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逆流板翅式換熱器動態性能的建模與仿真點擊：1937 日期：[ 2014-04-26 21:53:43 ] |
| 逆流板翅式換熱器動態性能的建模與仿真 金曉航 張方偉 劉永文 (上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室，上海200030) 摘要：對間冷回熱燃氣輪機關鍵部件逆流板翅式換熱器進行了動態性能的仿真研究 在考慮氣體工質壓縮性的基礎上，根據換熱器內部冷、熱流體的壓力、流量和溫度的變化和冷熱流道間隔板的熱平衡，建立了逆流板翅式換熱器的動態數學模型，在EASY5平臺上搭建了逆流板翅式換熱器的分布參數模型，并進行了動態的仿真試驗計算。分析結果表明該逆流板翅式換熱器模型較好地實現了對換熱器內部流體流動和換熱的模擬，可以作為部件模塊，用來時間冷回熱燃氣輪機系統性能的仿真研究。 關鍵詞：問冷回熱燃氣輪機；板翅式換熱器；動態；仿真 中圖分類號：TP391．9 文獻標識碼：A 文章編號：1005—7439(2006)03—0096—03 問冷回熱燃氣輪機是在簡單循環的基礎上，增加了壓縮空氣中間冷卻器和尾氣回熱器后組成的復雜循環燃氣輪機。這種燃氣輪機可以在寬廣的功率范圍內表現出平坦的耗油率曲線，因此可以改善機組在部分工況下運行的經濟性I1]。在WR-21燃氣輪機中，中冷器和回熱器都采用了逆流板翅式換熱器l2 ；由于換熱器的好壞直接影響到間冷回熱燃氣輪機的性能，因此對作為問冷回熱燃氣輪機關鍵技術之一的換熱器的性能研究是分析問冷回熱燃氣輪機性能的基礎。 通常換熱器的建?？偸歉鶕|量、動量、能量守恒和熱平衡建立一組非線性偏微分方程，采用這種方法求解條件苛刻，困難較大。本文通過對流體系統的分析引入了容積環節和阻性環節，并在這個基礎上建立了一組以常微分方程為主的換熱器動態數學模型，這樣可以大大簡化方程組的求解。結合功能強大的EASY5仿真軟件，能夠方便地實現對換熱器內部流體流動和換熱的模擬。計算結果分析表明所建立的換熱器模型可以作為部件模塊用來對間冷回熱燃氣輪機系統性能的仿真研究 l 數學模型 1．1 容性部件和阻性部件 間冷回熱燃氣輪機中流體系統的部件可以分為3大類：容性部件、阻性部件和容／阻性部件。容性部件主要體現為對流體的存貯作用(如氣包容器)，忽略對流體的阻力作用，特性方程為： 式中：P為壓力；r為時間；R為摩爾氣體常數；T為溫度；V為體積；△G為流量差。 阻性部件(如閥門)體現為對流體的阻力作用，忽略流體的容積后特性方程為： 式中：G為流量；A為截面積；d為當量直徑；L為長度；，為沿程阻力系數；P密度；△P為壓力差。容／阻性部件對流體同時表現出存貯和阻力，(如管道、換熱器等)。 應用特性方程(1)和(2)可直接求解容性環節和阻性環節中流體的流動特性。 1．2 作為阻性和容性部件的換熱器 本文對平直型翅片的逆流板翅式換熱器(圖1)建立了分布參數模型，模型忽略換熱器與外部環境的熱交換、流體的粘性耗散效應和縱向導熱；并假定同一截面內流體溫度、速度和壓力相同，流體沿軸向一維水平流動，并無內部環流。 考慮換熱器冷流或熱流道上長度為△z的微元體(圖2)，把它作為一個容性環節S和一個阻性環節R 串接來處理。微元體的進口壓力和流量分別為Gi，Pi，出口壓力和流量為Gi+1，Pi+1。聯合容性和阻性部件的特性方程，再結合微元體內熱量的增量等于外界與該微元體傳遞的能量差的守恒方程，建立了完整的換熱器動態數學模型。 式中：A為流道的截面積，10為流體的密度，C為流體的比熱容，a為換熱系數，S為換熱面積，U為流道濕周，△z為微元體的長度。另外，式中的下標h為熱流體，C為冷流體，w為管壁。 管壁的能量守恒方程： 2 仿真計算與分析 根據前面建立的數學模型，在EASY5仿真平臺上搭建了逆流板翅式換熱器的分布參數模型，采用BCS Gear算法，對換熱器模型進行了動態性能的仿真試驗。換熱器中的熱流體和冷流體的流量都為70 kg／s，出El壓力都為100 kPa，熱流體的進口溫度為600 K，冷流體的進口溫度為500 K。仿真結果給出了當熱流體進El溫度從600 K階躍到650 K以及熱流體進El流量從70 kg／s階躍到80 kg／s時，換熱器冷、熱流體出口溫度的動態響應。 如圖3所示，換熱器的響應時間大約為15s。熱流體的進口溫度發生變化后熱流體的出El溫度變化得很快，經過0．2s左右高溫流體到達換熱器出El，隨后熱流出El溫度變化趨緩(圖4)。流量變化對出口溫度的影響相對小些，開始階段熱流出El溫度變化較快：這是因為氣體的可壓縮性，熱流出口流量并不是立刻變為8O kg／s，而是經過一個短暫的過渡過程，當流量達到平衡時溫度變化就趨緩，參見圖5和圖6。 圖5換熱器出口溫度對熱流流量的變化的響應特性 3 結束語 緊湊式換熱器(中冷器和回熱器)技術是問冷回熱燃氣輪機的關鍵技術之一。對緊湊式換熱器的性能的研究，是研究問冷回熱燃氣輪機系統性能的基礎。本文建立的換熱器仿真模型考慮了氣體工質的可壓縮性和換熱器的容積效應，較好地實現了對換熱器內部流體流動和換熱的模擬，分析表明可以作為部件模塊，用來對間冷回熱燃氣輪機系統性能的仿真研究。 參考文獻： [1] 張方偉．張會生，蘇明．中冷回熱循環燃氣輪機技術[J]．船舶工程，2004。26(2)：7-9． [2] Michael Valenti．A turbine for tomorrow s Navy[J]．Mechanical Engineering．September 1995，l17(9)：70—73． [3] 劉永文．基于通用平臺的系統建模和半物理仿真及其在艦船動力裝置中的應用[D]．上海交通大學博士學位論文，2002． |
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