江蘇電機(jī)工程2015年5月jiangsu Electrical Engineering第34卷第3期三分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的詳細(xì)熱力計(jì)算方法陳歡,周克毅,黃軍林(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210096摘要:為提高鍋爐三分倉空預(yù)器的熱力計(jì)算精度,根據(jù)三分倉空氣預(yù)熱器的傳熱機(jī)理及溫度分布特點(diǎn),結(jié)合各分倉之間的漏風(fēng),建立三分倉微元體數(shù)學(xué)模型,得到各分倉的微分解析式,釆用迭代計(jì)算的方法得到各分倉流體平均溫度及金屬蓄熱板的平均溫度。某100MW三分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器算例表明,該算法具有較高的計(jì)算精度,能夠考慮各分倉的漏風(fēng)影響,且可劃分?jǐn)?shù)量不等的計(jì)算區(qū)域進(jìn)行計(jì)算以滿足不同的工程需求,可以得到金屬蓄熱板的平均溫度分布,為低溫腐蝕和積灰提供溫度參考。關(guān)鍵詞:三分倉:微元模型;傳熱;對流;漏風(fēng)中圖分類號:TK222文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:10090665(2015)03-0010-04三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是一種旋轉(zhuǎn)換熱的裝置,廣泛應(yīng)用于大型鍋爐。鍋爐的三分倉空氣預(yù)熱器1數(shù)學(xué)模型與普通的二分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器相比,多出一個通如圖1所示,三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動道,它將空氣流通區(qū)域分成一次風(fēng)和二次風(fēng)兩個通時(shí),金屬受熱面依次經(jīng)過煙氣、二次風(fēng)、一次風(fēng),高溫?zé)煹?滿足不同空氣出口壓力和溫度的要求。氣對金屬受熱面加熱,金屬再加熱冷空氣?？梢岳梦⑷謧}空氣預(yù)熱器溫度分布的精度對火電節(jié)能元體建立微元方程,然后在適當(dāng)簡化的條件下得到三及換熱元件腐蝕具有重要意義。目前,二分倉空氣預(yù)分倉空氣預(yù)熱器的計(jì)算模型。熱器的熱力計(jì)算方法相對比較成熟1,而三分倉空氣煙氣預(yù)熱器的熱力計(jì)算到目前為止并沒有完整成熟的方次法。文獻(xiàn)[2]基于二分倉空氣預(yù)熱器熱力計(jì)算推廣到三分倉空氣預(yù)熱器熱力計(jì)算。文獻(xiàn)[3]利用數(shù)值方法二次風(fēng)研究了由偏微分方程得到的二維傳熱方程。文獻(xiàn)[4]建立復(fù)雜的微分方程利用數(shù)值方法對內(nèi)部的溫度場進(jìn)行了模擬。文獻(xiàn)[5]考慮金屬蓄熱板豎直切面平均圖1三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器傳熱示意圖溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的非線性特性得到出口空氣溫度的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)[6以大量的試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基1.1微元方程根據(jù)空氣預(yù)熱器的工作原理、穩(wěn)態(tài)工況下的流體礎(chǔ),通過計(jì)算直接得到煙氣一空氣傳熱系數(shù)的變化量以及受熱面的能量平衡與傳熱關(guān)系可以建立空氣預(yù)熱簡化計(jì)算。文獻(xiàn)[7]基于文獻(xiàn)[5]中的方法推廣到了四器轉(zhuǎn)子的微元方程。如圖2所示,微元體的半徑與空氣分倉的計(jì)算。上述文獻(xiàn)介紹的方法存在一些不足,文獻(xiàn)[2,3]沒有考慮到蓄熱板平均溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的非預(yù)熱器轉(zhuǎn)子半徑相同,角度為。線性特性;文獻(xiàn)[4,5]計(jì)算量大,不適用于工程應(yīng)用;文獻(xiàn)[5,7]雖然避免了上述不足,但是均需將一、二次風(fēng)合并處理,無法分別計(jì)算三分倉的一、二次風(fēng)區(qū)的漏風(fēng)。文中在前期研究的基礎(chǔ)上5),考慮三個倉之間的漏風(fēng)差異,建立了三分倉微元體模型,同時(shí)考慮金屬蓄熱板豎直切面平均溫度沿旋轉(zhuǎn)方向的非線性及流體溫度的非線性特性,對三分倉各個倉進(jìn)行計(jì)算,無圖2三分倉空預(yù)器微元體示意圖需將一、二次風(fēng)合并處理,從而得到了三分倉空氣預(yù)在忽略金屬和流體軸向及切向?qū)岬臈l件下,流熱器的詳細(xì)熱力計(jì)算方法,且可劃分?jǐn)?shù)量不等的計(jì)算體放熱或吸熱的微元體方程表示為區(qū)域進(jìn)行計(jì)算,以滿足不同的工程設(shè)計(jì)和分析需求。c0(4(d+)-=a(43-)(1)收稿日期:2015-02-12;修回日期:2015-03-18基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51176031)受熱面蓄熱或放熱的微元體方程表示為:分倉回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的詳細(xì)熱力計(jì)算方法cm2m(24+1)41a4()(+t)(2)式中:c1為流體比熱容,kJ/(kg·℃);p為流體密度60。H,,t2+tkJ/m;a為流速,m/s;a為單位弧度流體通流截面積aB 2TcmM;,n(7)m2/radB為通道所占角度,rad;t;為流體溫度,℃;為式中:下標(biāo)n=1,2,表示沿流體方向?qū)⒖疹A(yù)器分成2段,受熱面高度,m;ar為流體與金屬的換熱系數(shù),W/靠近進(jìn)囗段n為1,靠近出口段n為2;下標(biāo)j=1,2,3,(m…℃);h為單位高度單位弧度受熱面的換熱面積分別表示煙氣區(qū)、二次風(fēng)區(qū)、一次風(fēng)區(qū);am2/(rad,m);:m為金屬受熱面溫度,℃;cn為金屬比熱mm,馬為第j區(qū)第n段考慮漏風(fēng)后的參數(shù);Hn為容kJ(kg℃);mn為單位高度、單位弧度金屬質(zhì)量,第j區(qū)第n段的換熱面積;!m1,為第j區(qū)第n段流kg/(mrad);n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min。由式(1)和式(2)可體考慮漏風(fēng)后的進(jìn)口平均溫度和出口平均溫度,℃得到如下的微分方程:tm。為第j區(qū)第n段的金屬受熱面豎直切面的平均溫度,℃;M為第j區(qū)第n段金屬轉(zhuǎn)子總的質(zhì)量,kg。al crura m-4)Wn為第j區(qū)第n段在(a+△a1+4△a2)過量空氣系數(shù)下60a haB 2cm mn (tr-t(4)得的流速,其中a為該區(qū)域的過量空氣系數(shù),m|s由于漏風(fēng)影響導(dǎo)致質(zhì)量流量變化,流速將會改變,1.2計(jì)算區(qū)劃分及漏風(fēng)流速的計(jì)算為式(3)、(4)的準(zhǔn)確性與換熱系數(shù)、流體的物性參Ba1V(t+273)數(shù)、金屬的物性參數(shù)有密切的關(guān)系,均與溫度相關(guān),即273F與三分倉空預(yù)器內(nèi)部溫度場有關(guān)。理論上當(dāng)空預(yù)器沿式中:Ba為計(jì)算燃料消耗量kg/s;V為(a+△a1+△a2)過高度方向被分成的段數(shù)越多、沿圓周方向被分成的區(qū)量空氣系數(shù)下的體積,mkg;t為考慮漏風(fēng)后區(qū)域的平域越多時(shí),由式(3)和式(4)獲得的溫度場也更精確。均溫度,℃;F為通流截面積,m2。記:但是,隨分成區(qū)段增加,其計(jì)算量也會增加?？紤]到空氣預(yù)熱器一般都分為熱段、冷段,兩者材料和板型均不NM"2 CGaPi, n 9,a馬m同,為求解的簡便,這里可將空預(yù)器分成冷熱2段。整B個空氣預(yù)熱器被分成6個區(qū)分別進(jìn)行計(jì)算,即熱段煙氣區(qū)、熱段二次風(fēng)區(qū)、熱段一次風(fēng)區(qū)、冷段煙氣區(qū)、冷段代入式(6)、(7)得各個分區(qū)所滿足的關(guān)系式:二次風(fēng)區(qū)以及冷段一次風(fēng)區(qū)。1(10在實(shí)際運(yùn)行中,由于密封問題將不可避免造成各A,(個區(qū)之間的漏風(fēng),包括一次風(fēng)區(qū)向二次風(fēng)區(qū)漏風(fēng)、一次B(11)風(fēng)區(qū)向煙氣區(qū)的漏風(fēng),以及二次風(fēng)區(qū)向煙氣區(qū)的漏風(fēng)漏風(fēng)會對區(qū)域的傳熱和溫度分布造成影響,所以在計(jì)由式(10)可得到算各個區(qū)域時(shí),要將各漏風(fēng)量加入對應(yīng)區(qū)域的流量中2-An-1(12)并考慮漏風(fēng)溫度的不同,然后確定各區(qū)域的流量、流速、平均溫度、換熱系數(shù)等。按常規(guī)處理方法,本文也1t+(13)將各區(qū)域的進(jìn)口作為漏風(fēng)點(diǎn)13各區(qū)模型將式(13)代人式(11),可得到首先考慮漏風(fēng)影響對進(jìn)口焓值的改變-2B(14=I+△a1l1+△a2l2將式(14積分得到弧度為B處的流體出口溫度式中:!,分別為考慮漏風(fēng)前后進(jìn)口溫度對應(yīng)的焓值;R B△a1、△a2為相鄰兩區(qū)對應(yīng)的漏風(fēng)系數(shù),漏進(jìn)為正,漏出i, n (B)=t, n-1+Ci.ne(15)為負(fù);1,l為相鄰兩區(qū)對應(yīng)的平均焓值。式中R。=-2B。(A+2);Cm為常數(shù)。然后由新的焓值求出新的進(jìn)口溫度,再用差分替將式(15)代人式(12)得到金屬蓄熱板過轉(zhuǎn)子圓心代式(3)中的微分,并用考慮漏風(fēng)影響后各區(qū)流體進(jìn)出的豎直切面平均溫度口的平均溫度作為流體傳熱溫度,可得各區(qū)傳熱和蓄tmi.(B)R月=t:+熱關(guān)系式:江蘇電機(jī)工程由式(15)積分,可得各個分倉流體的平均出口溫度為假設(shè)煙氣出口溫度月。t,(4=B0(m+C)48(17)二次風(fēng)出口溫度次風(fēng)出口溫度式中:月為第j區(qū)在空氣預(yù)熱器中所占的孤度,ad計(jì)算考慮漏風(fēng)影響后各若已知流體進(jìn)口平均溫度和出口平均溫度,可將個區(qū)的進(jìn)口流體溫度已知條件代入式(17)求解積分方程式得到常數(shù),從而計(jì)算得出各個區(qū)金屬板由式(16)求得金屬蓄熱板豎直切面進(jìn)口平均溫度:進(jìn)出口溫度2+Amn(0)=la1+2A(18)和出口平均溫度判斷金屬板煙氣區(qū)出口與二次風(fēng)區(qū)進(jìn)口溫度Emi, n P/-. -/*4風(fēng)區(qū)出口與一次風(fēng)區(qū)進(jìn)口溫度N次風(fēng)區(qū)出口與煙氣區(qū)進(jìn)口溫度是否相等14求解的唯一性整個空氣預(yù)熱器共分成6個區(qū),每個區(qū)都有3個方程,即式(14)、(15)和(16),共有18個方程。另外每個相鄰區(qū)金屬蓄熱板溫度相等,增加6個方程。這樣圖3每段的計(jì)算流程整個空氣預(yù)熱器合計(jì)有24個方程。每個區(qū)都有4個漏風(fēng)影響時(shí),先考慮漏風(fēng)對進(jìn)口流體溫度、流量的影未知數(shù),即1n,Cn,mn(0)和tnn(B),共有24個未響再按照模型計(jì)算流體出口溫度及金屬蓄熱板溫度。知數(shù),與24個方程相對應(yīng),可解得唯一解。(2)考慮到煙氣側(cè)及空氣側(cè)的散熱,文獻(xiàn)采用與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)一致的方法,計(jì)算A,時(shí),在其分母上乘以保2計(jì)算溫系數(shù),即A1n=anH1n/2 TCn,Po,Wa,a1n21計(jì)算步驟(3)考慮到受熱面污染、未完全沖刷等因素的影根據(jù)文中計(jì)算模型可分別對冷熱段各個倉進(jìn)行響在計(jì)算換熱系數(shù)a。時(shí),考慮熱利用系數(shù)的影響。計(jì)算,由式(17)、(18)和(19)迭代求解出各個區(qū)流體4)在計(jì)算A,,B時(shí),涉及到計(jì)算各參數(shù),有些的出口平均溫度。每段的計(jì)算流程如圖3所示,其總參數(shù)的計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)中沒有涉及。因?yàn)闊煔馐怯筛鞣N氣體計(jì)算步驟為:體混合而成,所以煙氣的部分參數(shù)計(jì)算如下1)已知熱段煙氣進(jìn)口平均溫度、冷段一次風(fēng)及二次風(fēng)進(jìn)口平均溫度,假定熱段、冷段煙氣出口平均r(+aLo)T溫度,熱段、冷段二次風(fēng)出口平均溫度,熱段、冷段式中h,為平均煙焓,J/kg;Lo為完全燃燒lkg燃料次風(fēng)出口平均溫度,考慮漏風(fēng)影響得到新的進(jìn)口溫理論上需要的空氣質(zhì)量kg度、流速等參數(shù),由式(17)得到常數(shù)C1,C12,最后由G B式(15)和式(18)得到熱段、冷段煙氣區(qū)金屬蓄熱板的Prwr--進(jìn)出口平均溫度tmn,t"mnn;式中G為1kg燃料煙氣質(zhì)量kg/kg;B為計(jì)算燃料(2)按照煙氣區(qū)求解的方法,得出二次風(fēng)區(qū)金屬消耗量,kg/s?？諝獾牟糠謪?shù)如下:蓄熱板的進(jìn)出口平均溫度tnn,;P=&。B(22)(3)按照煙氣區(qū)求解的方法,得出一次風(fēng)區(qū)金屬其余參數(shù)可參考文獻(xiàn)[8]計(jì)算獲得。蓄熱板的進(jìn)出口平均溫度tnn,"m3n;4)最后將冷熱段的金屬蓄熱板進(jìn)出口平均溫3計(jì)算結(jié)果及分析度進(jìn)行比較若滿足:|m-tma2|k