超临界变压运行锅炉垂直上升内螺纹管的传热特性

于 猛, 俞谷颖, 张富祥, 杨 勇, 朱才广

(上海发电设备成套设计研究院,上海 200240)

超临界变压运行直流锅炉由于具有良好的循环热效率和机组热经济性等优点,因此受到国内外的广泛重视.在超临界锅炉变压运行过程中,随着负荷的变化,工质的压力要在亚临界到超临界范围内变化,使得锅炉炉膛水冷壁管内工质的流动与传热特性十分复杂.从上世纪60年代至今,国内外学者针对超临界变压运行直流锅炉流体的传热特性进行了许多研究工作.结果表明:与光管相比,在亚临界压力下,内螺纹管可以明显改善沸腾传热,能够在较低的质量流速和较高的蒸汽干度下保持核态沸腾,有效抑制膜态沸腾的发生.因此,内螺纹管被广泛用于亚临界压力锅炉的水冷壁管.

根据内螺纹管垂直向上的流动特性机理,可以发现其在亚临界压力下改善传热的原因:由于管内工质存在汽-液密度差,所以内螺纹结构对流体产生旋流作用,使得管子的内壁产生了螺旋流和边界层分离流,螺旋流使流体与管壁的相对速度增加,减薄了层流底层的厚度,螺旋流产生的离心力将蒸汽中夹带的液滴甩回壁面,从而推迟壁面干涸现象的出现;边界层分离流的主要作用是搅动边界层,使该处流体混合趋于均匀[1].

目前,国内开发并投入运行的部分超临界变压运行锅炉的垂直水冷壁采用直径38.1mm,厚度7.5 mm的内螺纹管,从锅炉设计制造或运行安全性角度来考虑,有必要对该型号内螺纹管在超临界变压运行下的传热特性进行全面的研究.

1 试验系统和试验方法

本次试验的试验系统见图1.试验装置采用电加热方式,直接在内螺纹管壁上通以低电压、大电流,凭借管子本身电阻所产生的热量来加热管内工质.试验电功率由调压变压器连续调节,加热总功率可达1 000 kW,其中试验段加热功率为180 kW.

试验段采用直径为38.1 mm、内径为7.5 mm的六头内螺纹管,试验段长度为2 500 mm.内螺纹管的结构参数见表1.试验工质采用经离子交换法处理过的去离子水,以保证试验管壁不结垢、不发生腐蚀.

试验工质的流量由孔板流量计和 Rosemount3051型差压变送器测量,试验前对孔板流量计进行标定,试验压力采用HP1151型压力变送器进行测量(测量位置在试验段出口).试验段及预热段的加热功率由实测的电压和电流有效值计算得到.试验段和预热段的管壁温度采用布置在管壁面上的包覆绝缘层的镍铬-镍硅热电偶测得,其直径为0.5 mm.试验期间所有测量数据均采用英国Schlumbeger公司生产的Solarton IMP3595分散式数据采集系统自动采集,并输入电脑进行处理.试验的主要参数为:试验压力 p=10～28 MPa,工质质量流速 γm=500～1 220 kg/(m2◦s),内壁热负荷q=140～400 kW.在一定压力、质量流速和热负荷条件下,逐步增加试验段进口工质焓值,从而得出此工况下内螺纹管的传热特性.

图1 试验系统图Fig.1 Schematic diagram of the experim ental system

表1 内螺纹管的参数Tab.1 Parameters of the internally ribbed tube

2 结果与分析

2.1 亚临界压力区内的传热特性

当超临界变压运行直流锅炉处于启动阶段或者在较低负荷下运行时,水冷壁将处于亚临界压力下运行.在亚临界压力区内,管内流动工质是汽-液两相流体,在低干度区可能会发生膜态沸腾(DNB),在高干度区会发生干涸现象(Burn-out)引起传热恶化.此时压力、质量流速、热负荷及干度是影响汽水两相沸腾传热的主要因素.图2给出了在亚临界压力区域干度0～1范围内,试验管段的管外壁温度在不同条件下的分布特性.

图2 亚临界压力区内螺纹管外壁温度的分布特性Fig.2 Outer w all temperature of the internally ribbed tube in sub critical pressure region

由图2可以看出,在低压力的条件下,工质的汽、液密度差较大,此时由于内螺纹管的旋流作用,管子中部密度较大的液相工质受到离心力作用,被甩到管子内壁面,使管内壁产生的汽泡脱离壁面,避免传热恶化的发生,在工质质量含汽率 x达到0.5左右时,管外壁温度有所降低,这是由于汽、液两相流体速度增加改善了传热所致;随着工作压力的升高,管外壁温度也相应升高,此时管外壁与工质的温度差 Δt增大,传热效果变差,这是由于压力升高,导致工质的汽、液密度差减小,内螺纹管的旋流作用降低,壁面处产生的汽泡不易脱离,滞留在壁面上形成汽膜,从而在近临界压力区,内壁传热系数变小,抑制传热恶化的能力下降;在高干度区,随着压力的升高,发生干涸现象,使得壁温升高.因此,在亚临界压力区及近邻界压力区内所得试验结果与文献[2-7]相一致.

2.2 超临界压力区内的传热特性

在超临界压力区,工质加热的过程中不存在汽、液两相流共存的沸腾状态,但是存在一个大比热容区.在超临界压力区内进行了3个不同工况的试验,试验参数分别为:(1)p=22.3 MPa,qn=267 kW/m2,γm=1 220 kg/(m2◦s);(2)p=25 MPa,qn=352 kW/m2,γm=1 220 kg/(m2◦s);(3)p=27.4 MPa,q n=327 kW/m2,γm=1 200 kg/(m2◦s).试验结果见图3.

图3 不同压力下超临界压力区内螺纹管外壁温度的分布特性Fig.3 Ou terw all tem peratu re of the in ternally ribbed tube in supercritical pressure region at different pressures

从图3可以看出,虽然试验参数不同,但是管壁温度随工质温度的变化规律基本相同,大致可以分为以下3个区段:(1)壁温上升区,壁温随工质温度的升高而升高;(2)随着工质温度的升高,壁温平缓升高至最高值(壁温峰值).壁温峰值与工质压力有关,压力越高,壁温峰值越高;(3)壁温下降区,当达到壁温峰值后,壁温开始随工质温度的升高而下降,当工质温度升高至相应工质压力下的拟临界温度时,壁温降至最低值(壁温谷值).同样,壁温谷值也与工质压力有关,随着压力的升高,壁温谷值也略有升高.

内螺纹管在超临界压力区产生上述传热特性与内螺纹管的强化传热机理以及传热工质的物性变化,特别是工质比体积随工质温度的变化有密切关系.图4给出了不同压力下工质比体积随工质温度的变化趋势(计算依据文献[8]).在超临界压力下,比定压热容cp具有极大值的温度称为拟临界温度,此区域称为大比热容区,当压力为临界压力时,此温度称为临界温度.在拟临界温度前后,工质温度稍有变化,则其物性将发生显著变化.当工质温度较低,管内中心工质和贴壁处工质的温度低于拟临界温度时,管内中心工质与贴壁处工质的比体积相差很小,此时内螺纹管的旋流作用甚微,不能抑制传热恶化现象,因此管外壁温处于上升区.随着工质温度的升高,当管壁处工质温度达到或超过拟临界温度、而管中心处工质温度低于拟临界温度时,旋流作用达到最强,对传热效果有所改善,因此管外壁温处于下降区,当管中心处工质温度达到拟临界温度后,管内工质传热方式变为超临界压力下的过热蒸汽的单相传热形式.

图4 不同压力下超临界压力区内工质比体积随温度的变化Fig.4 Specific volum e ofw orking medium varying with temperature in supercritical pressure region at different pressures

3 结 论

(1)在亚临界压力区,由于管内汽、液两相流体的密度差大,内螺纹管的旋流作用增强了传热效果,有效地抑制了膜态沸腾的发生.

(2)当工质质量含汽率 x达到0.5左右时,由于汽、液两相流体速度增加,改善了工质的传热,所以管壁温度有所降低.

(3)随着系统工作压力的升高,工质的汽、液密度差减小,内螺纹管的旋流作用降低,管壁温度随压力的升高而升高,管壁与工质温差△t增大,传热效果变差,在高干度区出现“干涸”现象.

(4)在超临界压力区,当管内中心处工质与贴壁处工质温度均低于拟临界温度时,中心工质与贴壁工质间的比体积相差很小,内螺纹管的旋流作用产生的离心力很弱,抑制传热恶化的效果不明显,管壁温度升高较快,此阶段是超临界压力下的传热恶化区.

(5)当管内中心处工质温度低于拟临界温度、而贴壁处工质温度达到拟临界温度时,由于拟临界点附近比体积增大较快,工质的旋流作用增强,从而改善了传热,降低了壁温,此阶段是超临界压力下的传热强化区.

(6)由于拟临界温度随压力的升高而升高,所以管外壁的最低温度也随着压力的升高而升高.

[1] 孙丹,陈听宽,罗毓珊,等.内螺纹管临界压力区内水的传热特性[J].西安交通大学学报,2001,35(3):234-238.SUN Dan,CHEN Tingkuan,LUO Yushan,etal.Water heat transfer characteristics of internally ribbed tube in the near critical p ressure region[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2001,35(3):234-238.

[2] 孙丹,陈听宽,罗毓珊,等.垂直上升光管内临界压力区水的传热特性研究[J].西安交通大学学报,2001,35(1):10-14.SUN Dan,CHEN Tingkuan,LUO Yushan,et a l.Research of heat transfer performance of water in verticalupw ard smooth tube under near critical pressure[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2001,35(1):10-14.

[3] 胡志宏,陈听宽,孙丹,等.近邻界及超临界压力区垂直光管和内螺纹管传热特性的试验研究[J].热能动力工程,2001,16(3):267-270.HU Zhihong,CHEN Tingkuan,SUN Dan,eta l.Research of heat transfer performanceo f water in vertical upward smooth tube and internally ribbed tube under the near critical pressure and surpercritical pressure[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2001,16(3):267-270.

[4] 陈听宽,孙丹,罗毓珊,等.超临界锅炉内螺纹管传热特性的研究[J].工程热物理学报,2003,24(3):429-432.CHEN Tingkuan,SUN Dan,LUO Yushan,et al.Investigation on the heat transfer characteristics of internally ribbed tube for surpercritica l p ressure boiler[J].Journal of Engineering Therm ophysics,2003,24(3):429-432.

[5] 唐人虎,尹飞,陈听宽.超临界变压运行直流锅炉内螺纹管螺旋管圈水冷壁的传热特性研究[J].中国电机工程学报,2005,25(16):90-95.TANG Renhu,YIN Fei,CHEN Tingkuan.An investigation on heat transfer characteristics o f spiral w all with internal rib in surpercritical sliding-pressure operation once-through boiler[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(16):90-95.

[6] 俞谷颖,张富祥,陈端雨,等.超临界直流锅炉炉膛水冷壁布置型式的比较[J].动力工程,2008,28(3):333-338.YU Guying,ZHANG Fuxiang,CHEN Duanyu,etal.Compare of the w ater w all arrangement type in oncethrough boiler[J].Journal of Power Engineering,2008,28(3):333-338.

[7] 俞谷颖,张富祥,陈端雨,等.超(超)临界压力直流锅炉垂直管圈水冷壁特性的研究[J].动力工程,2009,29(3):205-209.YU Guying,ZHANG Fuxiang,CHEN Duanyu,eta l.Compare of the w ater w all arrangement type in oncethrough boiler[J].Journal of Power Engineering,2009,29(3):205-209.

[8] W◦瓦格纳,A◦克鲁泽.水和蒸汽的性质[M].北京:科学出版社,2003.