì)壓力就不能按照飽和壓力與溫度的關(guān)系 來和凝結(jié)蒸汽的溫度相對(duì)應(yīng)。當(dāng)有空氣存在時(shí)，凝汽器壓力乃是蒸汽和空氣的混合 物的壓力，混合物的溫度，只能決定混合物中蒸汽的分壓力；當(dāng)混合物壓力為一定 值時(shí)，混合物中蒸汽的分壓力在數(shù)值上與混合物中蒸汽量和空氣量的比值有關(guān)。凝 汽器工作時(shí)，蒸汽不斷被凝結(jié)，不凝結(jié)氣體不斷被濃縮，最后從空氣冷卻區(qū)出口抽 出汽、氣混合物。蒸汽從凝汽器入口進(jìn)入管束，向空氣冷卻區(qū)的出口流去，此間由 于蒸汽不斷的被凝結(jié)，蒸汽量與空氣量的比值隨

49、之不斷的改變，蒸汽的分壓力也因 之改變。如圖24所示，從入口到抽氣口，由于沿程存在阻力，凝汽器總壓力從最初的坊 下降到抽氣口最終壓力耳，整個(gè)汽阻曲=pk_p；°沿程流動(dòng)過程中，由于蒸汽凝 結(jié)，蒸汽的分壓力丹逐漸降低；由于空氣濃縮，空氣的分壓力巳逐漸增加，特別在 空氣抽出口處，蒸汽的分壓力降到最低，而空氣的分壓力增加到最大值，并超過了 蒸汽的分壓力i®。0-0凝汽器進(jìn)口截面；1-1空氣冷卻區(qū)進(jìn)口截面：2-2空氣冷卻區(qū)出口截面 圖2-4汽、氣混合物壓力和分壓力沿程變化2. 2. 3蒸汽中空氣含量對(duì)放熱的影響從換熱機(jī)理上來說，當(dāng)蒸汽含有不凝結(jié)氣體時(shí)，冷凝表面不僅存在液膜邊界層,

50、液膜外還存在一個(gè)不凝氣體積聚的氣態(tài)傳質(zhì)邊界層，如圖25所示。傳質(zhì)邊界層增大 了凝結(jié)換熱的熱阻，導(dǎo)致?lián)Q熱器總體換熱系數(shù)顯著降低。不凝結(jié)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越 大，雙邊界層氣液界面上飽和蒸汽分壓力越低，相對(duì)應(yīng)的蒸汽溫度也越低，即傳質(zhì) 邊界層的熱阻越大呵。因此總體換熱系數(shù)隨不凝結(jié)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。圖2-5混合蒸氣在水平圓管上的凝結(jié)在靠近液膜表面的蒸汽側(cè)，隨著蒸汽的凝結(jié)，蒸汽分壓力減小而不凝結(jié)氣體的 分壓力增大。蒸汽在抵達(dá)液膜表面進(jìn)行凝結(jié)前，必須以擴(kuò)散方式穿過聚枳在界面附 近的不凝結(jié)氣體層。因此，不凝結(jié)氣體層的存在增加了傳遞過程的阻力。同時(shí)蒸汽 分壓力的下降，使相應(yīng)的飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力

51、&,也使凝結(jié)過程削 弱叫就凝汽器來說，可以通過前面描述的換熱機(jī)理得岀：在壁面處，由于蒸汽凝結(jié) 的結(jié)果，靠近壁面處蒸汽的分壓力將減少，并且逾近壁面處減小的愈多。根據(jù)道爾 頓定律，壁面各處混合物的總壓力是不變的，則逾靠近壁面處空氣分壓力愈大。所 以靠近壁面處空氣的濃度比較大，形成一層空氣膜，遠(yuǎn)離壁面處的蒸汽必須穿過這 一空氣膜才能達(dá)到液膜表面處凝結(jié)，導(dǎo)致飽和r氐于蒸汽壓力為刃時(shí)所對(duì)應(yīng)的飽和 溫度，這相當(dāng)于增加了熱阻，使傳熱系數(shù)下降。凝汽器的入口處，空氣在總氣流中所占的份額很少，一般不超過0.01%,隨著 蒸汽向抽氣口方向的流動(dòng)，蒸汽逐漸凝結(jié)，則空氣所占的份額逐漸增加，在凝汽器 的抽氣口處，

52、空氣含量迅速增加，可達(dá)50%60%左右，這時(shí)空氣對(duì)于放熱會(huì)發(fā)生 很大的影響117484910由于凝汽器體積龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研究汽側(cè)蒸汽空氣混合物的具體凝結(jié)放 熱過程是非常復(fù)雜的。不凝結(jié)氣體的濃度與傳熱系數(shù)的關(guān)系不應(yīng)該是一個(gè)單值函數(shù) 關(guān)系，例如蒸汽流速，管束布置等因素會(huì)對(duì)空氣的聚積有所影響，這樣就間接的導(dǎo) 致了空氣濃度與傳熱系數(shù)關(guān)系的不確定。國內(nèi)學(xué)者在分析漏空氣對(duì)凝汽器蒸汽凝結(jié) 放熱系數(shù)影響和凝汽器汽側(cè)空氣量聚積損失的基礎(chǔ)上，提出了一些凝汽器傳熱系數(shù) 的計(jì)算方法級(jí)糾，為進(jìn)一步研究漏空氣對(duì)凝汽器傳熱性能的彩響奠定了一定基礎(chǔ)。 但截至目前為止，關(guān)于漏空氣對(duì)凝汽器凝結(jié)換熱的影響尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，也

53、沒有 一套確定漏空氣量及殼側(cè)臟污等因素對(duì)凝汽器傳熱性能影響的有效方法【2習(xí)。第三章?lián)Q熱器模型的建立及方程離散3.1概述本程序釆用以(“、v、p)為基本變量的原始變量法來求解凝汽器殼側(cè)汽/氣 相流動(dòng)與換熱的控制方程組，即求解壓力耦合方程的半隱方法，在文獻(xiàn)中稱為 simple算法。這種算法在不可壓縮流體的ns方程數(shù)值求解中應(yīng)用非常廣泛，并 且也已經(jīng)成功地應(yīng)用于可壓縮流體流場(chǎng)的計(jì)算中。本章只介紹以凝汽器作為算例的管殼式換熱器凝結(jié)換熱計(jì)算模型，包括物理模 型的簡(jiǎn)化、控制方程組.輔助關(guān)系式、邊界條件及控制方程組的離散和數(shù)值計(jì)算方 法。程序結(jié)構(gòu)及功能說明將在第四章進(jìn)行介紹。該計(jì)算模型及其離散方程是基于數(shù)

54、值傳熱學(xué)的思想及方法建立起來的，在文獻(xiàn)2中已經(jīng)對(duì)多種計(jì)算格式進(jìn)行了詳細(xì)的 介紹，因此，在介紹計(jì)算模型的過程中，將直接引用數(shù)值傳熱學(xué)的計(jì)算格式，對(duì)于 計(jì)算格式本身將不再進(jìn)行討論，3.2物理模型的簡(jiǎn)化在上一章的內(nèi)容里主要討論了管殼式換熱器的傳熱過程及凝結(jié)相變換熱過程， 其中以凝汽器作為研究對(duì)象，介紹了管殼式換熱器內(nèi)發(fā)生凝結(jié)相變時(shí)流動(dòng)與傳熱的 過程，但是在工程實(shí)際中凝汽器的殼側(cè)蒸汽流動(dòng)是發(fā)生在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的冷卻管束間的 多維、多組分的兩相流動(dòng)，并且在流動(dòng)過程中還發(fā)生凝結(jié)相變。凝汽器殼側(cè)蒸汽流 動(dòng)和凝結(jié)傳熱的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：(1) 由于現(xiàn)代大型凝汽器管束布置的復(fù)雜性及不規(guī)則性，使得凝汽器殼側(cè)

55、的蒸汽 流動(dòng)現(xiàn)象呈現(xiàn)復(fù)雜的多維特性；(2) 由于泄漏等原因，實(shí)際上進(jìn)入凝汽器殼側(cè)的蒸汽中含有少量的不凝結(jié)氣體， 凝汽器中的流體為多組分工質(zhì)，隨著蒸汽的凝結(jié)，不凝結(jié)氣體濃度不斷增大，并對(duì) 凝結(jié)換熱過程產(chǎn)生重要影響；(3) 由于凝汽器中凝結(jié)過程主要發(fā)生在冷卻管束區(qū)，而冷卻管束間的流動(dòng)和傳熱 過程本身的復(fù)雜性，給準(zhǔn)確地計(jì)算蒸汽在該區(qū)域的流動(dòng)和凝結(jié)換熱過程帶來了極大 的困難；(4) 凝汽器殼側(cè)同時(shí)存在汽相蒸汽空氣混合物和液相凝結(jié)水，凝結(jié)水以水膜和 水滴等多種形式存在，并與蒸汽相互作用，表明了凝汽器殼側(cè)的流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的 汽/氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)于如此復(fù)朵的物理現(xiàn)象建立完全數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行求解是不可能的，

56、為了建立 適合于凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)特性的物理模型，對(duì)凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)與傳熱過程作 以下幾個(gè)方面的合理簡(jiǎn)化23：(1) 由于凝汽器管板將凝汽器沿冷卻管軸向分成多個(gè)汽室，如果忽略凝汽器管板 的壁面效應(yīng)，則各個(gè)汽室中的流動(dòng)可以近似認(rèn)為是蒸汽橫掠管束的二維定常流動(dòng)；(2) 由于蒸汽在管束區(qū)流動(dòng)的復(fù)雜性以及冷卻管數(shù)量的巨大，求解流場(chǎng)中的各個(gè) 冷卻管周圍區(qū)域的流動(dòng)細(xì)節(jié)是不現(xiàn)實(shí)的。由美國d.b.spalding和s.v.patankar在七 十年代提出的多孔介質(zhì)模型24的基本思想為解決這一困難提供了途徑，即將管束 區(qū)的蒸汽流動(dòng)模擬成在具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的多介質(zhì)孔中的流動(dòng)。分布阻力 和分布質(zhì)量匯的數(shù)值可以采用由水平管束的對(duì)流凝結(jié)換熱試驗(yàn)得出的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系 式來確定；(3) 凝汽器殼側(cè)不凝結(jié)氣體的來源較多，并且難以準(zhǔn)確地確定泄漏的位置和數(shù) 量，為方便起見，我們假定不凝結(jié)氣體均由汽輪機(jī)排汽帶入，沿蒸汽空氣混合物的 流動(dòng)路程，空氣絕對(duì)含量不變，但空氣的相對(duì)含量隨著蒸汽的不斷凝結(jié)而增大；(4) 在考慮凝汽器殼側(cè)液相和汽.氣相之間的相互作用時(shí)，認(rèn)為液相的作