冷卻器并聯(lián)冷卻管內(nèi)水流分配特性分析與應(yīng)用

引言

瀾滄江流域蘊(yùn)藏著豐富的水能資源、有色金屬資源、旅游資源和生物資源。早在1985年,國家計(jì)委就將瀾滄江中游地區(qū)選為水電-有色金屬基地,列為國家19個(gè)重點(diǎn)開發(fā)區(qū)之一。瀾滄江流域在經(jīng)濟(jì)得到發(fā)展的同時(shí),也出現(xiàn)了水質(zhì)污染等環(huán)境問題。近年來,該流域多個(gè)水電站發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、油冷卻器相繼進(jìn)入檢修更換階段,電廠檢修過程中發(fā)現(xiàn),冷卻管入口處在水流長期沖刷下普遍存在管壁厚度不均、管板脹接處漏水問題,給冷卻器的使用性能及壽命帶來較大影響。

本文采用CFD軟件對(duì)3種結(jié)構(gòu)的冷卻器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了仿真分析,發(fā)現(xiàn)水流分配器對(duì)冷卻器內(nèi)水流分配特性有著顯著影響,并將分析結(jié)果應(yīng)用于冷卻器產(chǎn)品中。

1冷卻器并聯(lián)冷卻管幾何模型

冷卻器內(nèi)流量分布狀況最終取決于流體壓力沿軸向的變化,而壓力的變化規(guī)律則受以下兩個(gè)方面因素的制約:（1）沿程摩擦阻力:（2）分流和匯流造成的流體動(dòng)量的沿程變化。

圖1為常規(guī)不帶水流分配器的冷卻器模型,冷卻水從下方入口進(jìn)入后,通過下水箱分別進(jìn)入冷卻管中,然后在上水箱內(nèi)匯流后經(jīng)出口流出。圖2為改型不帶水流分配器的冷卻器模型,通過對(duì)冷卻器下水箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改,改變水流進(jìn)入冷卻管管口的方向,以此來達(dá)到改

善水流分配特性的目的。圖3為在圖1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加裝水流分配器的冷卻器模型,通過加裝水流分配器,改變冷卻水在水箱中的運(yùn)動(dòng)形態(tài),改善各冷卻管內(nèi)水流分布,同時(shí)減少冷卻水對(duì)冷卻管口的沖刷腐蝕。圖4為模型幾何坐標(biāo)圖。

2數(shù)學(xué)模型

采用有限元方法對(duì)模型中流體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬,湍流模型運(yùn)用k-E二方程模型,介質(zhì)服從質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。工作流體為液態(tài)水,質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和湍流附加方程如下:

質(zhì)量守恒方程:

式中:u、p和w分別為速度在x、y和:方向上的分量。

動(dòng)量守恒方程:

式中:p為運(yùn)動(dòng)粘度:p為壓力:g為重力加速度。

k-ε湍流方程:

3數(shù)值模擬結(jié)果

3.1速度矢量圖

通過3CF數(shù)值模擬,分別得到1種模型的速度矢量圖,如圖D、圖5、圖6所示。

結(jié)果分析:

（1）圖D一進(jìn)水口兩側(cè)會(huì)形成較大的漩渦,正對(duì)入口位置及靠近出口位置的冷卻管管內(nèi)水速較高,左起第4根冷卻管管內(nèi)水速極低,靠近右側(cè)漩渦頂端的冷卻管入口處水速極高。

（2）圖6一進(jìn)水口兩側(cè)會(huì)形成漩渦)略小于圖5）,正對(duì)入口位置及靠近出口位置的冷卻管管內(nèi)水速較高,左起第4根冷卻管管內(nèi)水速極低,靠近右側(cè)漩渦頂端的冷卻管入口處水速極高。

（3）圖7一進(jìn)水口兩側(cè)無明顯漩渦,通過水流分配器后進(jìn)入冷卻管內(nèi)的水速較均勻,冷卻管各入口處無極高水速情況。

（4）通過對(duì)比可以看出,圖3模型打散了進(jìn)水口兩側(cè)的漩渦,水速極高位置出現(xiàn)在水流分配器上,減少了冷卻水對(duì)冷卻管入口的沖刷:水流分配器能有效改善各冷卻管內(nèi)水速分布,使管內(nèi)水速趨向均勻。

3.2Y=120處管內(nèi)水速分布圖

通過CFD數(shù)值模擬,分別得到3種模型在Y=120處冷卻管管內(nèi)水速分布對(duì)比,如圖8所示。

結(jié)果分析:

（1）圖1模型一編號(hào)5、6、9、10的冷卻管內(nèi)水速較高,編號(hào)3、7、8的冷卻管內(nèi)水速較低,編號(hào)4的冷卻管內(nèi)水速極低。

（2）圖2模型一編號(hào)5、6、9、10的冷卻管內(nèi)水速較高,編號(hào)7的冷卻管內(nèi)水速較低,編號(hào)4的冷卻管內(nèi)水速極低。

（3）圖3模型一除編號(hào)10的冷卻管內(nèi)水速較高外,其余管內(nèi)水速分布趨向均勻。

（4）通過對(duì)比可以看出,相比于圖1模型,圖2模型改善了編號(hào)6的冷卻管內(nèi)水速,但對(duì)編號(hào)4的冷卻管內(nèi)水速無改善效果,其余冷卻管內(nèi)水速趨向均勻:相比于圖1模型和圖2模型,圖3模型對(duì)冷卻管內(nèi)水速分布均勻性改善效果明顯。

3.3冷卻管進(jìn)出水口壓力分布圖

通過CFD數(shù)值模擬,分別得到3種模型在冷卻管入口P1)Y=50）、出口P2)Y=190）處的水壓,并計(jì)算得出壓差比AP,對(duì)比如圖9所示。

圖93種模型壓差比對(duì)比圖

結(jié)果分析:

（1）圖1模型一編號(hào)3、7、8的冷卻管內(nèi)壓差比為負(fù)值,編號(hào)4的冷卻管內(nèi)壓差比為1%。

（2）圖2模型一編號(hào)7、8的冷卻管內(nèi)壓差比為負(fù)值,編號(hào)4的冷卻管內(nèi)壓差比為0%。

（3）圖3模型一編號(hào)7的冷卻管內(nèi)壓差比為負(fù)值,其余壓差比趨向均勻。

)4）通過3種模型壓差比對(duì)比圖可以看出,相比于圖1模型,圖2模型改善了壓差分布,但是編號(hào)4的冷卻管存在惡化趨勢(shì):相比于圖1模型和圖2模型,圖3模型壓差分布趨于均勻,改善效果明顯。

4水流分配器在水電機(jī)組配套冷卻器上的應(yīng)用

基于水流分配器對(duì)冷卻器中冷卻水流的分配作用的分析,技術(shù)人員在模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出水流分配器產(chǎn)品,并成功應(yīng)用于云南瀾滄江流域多個(gè)電廠發(fā)電機(jī)空氣冷卻器中。自這些空氣冷卻器投運(yùn)以來,性能穩(wěn)定可靠。在隨后的電廠油冷卻器改造中,水流分配器都得到了應(yīng)用:在新的空氣冷卻器改造中,電廠也普遍提出了空氣冷卻器須帶水流分配器的要求?？梢?根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用效果和電廠需求情況,水流分配器在冷卻器產(chǎn)品上應(yīng)用前景廣闊。

5結(jié)論

本文通過對(duì)冷卻器并聯(lián)冷卻管內(nèi)水流分配特性數(shù)值模擬結(jié)果的分析,結(jié)合其在產(chǎn)品上的應(yīng)用,可以得出以下結(jié)論:

(1）水流分配器能夠打散進(jìn)水口兩側(cè)的漩渦區(qū),使水速極高位置出現(xiàn)在水流分配器上,減少冷卻水對(duì)冷卻管入口的沖刷,可以延長冷卻器的使用壽命,并提高其工作可靠性:

(2）水流分配器能有效改善各冷卻管內(nèi)水速分布,使管內(nèi)水速趨向均勻:

(3）水流分配器可以在冷卻器產(chǎn)品上推廣應(yīng)用。