汽轮机乏汽在水平光管冷凝过程中的传递研究

马光耀 赵玉柱 邴汉昆 陈 帅

（华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030）

马光耀 赵玉柱 邴汉昆 陈 帅

（华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030）

以汽轮机的乏汽在凝汽器内水平光管上的凝结为研究对象，依据nusselt膜状凝结理论，对乏汽在凝汽器水平光管上凝结过程中不同的传热温差、不同乏汽压力及沿管径壁面方向的传递系数进行研究。压力为5kPa时，当传热温差在1～6K范围内逐渐增大，传递系数随着温差的增大由13 443.13W/（m·K）减小至4 122.66W/（m·K），减小速率呈递减趋势。乏汽压力在5～30kPa之间逐渐增大时，的传递系数由5 070.87W/（m·K）逐渐减小至4 822.62W/（m·K）。减小换热温差可增大的传递系数，强化的传递。

膜状凝结；强化传热；传递系数

汽轮机乏汽主要通过凝汽器进行冷凝回收，乏汽在水平光管表面的凝结换热是热力系统得以进行循环的基础。目前，蒸汽在水平光管表面的膜状凝结主要集中于管束膜状凝结换热研究［1］，包括通过管束内部组合转子强化传热［2］及螺旋槽管的强化传热［3］等针对管内外强化换热的研究及分析，对于换热量及强化换热［4］的分析，对乏汽在水平光管上凝结过程中的传递情况有所研究。有科研工作者针对膜状凝结换热的影响因素展开研究，如表面张力［5］、界面剪切力对蒸汽垂直下流膜状凝结传热的影响［6］，不凝结气体对水平单管外膜状凝结换热的影响［7］等。由于乏汽在水平光管上的膜状凝结问题较为复杂，同时受到试验条件及试验误差的限制，对于传递过程中的传递速率情况研究相对较少。因此，本文对乏汽的膜状凝结过程中的传递速率情况进行理论推导及数值计算分析。

蒸汽的膜状凝结分析理论在竖壁及光管的凝结研究已比较成熟，本文在膜状凝结换热基础上，对于凝汽器内水平光管膜状凝结过程中对传递理论进行分析。同时，结合机组运行过程中不同乏汽压力及冷凝温差下的传递系数进行分析，有助于强化传递并深入研究传递的过程。

1 建模及分析

本文以汽轮机乏汽至凝汽器冷凝系统为研究对象，结合努赛尔壁面凝结理论及传递理论对汽轮机乏汽在凝汽器内水平光管上的膜状凝结进行建模分析。在对乏汽在凝汽器内水平光管上的凝结情况进行建模前，根据nusselt对竖壁面膜状凝结理论［8］，假设dx微元质量增量为：

液膜凝结过程中液膜厚度为：

由于上述假设的普遍性，将上述假设用于汽轮机排汽（乏汽）在水平光管的膜状凝结研究。

汽轮机乏汽在凝汽器光管凝结过程比较复杂，将汽机乏汽在凝汽器光管表面的凝结过程简化为从乏汽凝结为饱和水的过程与液膜表面至管壁表面的导热过程，因而，可将乏汽凝结过程中的传递过程分为乏汽在水平光管壁面液面凝结时的传递和从液膜表面至管壁表面的传递两部分，即：

式（3）中，dEx为乏汽，J；dE1为凝结过程的变化量，J；dE2为导热过程的变化量，J。

微元dx中 值变化为：

根据克拉贝龙方程知：

由此可将式（5）化为：

对式（9）温度T进行积分，联立式（8）和式（10），将式（2）求导后带入，得到水平光管膜状凝结局部传递系数为：

2 计算实例及分析

根据电厂运行数据对乏汽及凝结水的物性进行选取，主要参数见表1。

表1 计算参数表

图1 乏汽压力为5kPa时过冷度与传递系数及液膜厚度

不同汽轮机乏汽压力下（即不同的气化潜热下），乏汽在光管表面凝结时，液膜厚度和传递系数随过乏汽压力的变化趋势如图2所示。液膜厚度随乏汽压力的增加而增加，但增加速率呈减小趋势，当乏汽压力从5kPa增大到30kPa时，液膜厚度从0.004 35cm增大到0.004 40cm，变化比例为1.14%。传递系数随着过冷度的增加由5 070.87W（/m·K）减小至4 822.62W（/m·K），变化比例为4.90%。原因是由于随着乏汽压力的增大，乏汽的汽化潜热逐渐减小，的传递系数逐渐减小，液膜的厚度则也随着乏汽压力的增大逐渐变大，这是由于乏汽的凝结速率逐渐降低所致。

图2 不同乏汽压力下时传递系数及液膜厚度

3 结论

本文对乏汽在凝汽器内光滑管上的膜状凝结进行分析研究，得到如下结论：①汽轮机乏汽在凝汽器内冷凝时，提高换热温差可起到强化传热的作用，但传递系数会随着传热温差的增大而减小，因此减小换热温差可提高效率；②在汽机乏汽的凝结过程中，传热温差对的传递效率影响较大，机组乏汽压力对传递系数的影响最小。

［1］马志先.水平管束外膜状凝结换热试验与理论研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

［2］何长江，杨斯博，张震.组合转子强化传热及阻垢装置稳定性分析［J］.化工进展，2014（8）：1970-1973.

［3］吴慧英，帅志明，周强泰.凝结换热器采用螺旋槽管的强化传热研究［J］.化工学报，1997（5）：626-630.

［4］王松平，罗伟平，陈清林.换热强化及其优化设计的新途径［J］.华北电力大学学报，2004（6）：20-23.

［5］彭宝宏.表面张力对凝结换热的影响研究［D］.天津：河北工业大学，2007.

［6］张俊霞，王立，李运刚.界面剪切力对蒸汽垂直下流膜状凝结传热的影响分析［J］.化工学报，2011（10）：2732-2739.

［7］唐桂华，庄正宁，王建伟，等.不凝结气体存在时水平单管外膜状凝结换热的数值研究［J］.西安交通大学学报，2000（11）：31-35.

［8］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006：303-306.

Exergy Transfer Study in the Process of Horizontal Tube Condensation of Steam Turbine Exhaust Steam

Ma Guangyao Zhao Yuzhu Bing Hankun Chen Shuai
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou Zhejiang 310030）

Taking the steam turbine exhaust steam(steam exhaust)condensed in the condenser horizontal plain tube as the object of study,on the basis of nusselt filmwise condensation theory different heat transfer temperature,differ⁃ent steam exhaust pressure and different lengths along the tube surface were studied about the exergy transfer coeffi⁃cient in the process of exhaust steam condense on horizontal tube.When the pressure was 5kPa,the heat transfer tem⁃perature changed from 1 K to 6 K,exergy transfer coefficient reduced with the increase of temperature from 13 443.13 W/(m·K)to 4 122.66 W/(m·K),the reduce presented the degressive trend.When the exhaust pressure was in⁃creased from 5 kPa to 30 kPa,exergy transfer coefficient changed from 5 070.87 W/(m·K)to 4 822.62 W/(m·K).De⁃creasing the heat transfer temperature differences could increase exergy transfer coefficient,and it’s advantageous to the exergy transfer.

film condensation；heat transfer；transfer coefficients

TQ051.3

A

1003-5168(2016)09-0087-03

2016-08-22

马光耀（1986-），男，硕士，工程师，研究方向：电站设备节能诊断。