立式螺旋折流板冷凝器的流动和传热性能

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1、立式螺旋折流板冷凝器的流动和传热性能摘要电厂的给水加热器是冷凝器用从涡轮机抽取的蒸汽来加热水。立式给水加热器占地面积小于卧式给水加热器,方便升降管安装和维护。然而,由于冷凝传热系数较低限制了它的应用。人们提出了一种新型三级螺旋式立式冷凝器（给水加热器），它可以加快冷凝水排出。它有流量特性和冷凝传热特性，是具有单螺旋和双螺旋的可变三角螺旋形双绞线电容器，可以使用Fluent软件的混合模型数值研究跨越节段障碍物，通过分析冷凝水的速度、压力、体积分数以及这些热交换器中的传热系数得出结论。模拟结果表明，具有液坝和排水间隙的倾斜挡板可以在管束表面进行有效冷凝，

2、也能防止把液膜夹带进入蒸汽，并且具有双螺旋的可变角度的螺旋挡板立式冷凝器可以大大提高冷凝传热系数，比可变跨越节流挡板高出35.7％。1、简介发电厂的给水加热器实际上是从涡轮机抽出的蒸汽在其外壳侧冷凝以冷却管侧加热管里的给水。立式给水加热器的占地面积小于卧式加热器，大型蒸汽轮机车间可提供起重设备以及立式升降管束的高度。然而，在节段挡板立式管壳式换热器中聚集在立式管表面上的冷凝物的膜厚度较厚，因此传热系数低于水平传热系数，这限制了立式给水热水器的应用。然而，卧式给水加热器具有更高的传热系数，但占地面积更大，并且还需要将管束拖出与热交换器保持一定的距离。为

3、了解决这个困境，推广采用增强冷凝传热技术的立式给水加热器可能是一个聪明的决定，因为结构简单、占地面积小、维护时间缩短的特点，对发电行业以及石油和化工行业有很大的前景。蒸汽冷凝发生在给水加热器的外壳侧，因此改善立式给水加热器的壳侧传热系数的关键是减少立式管外侧的膜厚。许多专家提出了用于增强立式管冷凝的不同传热结构。格雷戈里格[1]提出了一种通过沿纵向开槽管施加一系列排水板来增强立式管上层流冷凝传热的方法。托马斯[2]通过立式导线研究了立式管上的薄膜冷凝热传递。安[3]研究了具有交错管束的螺旋槽管中的冷凝传热系数的增强。哈兹和阿德里安[4]和朱[5]分别

4、理论研究了针管和立式管的冷凝现象。这些增强技术中的大多数是利用表面张力效应来驱动冷凝物流入槽谷，然后减小突出表面上的膜厚度。除了在立式表面上，还有一些不同的增强方法。张和叶[6]研究了水平椭圆管中的冷凝热传递增强，卡瓦利尼等[7]和希哈姆[8]分别研究了小通道和水平非圆形微通道中的冷凝热传递增强，陈[9]使用流体模型数值研究制冷剂FC-72在具有1mm液压直径的矩形微通道中的冷凝，卡鲁索[10]实验研究了具有不凝气体的倾斜管中的膜冷凝，彭等人[11]提出了在湿气进入下一个通道之前冷凝串联短通道和排出冷凝水的想法，这在冷凝过程中利用最初的薄膜部分具有较

5、高的传热系数，卡文格等人[12]研究了从不同高度排出冷凝水的分离冷凝器。类似于格雷戈里格[1]的想法，卡文格[12]和彭[11]陈[13]提出了一种立式三点螺旋形冷凝器（VTHBC）方案。VTHBC是一个改装的具有圆周重叠三段螺旋形的热交换器[14,15]。斜板不仅支撑管束，而且将管分成短段，并连续地从管表面刮去冷凝物。此外，每个扇形板的下游直边也被加宽并弯曲以形成液体坝，防止将积聚的冷凝物吹入蒸气流。排出间隙设置在每个扇形板的弯曲边缘，将壳体内表面的冷凝水排出到底部，从而提高立式供热水器的冷凝传热系数。数值模拟已经成为了解热交换器设计的传热性能的有

6、效工具。近年来，CFD建模已经逐步应用于两相流程案例[16-20]。本文采用CFD数值模拟方法研究了具有三段螺旋形波段挡板和分段式立式给水热水器的流量特性挡板。2、冷凝模型2.1、几何方法和网络方法如图1所示，有三个立式冷凝器计算和比较的方案，每个冷凝器由16根管的管束和3个具有等边三角形布局的棒组成，圆柱形壳体具有用于蒸汽/冷凝水和冷却水的入口和出口。在冷凝期间蒸汽的体积流量有减小的趋势，两个螺旋挡板方案都具有三个截面，挡板倾斜角为35°，25°和15°，并且挡板方案也有三段不同跨越挡板，形成截面积减小的趋势。每个螺旋挡板方案在第一和第二部分倾斜角

7、度分别为35°和25°，而其中15°倾斜角度的第三部分挡板保持单线。这些方案的详细图表和结构参数是如图1和2所示。Gambit软件用于建立立式三维螺旋冷凝器和节段式冷凝器的三维模型。考虑到几何的复杂性，在网格划分中采用非结构化网格。图3是壳侧的VTHBC的网格图。网管在管的边界层进行。考虑到电网数量的独立性和计算时间消耗，VTHBC和VSBC方案的电网数量约为250万。图12.2、控制方程考虑到蒸汽和液相的速度差异，在模拟中选择Fluent的混合模型用于两相流模型，其假定控制体积中的存在局部平衡。通过解决连续性方程，动量方程和混合相的能量方程，可以获

8、得相对速度，液相体积分数和热传递系数。动量和能量的守恒方程如下[14,15]（1）（2）（3）下标m代表混合