汽輪機乏汽在水平光管冷凝過程中的傳遞研究

馬光耀 趙玉柱 邴漢昆 陳 帥

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

馬光耀 趙玉柱 邴漢昆 陳 帥

（華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030）

以汽輪機的乏汽在凝汽器內水平光管上的凝結為研究對象，依據nusselt膜狀凝結理論，對乏汽在凝汽器水平光管上凝結過程中不同的傳熱溫差、不同乏汽壓力及沿管徑壁面方向的傳遞系數進行研究。壓力為5kPa時，當傳熱溫差在1～6K范圍內逐漸增大，傳遞系數隨著溫差的增大由13 443.13W/（m·K）減小至4 122.66W/（m·K），減小速率呈遞減趨勢。乏汽壓力在5～30kPa之間逐漸增大時，的傳遞系數由5 070.87W/（m·K）逐漸減小至4 822.62W/（m·K）。減小換熱溫差可增大的傳遞系數，強化的傳遞。

膜狀凝結；強化傳熱；傳遞系數

汽輪機乏汽主要通過凝汽器進行冷凝回收，乏汽在水平光管表面的凝結換熱是熱力系統得以進行循環的基礎。目前，蒸汽在水平光管表面的膜狀凝結主要集中于管束膜狀凝結換熱研究［1］，包括通過管束內部組合轉子強化傳熱［2］及螺旋槽管的強化傳熱［3］等針對管內外強化換熱的研究及分析，對于換熱量及強化換熱［4］的分析，對乏汽在水平光管上凝結過程中的傳遞情況有所研究。有科研工作者針對膜狀凝結換熱的影響因素展開研究，如表面張力［5］、界面剪切力對蒸汽垂直下流膜狀凝結傳熱的影響［6］，不凝結氣體對水平單管外膜狀凝結換熱的影響［7］等。由于乏汽在水平光管上的膜狀凝結問題較為復雜，同時受到試驗條件及試驗誤差的限制，對于傳遞過程中的傳遞速率情況研究相對較少。因此，本文對乏汽的膜狀凝結過程中的傳遞速率情況進行理論推導及數值計算分析。

蒸汽的膜狀凝結分析理論在豎壁及光管的凝結研究已比較成熟，本文在膜狀凝結換熱基礎上，對于凝汽器內水平光管膜狀凝結過程中對傳遞理論進行分析。同時，結合機組運行過程中不同乏汽壓力及冷凝溫差下的傳遞系數進行分析，有助于強化傳遞并深入研究傳遞的過程。

1 建模及分析

本文以汽輪機乏汽至凝汽器冷凝系統為研究對象，結合努賽爾壁面凝結理論及傳遞理論對汽輪機乏汽在凝汽器內水平光管上的膜狀凝結進行建模分析。在對乏汽在凝汽器內水平光管上的凝結情況進行建模前，根據nusselt對豎壁面膜狀凝結理論［8］，假設dx微元質量增量為：

液膜凝結過程中液膜厚度為：

由于上述假設的普遍性，將上述假設用于汽輪機排汽（乏汽）在水平光管的膜狀凝結研究。

汽輪機乏汽在凝汽器光管凝結過程比較復雜，將汽機乏汽在凝汽器光管表面的凝結過程簡化為從乏汽凝結為飽和水的過程與液膜表面至管壁表面的導熱過程，因而，可將乏汽凝結過程中的傳遞過程分為乏汽在水平光管壁面液面凝結時的傳遞和從液膜表面至管壁表面的傳遞兩部分，即：

式（3）中，dEx為乏汽，J；dE1為凝結過程的變化量，J；dE2為導熱過程的變化量，J。

微元dx中 值變化為：

根據克拉貝龍方程知：

由此可將式（5）化為：

對式（9）溫度T進行積分，聯立式（8）和式（10），將式（2）求導后帶入，得到水平光管膜狀凝結局部傳遞系數為：

2 計算實例及分析

根據電廠運行數據對乏汽及凝結水的物性進行選取，主要參數見表1。

表1 計算參數表

圖1 乏汽壓力為5kPa時過冷度與傳遞系數及液膜厚度

不同汽輪機乏汽壓力下（即不同的氣化潛熱下），乏汽在光管表面凝結時，液膜厚度和傳遞系數隨過乏汽壓力的變化趨勢如圖2所示。液膜厚度隨乏汽壓力的增加而增加，但增加速率呈減小趨勢，當乏汽壓力從5kPa增大到30kPa時，液膜厚度從0.004 35cm增大到0.004 40cm，變化比例為1.14%。傳遞系數隨著過冷度的增加由5 070.87W（/m·K）減小至4 822.62W（/m·K），變化比例為4.90%。原因是由于隨著乏汽壓力的增大，乏汽的汽化潛熱逐漸減小，的傳遞系數逐漸減小，液膜的厚度則也隨著乏汽壓力的增大逐漸變大，這是由于乏汽的凝結速率逐漸降低所致。

圖2 不同乏汽壓力下時傳遞系數及液膜厚度

3 結論

本文對乏汽在凝汽器內光滑管上的膜狀凝結進行分析研究，得到如下結論：①汽輪機乏汽在凝汽器內冷凝時，提高換熱溫差可起到強化傳熱的作用，但傳遞系數會隨著傳熱溫差的增大而減小，因此減小換熱溫差可提高效率；②在汽機乏汽的凝結過程中，傳熱溫差對的傳遞效率影響較大，機組乏汽壓力對傳遞系數的影響最小。

［1］馬志先.水平管束外膜狀凝結換熱試驗與理論研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

［2］何長江，楊斯博，張震.組合轉子強化傳熱及阻垢裝置穩定性分析［J］.化工進展，2014（8）：1970-1973.

［3］吳慧英，帥志明，周強泰.凝結換熱器采用螺旋槽管的強化傳熱研究［J］.化工學報，1997（5）：626-630.

［4］王松平，羅偉平，陳清林.換熱強化及其優化設計的新途徑［J］.華北電力大學學報，2004（6）：20-23.

［5］彭寶宏.表面張力對凝結換熱的影響研究［D］.天津：河北工業大學，2007.

［6］張俊霞，王立，李運剛.界面剪切力對蒸汽垂直下流膜狀凝結傳熱的影響分析［J］.化工學報，2011（10）：2732-2739.

［7］唐桂華，莊正寧，王建偉，等.不凝結氣體存在時水平單管外膜狀凝結換熱的數值研究［J］.西安交通大學學報，2000（11）：31-35.

［8］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006：303-306.

Exergy Transfer Study in the Process of Horizontal Tube Condensation of Steam Turbine Exhaust Steam

Ma Guangyao Zhao Yuzhu Bing Hankun Chen Shuai
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou Zhejiang 310030）

Taking the steam turbine exhaust steam(steam exhaust)condensed in the condenser horizontal plain tube as the object of study,on the basis of nusselt filmwise condensation theory different heat transfer temperature,differ?ent steam exhaust pressure and different lengths along the tube surface were studied about the exergy transfer coeffi?cient in the process of exhaust steam condense on horizontal tube.When the pressure was 5kPa,the heat transfer tem?perature changed from 1 K to 6 K,exergy transfer coefficient reduced with the increase of temperature from 13 443.13 W/(m·K)to 4 122.66 W/(m·K),the reduce presented the degressive trend.When the exhaust pressure was in?creased from 5 kPa to 30 kPa,exergy transfer coefficient changed from 5 070.87 W/(m·K)to 4 822.62 W/(m·K).De?creasing the heat transfer temperature differences could increase exergy transfer coefficient,and it’s advantageous to the exergy transfer.

film condensation；heat transfer；transfer coefficients

TQ051.3

A

1003-5168(2016)09-0087-03

2016-08-22

馬光耀（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：電站設備節能診斷。