冷却器并联冷却管内水流分配特性分析与应用

引言

澜沧江流域蕴藏着丰富的水能资源、有色金属资源、旅游资源和生物资源。早在1985年,国家计委就将澜沧江中游地区选为水电-有色金属基地,列为国家19个重点开发区之一。澜沧江流域在经济得到发展的同时,也出现了水质污染等环境问题。近年来,该流域多个水电站发电机空气冷却器、油冷却器相继进入检修更换阶段,电厂检修过程中发现,冷却管入口处在水流长期冲刷下普遍存在管壁厚度不均、管板胀接处漏水问题,给冷却器的使用性能及寿命带来较大影响。

本文采用CFD软件对3种结构的冷却器结构模型进行了仿真分析,发现水流分配器对冷却器内水流分配特性有着显著影响,并将分析结果应用于冷却器产品中。

1冷却器并联冷却管几何模型

冷却器内流量分布状况最终取决于流体压力沿轴向的变化,而压力的变化规律则受以下两个方面因素的制约:（1）沿程摩擦阻力:（2）分流和汇流造成的流体动量的沿程变化。

图1为常规不带水流分配器的冷却器模型,冷却水从下方入口进入后,通过下水箱分别进入冷却管中,然后在上水箱内汇流后经出口流出。图2为改型不带水流分配器的冷却器模型,通过对冷却器下水箱结构进行更改,改变水流进入冷却管管口的方向,以此来达到改

善水流分配特性的目的。图3为在图1结构基础上加装水流分配器的冷却器模型,通过加装水流分配器,改变冷却水在水箱中的运动形态,改善各冷却管内水流分布,同时减少冷却水对冷却管口的冲刷腐蚀。图4为模型几何坐标图。

2数学模型

采用有限元方法对模型中流体的流动状态进行数值模拟,湍流模型运用k-E二方程模型,介质服从质量守恒定律和动量守恒定律。工作流体为液态水,质量守恒方程、动量守恒方程和湍流附加方程如下:

质量守恒方程:

式中:u、p和w分别为速度在x、y和:方向上的分量。

动量守恒方程:

式中:p为运动粘度:p为压力:g为重力加速度。

k-ε湍流方程:

3数值模拟结果

3.1速度矢量图

通过3CF数值模拟,分别得到1种模型的速度矢量图,如图D、图5、图6所示。

结果分析:

（1）图D一进水口两侧会形成较大的漩涡,正对入口位置及靠近出口位置的冷却管管内水速较高,左起第4根冷却管管内水速极低,靠近右侧漩涡顶端的冷却管入口处水速极高。

（2）图6一进水口两侧会形成漩涡)略小于图5）,正对入口位置及靠近出口位置的冷却管管内水速较高,左起第4根冷却管管内水速极低,靠近右侧漩涡顶端的冷却管入口处水速极高。

（3）图7一进水口两侧无明显漩涡,通过水流分配器后进入冷却管内的水速较均匀,冷却管各入口处无极高水速情况。

（4）通过对比可以看出,图3模型打散了进水口两侧的漩涡,水速极高位置出现在水流分配器上,减少了冷却水对冷却管入口的冲刷:水流分配器能有效改善各冷却管内水速分布,使管内水速趋向均匀。

3.2Y=120处管内水速分布图

通过CFD数值模拟,分别得到3种模型在Y=120处冷却管管内水速分布对比,如图8所示。

结果分析:

（1）图1模型一编号5、6、9、10的冷却管内水速较高,编号3、7、8的冷却管内水速较低,编号4的冷却管内水速极低。

（2）图2模型一编号5、6、9、10的冷却管内水速较高,编号7的冷却管内水速较低,编号4的冷却管内水速极低。

（3）图3模型一除编号10的冷却管内水速较高外,其余管内水速分布趋向均匀。

（4）通过对比可以看出,相比于图1模型,图2模型改善了编号6的冷却管内水速,但对编号4的冷却管内水速无改善效果,其余冷却管内水速趋向均匀:相比于图1模型和图2模型,图3模型对冷却管内水速分布均匀性改善效果明显。

3.3冷却管进出水口压力分布图

通过CFD数值模拟,分别得到3种模型在冷却管入口P1)Y=50）、出口P2)Y=190）处的水压,并计算得出压差比AP,对比如图9所示。

图93种模型压差比对比图

结果分析:

（1）图1模型一编号3、7、8的冷却管内压差比为负值,编号4的冷却管内压差比为1%。

（2）图2模型一编号7、8的冷却管内压差比为负值,编号4的冷却管内压差比为0%。

（3）图3模型一编号7的冷却管内压差比为负值,其余压差比趋向均匀。

)4）通过3种模型压差比对比图可以看出,相比于图1模型,图2模型改善了压差分布,但是编号4的冷却管存在恶化趋势:相比于图1模型和图2模型,图3模型压差分布趋于均匀,改善效果明显。

4水流分配器在水电机组配套冷却器上的应用

基于水流分配器对冷却器中冷却水流的分配作用的分析,技术人员在模型的基础上,设计出水流分配器产品,并成功应用于云南澜沧江流域多个电厂发电机空气冷却器中。自这些空气冷却器投运以来,性能稳定可靠。在随后的电厂油冷却器改造中,水流分配器都得到了应用:在新的空气冷却器改造中,电厂也普遍提出了空气冷却器须带水流分配器的要求。可见,根据产品应用效果和电厂需求情况,水流分配器在冷却器产品上应用前景广阔。

5结论

本文通过对冷却器并联冷却管内水流分配特性数值模拟结果的分析,结合其在产品上的应用,可以得出以下结论:

(1）水流分配器能够打散进水口两侧的漩涡区,使水速极高位置出现在水流分配器上,减少冷却水对冷却管入口的冲刷,可以延长冷却器的使用寿命,并提高其工作可靠性:

(2）水流分配器能有效改善各冷却管内水速分布,使管内水速趋向均匀:

(3）水流分配器可以在冷却器产品上推广应用。