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水冷器传热与阻力特性的影响

发布时间：

2015-06-24 00:00

来源：

摘自中国制冷设备网

　　为了研究折流栅对汽轮发电机定子水冷器传热与阻力特性的影响，对折流栅水冷器壳侧进行了流路分析，并以折流栅及螺旋槽管为强化换热元件对水冷器传热和阻力性能进行了模化试验研究。折流栅作为管束的支撑结构不仅可以减轻流体诱导振动，而且可提高换热系数，降低压降。随着折流栅间距减小，水冷器传热性能提高，但阻力也相应增大。因此，应合理选择折流栅间距，以实现水冷器结构和性能的优化，更好地满足汽轮发电机的实际运行工况。

　　汽轮发电机；定子水冷器；折流栅；强化传热；阻力目前，汽轮发电机组定子水冷器多采用管壳式换热器。常规管壳式换热器通过在壳程设置折流板使流体横向冲刷管束，增大流体扰动，以提高换热性能，但流体流动时存在流动死区，死区内局部换热系数很低，因此受热面利用率不高。流体在冲刷过程中产生了较大的压降，能产生流体诱导振动，对换热器造成一定的破坏[1].为了改善折流板换热器中流体的诱导振动，1970年由美国菲利普石油公司研制了折流栅换热器，即壳程由折流杆组成的折流栅替代折流板。折流杆的直径等于或略小于相邻两管间距。折流杆可以是圆形、方形或长方形，均匀地焊在折流圈上。折流栅以一定的间距和排布方式（正方形排列时相邻折流栅互成90b，三角形排列时互成60b）布置在换热器壳体内。

　　这种支撑结构使得每根换热管在四个方向上都受到支撑，以限制换热管的移动。折流栅不仅支撑管子，而且使壳程流体呈纵向流动，从而消除了管束的流体诱导振动及流动死区，强化了传热，壳程阻力也明显降低。

　　由于折流栅水冷器中流体流动及传热特性极为复杂，与强化管和折流栅等诸多结构因素密切相关。为了解确定折流栅在定子水冷器强化传热中的作用，对折流栅水冷器的流体流动和传热机理进行了理论分析，并就折流栅间距对水冷器管壳程换热与阻力特性的影响进行了试验研究。

　　1折流栅强化传热机理在折流栅水冷器中，一般将壳程流分为4个流程.该流路的流体由管束与折流杆之间的间隙流过，平行于管束，是热传递的有效流路。流体流过折流杆产生扰动，同时由于相邻折流栅呈一定角度布置，流体在轴向流动的同时伴随有一定程度的旋转流动，从而强化壳程流体的对流换热。这股流体为主流，由于有效地与管子接触，其换热效果最好，但同时也会产生较大的阻力损失。因此，应在允许压降范围内尽量增加B流路的比例。因管束装配的需要，折流圈与壳体内壁之间留有一定间隙。流过该间隙的流体没有与换热管束进行热交换，称为旁路流。

　　它仅对壳程流体起到一定的扰流作用。流路F：分程隔板与管子之间的漏流。流路C：从壳体和管束之间的环状间隙流过的管束流。流路F和流路C只有部分与管子接触，且易诱导管子振动。

　　流体在管束的间隙流动时受到周围管子的约束，使得流动边界层呈对称性发展，在折流杆后出现尾流。当流量增大时，边界层变成湍流边界层，分离基础研究点提前，管束后面产生大量的旋涡，旋涡运动增强流体径向混合，使速度沿径向分布趋于均匀化，有利于传热。

　　折流栅水冷器壳侧的强化传热主要是通过折流栅使壳程流体获得良好的扰动来实现的，同时由于基本消除了传热死区，使换热面积得到充分利用。流体流过折流杆时产生的旋涡脱落和流过折流圈时的文丘里效应增大了流体的湍动程度，使热边界层减薄，从而强化换热，但同时也引起流动阻力的增加，此外，相隔一定间距并旋转一定角度布置的折流栅，使得壳程流体在轴向流动的同时伴随有一定程度的旋转流动。在离心力的作用下，流体旋转而产生的二次流使壳程流体的径向混合大大增强，使边界层不断破坏和重新生成，从而强化壳侧流体的对流换热。

　　2模化试验系统2.1试验系统由管程冷却水回路和壳程热水回路组成。考虑到物性参数对换热系数的影响，在试验中模拟了实际运行中流体的定性温度取管程同时，试验中管、壳程流速范围覆盖了定子水冷器实际运行的水流速范围取管程水流速（0.722.3）m/s，管、壳程水流量由精度为0.2级的LWGY_40B/FI型涡轮流量计测量。由于管程冷却水温升和壳程热水温降均很小（约1e8e），为了保证测量精度，直接采用经标定的铜康铜热电堆（标定误差为0.21%）测量温升和温降，而管、壳程进口水温采用精度为A级的Pt100铂电阻测量。同时，在适当位置设置测压点，安装精度为0.5级的1151DP型差压变送器测量管、壳程阻力。热电堆电势信号采用PCL_818HG1）电加热水箱2）水泵3）过滤器4）流量计5）水冷器实验段型A/D数据采集卡采集，铂电阻、差压变送器和涡轮流量计等信号采用PCL_813HG型A/D数据采集卡采集。所有采集信号同时输入ADVANTECH610型工业计算机，由数据采集程序实时采集并记录。

　　2.2试验元件为研究折流栅间距对汽轮发电机定子水冷器传热与阻力性能的影响，对不同折流栅间距的3个水冷器试件进行了模化试验研究。

　　3试验结果分析3.1在相同流动状态下，水冷器传热系数随折流栅间距的减小而增大，这主要是因为：流体流过基础研究折流栅时产生旋涡，旋涡的强度与流速有关，且沿着流体流动的方向逐渐减弱，但当流体流径后面的折流栅时又将产生新的旋涡。折流栅间距越小，对壳程流体的扰动越频繁，壳程换热强化效果越好，但同时引起流动阻力的增加。因而，应综合考虑换热和阻力对折流栅间距进行优化。

　　随着壳程雷诺数Re的增大，水冷器的传热系数都逐渐增大，即水冷器的冷却性能随之提高，原因在于：当雷诺数Re增大时，近管壁处流体的扰动增强，从而加强了对传热边界层的破坏，传热系数也就随之增大。

　　3.2阻力特性分析不同折流栅间距的水冷器的阻力特性与壳程雷诺的关系。从的增大，由于流体流动阻力的增幅小于其惯性力的增幅，欧拉数逐渐减小。随着折流栅间距的减小，对壳程流体的扰动更加频繁，在强化传热的同时也增大了流阻。

　　此外，水冷器综合性能随壳程Re的增大而下降，即：随着壳程流速的提高，其传热系数增加的幅度小于阻力增加的幅度。当壳程Re达到一定值时，综合性能趋于稳定，即传热系数与阻力以相同幅度增加。

　　4结论（1）壳程流动机理表明，折流栅作为管束支撑结构不仅可减轻流体诱导振动，而且可提高换热能力，减小阻力。折流栅间距是影响折流栅水冷器传热性能的重要因素。

　　（2）就水冷器的运行工况而言，提高水冷器壳程流速，减小折流栅间距，均可提高水冷器的传热性能，但同时也增大了阻力。因此，应合理选择壳程流速和折流栅间距，使水冷器的综合性能最优。

　　（3）对于本文研究的定子水冷器，折流栅间距为150mm时其综合性能最佳。

　　（4）本文得到的水冷器传热及阻力特性的变化规律为汽轮发电机定子水冷器的优化设计提供了依据，并已应用于660MW汽轮发电机定子水冷器的设计。

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