CN113154894A - 一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法 - Google Patents

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居文平
邓佳
马汀山
程东涛
王妍
薛朝囡
张建元
林轶
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Abstract

一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，该方法是基于传热学的基本原理，蒸汽从汽轮机末级叶片排出后，在凝汽器冷却水管外壁冷凝，冷凝水会聚集于换热管表面，演变为水膜，增加了管束换热热阻。当管束有预设倾角时，凝结水膜增大到设定厚度时就会沿管壁下滑，下滑过程中水膜厚度不断增加，当重力大于吸附力在垂直方向的分力时就会下滴。下滑的过程会减薄一部分水膜厚度，并有利于管内杂质在重力作用下流出，提高换热管束传热效率。根据水力学原理，对附着于凝汽器管束上的小水滴进行受力分析，可以通过函数直接求解出凝汽器管束合适的微倾布置角度，易于计算程序化，对优化凝汽器管束的布置方式和提高凝汽器的传热性能具有重要的意义。

Description

一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法
技术领域
本发明属于电站锅炉及汽轮机系统领域，具体涉及一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法。
背景技术
在火力发电厂中，凝汽器的换热效率对汽轮发电机组的发电效率影响较大，统计数据表明，热力发电机组真空度每降低1％，机组热耗约增加1.5％。同时，如果凝汽器换热效率严重低于设计值，会引起汽轮机排汽温度升高，长期运行会导致汽轮机轴向位移发生变化，严重时甚至会使汽轮机产生附加振动，影响机组的安全运行。因此，尽可能的提高凝汽器的传热效率是火电机组节能降耗的重要手段。
根据凝汽器热量的传递过程，蒸汽在凝汽器内部是一个等压冷凝的过程，在理想状态下，蒸汽从汽轮机末级叶片排出后，在凝汽器冷却水管外壁冷凝，冷凝过程需要通过对流换热将热量传递给外侧管壁。但在实际过程中，并不是简单的蒸汽与冷却水管壁的对流换热。冷凝水不会立即离开换热管表面，而会聚集于换热管表面，演变为水膜，水膜逐渐在换热管的下沿汇聚，当凝结水自身重力大于换热管表面的吸附力时，才会滴落，这增加了凝汽器管束的换热热阻，降低了凝汽器的传热效率，影响机组运行的经济性和安全性。
发明内容
本发明的目的在于解决以上问题，提供一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，该方法将凝汽器换热管束预设倾角，凝结水膜增大到设定厚度时沿管壁下滑，下滑过程中水膜厚度不断增加，最终会下滴，下滑的过程减薄一部分水膜厚度，并有利于管内杂质在重力作用下流出，提高换热管束传热效率。
本发明进一步的改进在于，该方法具体包括：
步骤一：根据水力学原理，对于倾斜管束上的小水滴做受力分析，小水滴受垂直向下的重力mg，沿管壁向上的摩擦力μFσ，垂直于管道壁面向上的表面张力Fσ；
其中：
μ：液滴与管壁的摩擦系数，直接测量；
m：为附着在凝汽器管束上液滴的质量；
g：为重力加速度；
α：为凝汽器管束相对于水平面倾斜的角度，取值范围为0°～90°；
Fσ：为液滴所受管道壁面的表面张力；
步骤二：假定随着凝汽器管束倾角α的变化，液滴所受表面张力Fσ不变；
步骤三：液滴开始沿管束匀速下滑的瞬间，则液滴在沿管束壁面方向满足式(1)、(2)；
mgsinα＝μFσ (1)
Fσ＝mgcosα (2)
联立式(1)(2)，求得当管束倾角α＝arctanμ时，液滴开始沿管束外壁匀速下滑；
步骤四：对于倾斜管束上液滴开始坠落的瞬间做受力分析，液滴开始坠落的瞬间，则满足式表面张力Fσ和摩擦力μFσ在垂直方向的分力之和等于重力mg，如式(3)所示；
Figure BDA0003061137930000031
求得滴落瞬间液滴的质量
Figure BDA0003061137930000032
其中，k：质量系数，
Figure BDA0003061137930000033
式
Figure BDA0003061137930000034
中，
Figure BDA0003061137930000035
为常数，则滴落瞬间液滴的质量m与质量系数k成正比例关系。
本发明进一步的改进在于，步骤三中，不同摩擦系数μ下，液滴开始下滑时管束的倾角α如表1所示：
表1：不同摩擦系数μ下，液滴开始下滑时管束的倾角α
Figure BDA0003061137930000036
本发明进一步的改进在于，步骤三中，不同摩擦系数μ、不同管束倾角α下，质量系数k的取值如表2所示：
表2：不同摩擦系数μ、不同管束倾角α下，质量系数k的取值
Figure BDA0003061137930000037
Figure BDA0003061137930000041
Figure BDA0003061137930000051
本发明进一步的改进在于，从表2可知，同一倾角下，随着摩擦系数的增大，质量系数逐渐增大；同一摩擦系数下，随着管束倾角的增大，质量系数k先减小后增大，存在最小值，即当管道材质选定，摩擦系数μ为定值，则存在一个最佳倾角α使得质量系数k最小，从而使滴落时液滴的质量m最小，则在该倾角下，液膜的最大厚度是最薄的，水膜的热阻最小。
本发明进一步的改进在于，当摩擦系数μ＝0时，液滴所受摩擦力为0，管束的倾角α为0°时，质量系数k的值最小为1，此时管束水平布置，滴落时液滴的质量
Figure BDA0003061137930000061
本发明进一步的改进在于，当摩擦系数μ＝0.001时，管束的倾角α为6°时，质量系数k的值最小为1.0151，滴落时液滴的质量
Figure BDA0003061137930000062
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明是基于传热学的基本原理，蒸汽从汽轮机末级叶片排出后，在凝汽器冷却水管外壁冷凝，冷凝水会聚集于换热管表面，演变为水膜，增加了管束换热热阻。当管束有一定倾角时，凝结水膜增大到一定厚度时就会沿管壁下滑，下滑过程中水膜厚度不断增加，当重力大于吸附力在垂直方向的分力时就会下滴。下滑的过程会减薄一部分水膜厚度，并有利于管内杂质在重力作用下流出，提高换热管束传热效率。根据水力学原理，对附着于凝汽器管束上的小水滴进行受力分析，可以通过函数直接求解出凝汽器管束合适的微倾布置角度，易于计算程序化，对优化凝汽器管束的布置方式和提高凝汽器的传热性能具有重要的意义。
附图说明
图1为微倾管束上凝结水滴的受力分析图。
图2为不同摩擦系数μ、不同管束倾角α下，质量系数k的变化曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施示例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施示例1
本发明提供的一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，将凝汽器换热管束预设倾角时，凝结水膜增大到设定厚度时就会沿管壁下滑，下滑过程中水膜厚度不断增加，最终会下滴。下滑的过程会减薄一部分水膜厚度，并有利于管内杂质在重力作用下流出，提高换热管束传热效率。具体实现方法如下：
步骤一：根据水力学原理，对于倾斜管束上的小水滴做受力分析，如图1所示，小水滴受垂直向下的重力mg，沿管壁向上的摩擦力μFσ，垂直于管道壁面向上的表面张力Fσ。
其中：
μ：液滴与管壁的摩擦系数，可以直接测量；
m：为附着在凝汽器管束上液滴的质量；
g：为重力加速度；
α：为凝汽器管束相对于水平面倾斜的角度，取值范围为0°～90°；
Fσ：为液滴所受管道壁面的表面张力。
步骤二：假定随着凝汽器管束倾角α的变化，液滴所受表面张力Fσ不变。
步骤三：液滴开始沿管束匀速下滑的瞬间，则液滴在沿管束壁面方向必须满足式(1)、(2)。
mgsinα＝μFσ (1)
Fσ＝mgcosα (2)
联立式(1)(2)，求得当管束倾角α＝arctanμ时，液滴开始沿管束外壁匀速下滑。
表1不同摩擦系数μ下，液滴开始下滑时管束的倾角α
Figure BDA0003061137930000071
Figure BDA0003061137930000081
步骤四：对于倾斜管束上液滴开始坠落的瞬间做受力分析，液滴开始坠落的瞬间，则必须满足式表面张力Fσ和摩擦力μFσ在垂直方向的分力之和等于重力mg，如式(3)所示。
Figure BDA0003061137930000082
求得滴落瞬间液滴的质量
Figure BDA0003061137930000083
其中，k：质量系数，
Figure BDA0003061137930000084
表2不同摩擦系数μ、不同管束倾角α下，质量系数k的取值
Figure BDA0003061137930000085
Figure BDA0003061137930000091
Figure BDA0003061137930000101
式
Figure BDA0003061137930000102
中，
Figure BDA0003061137930000103
为常数，则滴落瞬间液滴的质量m与质量系数k成正比例关系。从表2和图2可知，同一倾角下，随着摩擦系数的增大，质量系数逐渐增大。同一摩擦系数下，随着管束倾角的增大，质量系数k先减小后增大，存在最小值，即当管道材质选定，摩擦系数μ为定值，则存在一个最佳倾角α使得质量系数k最小，从而使滴落时液滴的质量m最小，则在该倾角下，液膜的最大厚度是最薄的，水膜的热阻最小。
当摩擦系数μ＝0时，液滴所受摩擦力为0，管束的倾角α为0°时，质量系数k的值最小为1，此时管束水平布置，滴落时液滴的质量
Figure BDA0003061137930000104
当摩擦系数μ＝0.001时，管束的倾角α为6°时，质量系数k的值最小为1.0151，滴落时液滴的质量
Figure BDA0003061137930000105
其他摩擦系数下同理。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，其特征在于，该方法将凝汽器换热管束预设倾角，凝结水膜增大到设定厚度时沿管壁下滑，下滑过程中水膜厚度不断增加，最终会下滴，下滑的过程减薄一部分水膜厚度，并有利于管内杂质在重力作用下流出，提高换热管束传热效率。
2.根据权利要求1所述的一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，其特征在于，该方法具体包括：
步骤一：根据水力学原理，对于倾斜管束上的小水滴做受力分析，小水滴受垂直向下的重力mg，沿管壁向上的摩擦力μFσ，垂直于管道壁面向上的表面张力Fσ；
其中：
μ：液滴与管壁的摩擦系数，直接测量；
m：为附着在凝汽器管束上液滴的质量；
g：为重力加速度；
α：为凝汽器管束相对于水平面倾斜的角度，取值范围为0°～90°；
Fσ：为液滴所受管道壁面的表面张力；
步骤二：假定随着凝汽器管束倾角α的变化，液滴所受表面张力Fσ不变；
步骤三：液滴开始沿管束匀速下滑的瞬间，则液滴在沿管束壁面方向满足式(1)、(2)；
mgsinα＝μFσ (1)
Fσ＝mgcosα (2)
联立式(1)(2)，求得当管束倾角α＝arctanμ时，液滴开始沿管束外壁匀速下滑；
步骤四：对于倾斜管束上液滴开始坠落的瞬间做受力分析，液滴开始坠落的瞬间，则满足式表面张力Fσ和摩擦力μFσ在垂直方向的分力之和等于重力mg，如式(3)所示；
Figure FDA0003061137920000021
求得滴落瞬间液滴的质量
Figure FDA0003061137920000022
其中，k：质量系数，
Figure FDA0003061137920000023
式
Figure FDA0003061137920000024
中，
Figure FDA0003061137920000025
为常数，则滴落瞬间液滴的质量m与质量系数k成正比例关系。
3.根据权利要求2所述的一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，其特征在于，步骤三中，不同摩擦系数μ下，液滴开始下滑时管束的倾角α如表1所示：
表1：不同摩擦系数μ下，液滴开始下滑时管束的倾角α
Figure FDA0003061137920000026
4.根据权利要求3所述的一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，其特征在于，步骤三中，不同摩擦系数μ、不同管束倾角α下，质量系数k的取值如表2所示：
表2：不同摩擦系数μ、不同管束倾角α下，质量系数k的取值
Figure FDA0003061137920000027
Figure FDA0003061137920000031
Figure FDA0003061137920000041
5.根据权利要求4所述的一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，其特征在于，从表2可知，同一倾角下，随着摩擦系数的增大，质量系数逐渐增大；同一摩擦系数下，随着管束倾角的增大，质量系数k先减小后增大，存在最小值，即当管道材质选定，摩擦系数μ为定值，则存在一个最佳倾角α使得质量系数k最小，从而使滴落时液滴的质量m最小，则在该倾角下，液膜的最大厚度是最薄的，水膜的热阻最小。
6.根据权利要求5所述的一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，其特征在于，当摩擦系数μ＝0时，液滴所受摩擦力为0，管束的倾角α为0°时，质量系数k的值最小为1，此时管束水平布置，滴落时液滴的质量
Figure FDA0003061137920000051
7.根据权利要求5所述的一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，其特征在于，当摩擦系数μ＝0.001时，管束的倾角α为6°时，质量系数k的值最小为1.0151。
8.根据权利要求7所述的一种微倾的可减少热阻的凝汽器管束布置方法，其特征在于，滴落时液滴的质量
Figure FDA0003061137920000052
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