CN111723090B - 一种竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法，包括以下步骤：1)获取若干竖直上升光管内超临界水壁温的实验数据；2)确定超临界水壁温查询表的网格点；3)收集超临界水传热关联式；4)确定超临界水壁温查询表的网格点附近的传热实验数据；5)确定超临界水壁温查询表网格点处的最优超临界传热关联式；6)利用步骤5)得到的超临界水壁温查询表网格点处的最优超临界传热关联式进行迭代计算，得超临界水壁温查询表各网格点的超临界水壁温，然后建立竖直上升光管内超临界水壁温查询表，该方法建立的超临界水壁温查询表的参数范围较广，可以预测不同工况下的管壁温，同时精度较高。

Description

一种竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法

技术领域

本发明属于超临界水传热领域，涉及一种竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法。

背景技术

随着世界经济的发展，人类对电力的需求和消耗与日俱增。但我国多煤、贫油、少气的资源现状决定了我国能源供应中仍然以燃煤发电为主。而化石燃料的燃烧不可避免地带来的环境污染问题。因此如何降低污染物排放，提高化石能源的利用效率成为研究重点。而超(超)临界机组具有效率高、良好的负荷适应性和显著洁净环保等特点，是燃煤发电的必然趋势。而在宽广参数范围内准确掌握超临界水传热特性和规律对机组的安全运行和系统关键部位的设计和优化具有重大意义。迄今为止，许多学者对超临界水传热特性展开了大量的实验研究并建立了众多传热关联式。由于不同的实验工况参数对超临界水传热特性的影响不同，而在其实验数据上建立的传热关联式形式也就不同。最终的结果是关联式结构复杂，预测结果差别很大。有学者对现有的关联式进行了详尽的综述和评价，发现没有任何一个传热关联式能在任一实验工况下取得精确预测效果。

第一张竖直上升圆管超临界水传热查询表建立于2008年,该查询表是由压力P(MPa)、质量流速G(kg·m^-2·s^-1)、壁面热流q_w(kW·m^-2)、流体焓值H_b(kJ·kg^-1)、直径D(m)组成的查询表的基本骨架，采用五维线性插值方式进行壁温T_w(℃)的查询。与传统关系式对比，传热查询表可靠性更高，误差更小。但该查询表的参数范围小，需扩展其参数范围；且该查询表为保证查询结果的精度，剔除了传热恶化的实验数据，所以限制了应用范围。2012年有学者通过引入响应面方法建立查询表来预测超临界水传热特性。响应面方法的优势在于通过较少的实验数据在局部范围内得到比较精确的函数关系，但是在应用响应面方法进行分析时，需要确定存在最大响应值的区域，否则可能无法得到响应值。增加数据点数目无法有效地提高响应面方法的近似精度，这是极不合理的。同年，也有学者采用最佳关联式的方法构建壁温查询表，在选择实验工况点时剔除了数据库中可能发生传热恶化的数据；且在选择最优关联式时，备选的超临界水传热关联式仅有11个，因此有必要对关联式的个数进行扩充。除此之外，查询表方法已被成功应用于竖直上升圆管内临界热流密度、沸腾换热系数预测等方面。查询表具有预测精度高、应用范围广、使用方便、计算时间少以及便于更新等优点，正在得到日益广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法，该方法建立的超临界水壁温查询表的参数范围较广，可以预测不同工况下的管壁温，同时具有较高的精度。

为达到上述目的，本发明所述的竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法包括以下步骤：

1)对超临界压力水在垂直上升光管内的传热实验研究进行调研，获取若干竖直上升光管内超临界水壁温的实验数据；

2)确定超临界水壁温查询表的网格点；

3)收集超临界水传热关联式；

4)确定超临界水壁温查询表的网格点附近的传热实验数据；

5)确定超临界水壁温查询表网格点处的最优超临界传热关联式；

6)利用步骤5)得到的超临界水壁温查询表网格点处的最优超临界传热关联式进行迭代计算，得超临界水壁温查询表各网格点的超临界水壁温，然后利用得到的超临界水壁温查询表各网格点的超临界水壁温建立竖直上升光管内超临界水壁温查询表。

超临界水传热查询表采用式(1)所述的四维函数形式：

t_w＝f(P,G,q_w,H_b) (1)

其中，P、G、q_w及H_b分别为竖直上升光滑圆管内超临界水的压力、质量流速、热流密度及主流焓值。

适用范围：P＝22.5～32MPa，G＝200～2150kg·m^-2·s^-1，q_w＝148～1818kW·m^-2，H_b＝380～3171kJ·kg^-1，D＝3～38mm。

收集的超临界水传热关联式分为三类，其中，第一类为基于D-B公式的传热关联式，以粘度、密度、热导率及比热容作为修正项；第二类为基于Petukhov公式的传热关联式，考虑管道入口效应、浮升力效应和热加速效应的影响；第三类为基于壁面温度t_w、主流区温度t_b与拟临界温度t_pc之间的关系进行分段函数修正。

采用最优超临界水传热关联式进行插值计算得到网格点处壁温值，其中，各插值的实验数据与网格点的距离不同，对其计算壁温值时的贡献不同，因此采用相对距离法对各插值的实验数据点赋予不同的权重，其中，第k个实验数据点的权重k_i为：

其中，n为每个网格点计算时所用的数据点个数，r_i为距离网格点第i个实验数据点对应的半径，选取压力、质量流速、热流密度及焓值作为半径计算依据，r_i的表达式为

对于某一网格点附近的n个实验数据点，以各实验壁温值作为标准壁温t_wExp(i)，根据收集到的各超临界水传热关联式计算一组t_wCor(i,j)，最后计算该网格点区域所有n个实验点的比值x_(i,j)，x_(i,j)为：

得各超临界水传热关联式在该网格点区域内比值的均值x_mean(j)，x_mean(j)为：

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法在具体操作时，先对超临界压力水在垂直上升光管内的传热实验研究进行调研，获取若干竖直上升光管内超临界水壁温的实验数据，以提高查询的参数范围，再采用最优超临界水传热关联式的迭代方法计算网格点的壁温，相比于传统直接对实验数据点的线性插值或多项式插值等方法建立壁温查询表，最优超临界水传热关联式以一定的理论分析为基础，能够更好地反应各参数对壁温的影响情况，精度较高，为圆管内的超临界压力水的传热特性预测提供一种新的思路，也为其它相似的物理问题提供借鉴意义，诸如其它工质(如二氧化碳)或者其它特性(如阻力特性)等提供解决办法。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法包括超临界水换热实验数据的选取、查询表网格点的确定、超临界水传热关联式的收集、网格点附近实验数据的确定、网格点处最优超临界水传热关联式的确定、最优传热关联式的壁温迭代及网格点壁温结果的汇总，另外，为拓展该竖直上升光管内超临界水壁温查询表的适用范围，建立管径修正关联式，具体包括以下步骤：

1)超临界水换热实验数据的选取

本发明对公开文献中超临界压力水在竖直上升光管内的传热实验研究进行调研，并对实验数据进行筛选，确保在实验参数测量范围内，实验结果的趋势与现有成熟理论相符合，同时剔除重复数据或明显的坏点。

基于上述数据筛选准则，本发明得13213个竖直上升光滑圆管内超临界水传热实验数据点，参数范围为：压力P为22.5-32MPa，质量流速G为200-2150kg·m^-2·s^-1，热流密度q_w为148-1818kW·m^-2，主流焓值H_b为380-3171kJ·kg^-1，管径D为3-38mm。

2)查询表网格点的确定

由实验数据点的参数分布可知，不同管径对应的实验数据数量不同，分布为不均，若强行将管径参数放入查询表框架中，则会引入较大的误差，导致查询表在预测不同管径下的t_w准确度下降，然而目前传热数据库中管径D为10mm的实验数据点最多，暂定壁温查询表中管径D为10mm，综上所述，超临界水传热查询表采用式(1)所述的四维函数形式：

t_w＝f(P,G,q_w,H_b) (1)

基于实验数据点参数分布以及工程应用中超临界水换热的常用参数，本发明所述的查询表网格点框架如表1所示：

表1

3)超临界水传热关联式的收集

采用最优超临界水传热关联式进行插值计算得到网格点处壁温值；

相比于传统的直接对实验数据点的线性插值或多项式插值等方法建立壁温查询表，最优超临界水传热关联式能够更好地反应各参数对壁温的影响情况，共收集37个竖直上升光管内的超临界压力水传热关联式作为最优关联式的备选。收集的超临界水传热关联式主要分为如下三类：第一类是基于D-B公式的传热关联式，以粘度、密度、热导率及比热容作为修正项；第二类是基于Petukhov公式的传热关联式，考虑管道入口效应、浮升力效应和热加速效应的影响；第三类是基于壁面温度t_w、主流区温度t_b与拟临界温度t_pc之间的关系进行分段函数修正。

4)网格点附近实验数据的确定

插值的实验数据点尽可能在某个待求网格点的附近区域，且实验数据点个数在一定范围内，另外，不同的实验数据与网格点的距离不同，对其计算壁温值时的贡献也就不同。因此，本发明采用相对距离法对实验数据点赋予不同的权重，权重k_i为：

其中，n为每个网格点计算时所用的实验数据点个数，r_i为距离网格点第i个实验数据点对应的半径，选取压力、质量流速、热流密度及焓值作为半径计算依据，r_i的表达式为：

5)网格点处最优超临界水传热关联式的确定

对于某一网格点附近的n个实验数据点，以各实验壁温值作为标准壁温t_wExp(i)，根据收集的37个超临界水传热关联式计算一组t_wCor(i,j)，最后计算出该网格点区域所有n个实验点的比值x_(i,j)，x_(i,j)为：

计算各传热关联式在该网格点区域内比值的均值x_mean(j)，x_mean(j)为：

该网格点区域用于插值的最优关系式根据以下二个权重标准进行筛选：

a)关联式计算的x_mean(j)要尽量的靠近1；

b)关联式计算的x_(i,j)的标准差是否较小。

为权衡两个权重，当满足式(6)时，则以权重条件a)为标准；否则，则以权重条件b)为判断标准。

| x_mean(m)-1|-|x_mean(n)-1||>0.005 (6)

其中，x_mean(m)和x_mean(n)为关联式的均值最接近1的两个均值。

6)最优超临界水传热关联式的壁温迭代结果

传热关联式计算过程中，某些参数值与壁温有关，因此需采用迭代的方法求网格点的壁温。先给出一个壁温假设值t₁，通过步骤5)得到的最优超临界水传热关联式求得壁温计算值t₂。若t₁＝t₂，则说明t₁为所求的壁温；否则，则将t₂值赋给t₁，再次计算，直至|t₁-t₂|<10^-5℃。

7)网格点壁温结果的汇总

汇总各网格点壁温的计算值，并以此建立超临界水壁温查询表。

另外，超临界水壁温查询表在使用过程中，以压力P(MPa)、质量流速G(kg·m^-2·s^-1)、壁面热流q_w(kW·m^-2)及流体焓值H_b(kJ·kg^-1)作为输入值，若压力P(MPa)、质量流速G(kg·m^-2·s^-1)、壁面热流q_w(kW·m^-2)及流体焓值H_b(kJ·kg^-1)均落在网格点参数上时，直接输出网格点壁温值作为查询结果；若压力P(MPa)、质量流速G(kg·m^-2·s^-1)、壁面热流q_w(kW·m^-2)及流体焓值H_b(kJ·kg^-1)没有完全与网格点参数吻合时，则采用四维线性插值的方法计算该工况下的壁温值，另外，本超临界水壁温查询表针对10mm管径的超临界水壁温结果，若应用至其它管径，需对管径效应进行修正。

综上所述，本发明在宽广参数范围内收集实验数据，采用最优超临界水传热关联式的方法来预测，并在此基础上建立超临界压力下竖直上升管内传热查询表，该查询表采用压力P(MPa)、质量流速G(kg·m^-2·s^-1)、壁面热流q_w(kW·m^-2)及流体焓值H_b(kJ·kg^-1)的四维线性插值方法，结合直径D(m)的管径效应修正关联式，可预测不同工况下的管壁温。本发明计算的壁温值同实验数据吻合程度高，预测精度明显优于传热关联式，且在程序应用中使用方便，易于更新。

以上所述内容仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对超临界压力水在垂直上升光管内的传热实验研究进行调研，获取若干竖直上升光管内超临界水壁温的实验数据；

2)确定超临界水壁温查询表的网格点；

3)收集超临界水传热关联式；

4)确定超临界水壁温查询表的网格点附近的传热实验数据；

5)确定超临界水壁温查询表网格点处的最优超临界传热关联式；

6)利用步骤5)得到的超临界水壁温查询表网格点处的最优超临界传热关联式进行迭代计算，得超临界水壁温查询表各网格点的超临界水壁温，从而完成竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立；

超临界水传热查询表采用式(1)所述的四维函数形式：

t_w＝f(P,G,q_w,H_b) (1)

其中，P、G、q_w及H_b分别为竖直上升光滑圆管内超临界水的压力、质量流速、热流密度及主流焓值；

采用最优超临界水传热关联式进行插值计算得到网格点处壁温值，其中，各插值的实验数据与网格点的距离不同，对其计算壁温值时的贡献不同，因此采用相对距离法对各插值的实验数据点赋予不同的权重，其中，第k个实验数据点的权重k_i为：

其中，n为每个网格点计算时所用的数据点个数，r_i为距离网格点第i个实验数据点对应的半径，选取压力、质量流速、热流密度及焓值作为半径计算依据，r_i的表达式为

对于某一网格点附近的n个实验数据点，以各实验壁温值作为标准壁温t_wExp(i)，根据收集到的各超临界水传热关联式计算一组t_wCor(i,j)，最后计算该网格点区域所有n个实验点的比值x_(i,j)，x_(i,j)为：

得各超临界水传热关联式在该网格点区域内比值的均值x_mean(j)，x_mean(j)为：

2.根据权利要求1所述的竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法，其特征在于，适用范围为：P＝22.5～32MPa，G＝200～2150kg·m^-2·s^-1，q_w＝148～1818kW·m^-2，H_b＝380～3171kJ·kg^-1，D＝3～38mm。

3.根据权利要求1所述的竖直上升光管内超临界水壁温查询表的建立方法，其特征在于，收集的超临界水传热关联式分为三类，其中，第一类为基于D-B公式的传热关联式，以粘度、密度、热导率及比热容作为修正项；第二类为基于Petukhov公式的传热关联式，考虑管道入口效应、浮升力效应和热加速效应的影响；第三类为基于壁面温度t_w、主流区温度t_b与拟临界温度t_pc之间的关系进行分段函数修正。