鍋爐熱力計算中傳熱系數(shù)類庫的實現(xiàn)

1、鍋爐熱力計算中傳熱系數(shù)類庫的實現(xiàn)陸 明 （東南大學動力系，江蘇南京210096）摘要：通過對煙氣、空氣和水蒸汽的物性參數(shù)進行擬合，直接采用煙氣、蒸汽側(cè)對流傳熱系數(shù)公式計算對流換熱系數(shù)，進一步實現(xiàn)鍋爐對流受熱面的傳熱系數(shù)類庫編制，從而可以不再采用傳統(tǒng)的查圖求取的方法，提高計算的精度和效率。關(guān)鍵詞：物性參數(shù)；類庫；對流換熱系數(shù) 鍋爐熱力計算是進行鍋爐工況校核的常用方法。在鍋爐受熱面的熱力計算中，計算傳熱系數(shù)是至關(guān)重要的，它的計算由于涉及諸多參數(shù)和圖表，使得傳熱系數(shù)的計算比較繁瑣。為提高鍋爐熱力計算的效率，采用計算機對各個圖表進行擬合是常用的方法；本文以對流受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算為例，參照前蘇聯(lián)的熱力計

2、算標準方法3，對計算式中需要用到的物性參數(shù)，對煙氣、蒸汽以及空氣的物性參數(shù)進行擬合，介紹鍋爐受熱面的傳熱系數(shù)類庫的實現(xiàn)。1傳熱系數(shù)的計算方法對流換熱系數(shù)是表征對流換熱強弱的指標，它與流體的物性、流動狀態(tài)、溫度、管束的布置結(jié)構(gòu)、沖刷方式（縱向、橫向或斜向）、管壁溫度等因素有關(guān)。鍋爐對流受熱面中的對流換熱是一種氣體橫向或縱向沖刷管束的強迫對流換熱，工程中應(yīng)用相似理論來進行分析，得到放熱系數(shù)計算式。一般表示為式中C考慮各種影響因素的修正系數(shù)；Re、Pr分別為雷諾數(shù)和普朗特數(shù)。鍋爐受熱面的傳熱系數(shù)與對流換熱系數(shù)的關(guān)系可以表示為式中K傳熱系數(shù)；     1管外工質(zhì)

3、（通常為煙氣）對流換熱系數(shù)；     2管內(nèi)工質(zhì)對流換熱系數(shù)；     根據(jù)受熱面不同，選取污染系數(shù)，熱有效系數(shù)，利用系數(shù)。11傳熱系數(shù)計算的常用方法傳統(tǒng)的熱力計算中對于對流換熱系數(shù)的求取，一般是通過圖表法，即由煙氣（蒸汽）流速、管徑查取0，再由管排數(shù)、節(jié)距、煙氣溫度、煙氣中水蒸汽（rH2 O）含量等數(shù)值查出各個修正系數(shù)，由式求出煙氣或蒸汽的值。另外可以在計算機上將以上各個圖表擬合成程序，以便采用計算機進行計算，省卻查圖的煩瑣，提高計算效率。實際上這種方法也是在各個圖表的非連續(xù)處進行插值，其原始數(shù)據(jù)來源就是圖表，所

4、以它對于計算的精度并沒有提高，也是屬于查圖法的一種變形。12傳熱系數(shù)計算的改進方法鍋爐熱力計算中查取對流換熱系數(shù)的圖表，它們實際的來源是將鍋爐機組熱力計算標準方法中的各個對流換熱系數(shù)的計算公式，將各個公式及修正系數(shù)制成線算圖，用于查取對流換熱系數(shù)，如煙氣橫向沖刷順列管束的對流換熱系數(shù)為式中A常數(shù)；      Cs，Cz修正系數(shù)；  d管徑；      ，Re，Pr工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)、雷諾數(shù)、普朗特數(shù)。由公式到圖表，會帶來一定誤差；再由圖表查取對流換熱系數(shù)，將帶來更大的誤差，可見傳統(tǒng)的計算方

5、法會直接導(dǎo)致查取的對流換熱系數(shù)的不準確，進而使鍋爐熱力計算的結(jié)果產(chǎn)生一定的不準確性。為求取各類對流放熱系數(shù)，總共用到的查取對流放熱系數(shù)的圖表有5處，各類修正系數(shù)的圖表有13處。進行圖表擬合將需要50006000組數(shù)據(jù)。而采用理論公式來求取對流放熱系數(shù)，總共需要的數(shù)據(jù)量在700800組之間，可見采用此種方法來進行對流放熱系數(shù)計算的工作量也小得多。改進的方法是從理論公式直接入手，則可將對流換熱系數(shù)誤差控制在最小。要做到這一點，必須從工質(zhì)物性入手，對工質(zhì)的物性（Pr，a，等）進行擬合，再根據(jù)工質(zhì)所處的工況采用式（14）即可求得。上述原理，是著手進行傳熱系數(shù)類庫開發(fā)的理論基礎(chǔ)。2對流傳熱系數(shù)類庫的組成

6、在面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)中，“類”是對具有相同數(shù)據(jù)和相同操作的一組相似對象的定義，也就是說類是對具有相同屬性和行為的一個或多個對象的描述。繼承是指子類能夠直接獲得父類已有的性質(zhì)和特性，而不必重復(fù)定義它們。繼承是類的一個很重要的屬性，它使得相似的對象可以共享程序代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而大大減少了程序的冗余信息。21對流傳熱系數(shù)類庫的組成由以上分析可知，對流傳熱系數(shù)類庫組成的關(guān)鍵應(yīng)該是煙氣、空氣和蒸汽的物性類庫，它們是傳熱系數(shù)類庫的基礎(chǔ)。傳熱系數(shù)類庫由以下幾部分組成：22物性參數(shù)類庫的組成（1）煙氣物性參數(shù)類庫和空氣物性參數(shù)類庫的組成類庫分別包括求取煙氣和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，運動粘度和普朗特數(shù)Pr的函數(shù)。&#

7、160;   （2）水蒸汽物性參數(shù)類庫的組成此類庫包括水蒸汽焓h、水蒸汽比容v、水蒸汽定壓比熱CP、水蒸汽動力粘度、水蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)、水蒸汽普朗特數(shù)Pr、水蒸汽運動粘度七個函數(shù)。23換熱系數(shù)類庫的組成煙氣、空氣對流換熱系數(shù)類庫的組成包括煙氣橫向沖刷順列管束的對流換熱系數(shù)，煙氣橫向沖刷錯列管束的對流換熱系數(shù)，煙氣縱向沖刷管束的對流換熱系數(shù)，空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)的對流換熱系數(shù)以及空氣預(yù)熱器空氣側(cè)的對流換熱系數(shù)五個函數(shù)。3對流傳熱系數(shù)類庫的實現(xiàn)31物性參數(shù)類庫的實現(xiàn)311煙氣、空氣物性參數(shù)類庫空氣的物性參數(shù)主要在計算空氣預(yù)熱系數(shù)空氣側(cè)換熱系數(shù)時用到，它的主要物性參數(shù)包括運動粘度、導(dǎo)熱系

8、數(shù)、普朗特數(shù)Pr均符合以下關(guān)聯(lián)式式中T空氣的絕對溫度，單位K；      X（T）對應(yīng)溫度T的空氣物性參數(shù)；  A（N）擬合數(shù)組。它的適用范圍在2501050 K，完全滿足空氣預(yù)熱器空氣側(cè)所處的溫度要求。影響煙氣物性參數(shù)的因素除了溫度外，還有煙氣中水蒸汽份額，需要用到的物性參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)、普朗特數(shù)Pr、運動粘度。它們符合以下關(guān)聯(lián)式式中r煙氣中蒸汽份額；      T煙氣溫度；      X（r，T）實際煙氣的物性參數(shù)；312水蒸汽物性

9、參數(shù)類庫水蒸汽隨著它所處的區(qū)域不同，它的物性參數(shù)計算公式也不相同，整個水蒸汽物性參數(shù)一般可以分為4大部分：過冷水區(qū)及飽和水區(qū)、不飽和蒸汽區(qū)及飽和蒸汽區(qū)、過熱蒸汽區(qū)、濕蒸汽區(qū)。水蒸汽物性參數(shù)在工程計算中，采用IFC67標準就可以滿足計算的精度要求。水蒸汽物性參數(shù)類庫涉及焓（H）、熵（S）、比容（V）這三個常用量。求取它們的公式參見文獻1。對于鍋爐對流受熱面的熱力計算，蒸汽均處于過熱狀態(tài)，只需采用蒸汽過熱區(qū)的算式。同時，在熱力計算中所用到的物性參數(shù)還有運動粘度（）、動力粘度（）、導(dǎo)熱系數(shù)（）、定壓比熱（Cp）以及普朗特數(shù)（Pr）。這需要將以上幾個物性參數(shù)計算式進行推導(dǎo)。動力粘度式中T，P蒸汽的絕對

10、溫度、密度； Hi，Hij系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)采用南山（Minamiyama）等人的導(dǎo)熱系數(shù)方程，它已被選用為國際計算公式2，其結(jié)構(gòu)簡單，能較好地適合蒸汽區(qū)的臨界等溫線處的微小不連續(xù)性。該方程為式中ai，bi，Bi，Ci，di，Q，R系數(shù)；      T，P臨界點溫度、比容；  T，P蒸汽溫度、比容。    定壓比熱    定壓比熱的理論計算公式如式（310），在實際定壓比熱的求取相對以上的物性參數(shù)來說，難度及計算量相對較大，式（311）的計算精度不如式（312），本類庫采用式（3

11、12）來進行計算。    以上各式中    pc1，Tc1，vc1臨界點壓力、溫度、比容；    ，對比態(tài)焓，熵；    1常數(shù)；    TTc1，對比態(tài)溫度；    ppc1，對比態(tài)壓力；    ，對比態(tài)自由焓。由以上可知，水蒸汽物性參數(shù)擬合這一部分的工作量比前一部分大，而且許多物性參數(shù)之間又是相互關(guān)聯(lián)的，所以在對水蒸汽物性參數(shù)擬合時要按照順序擬合，一步步的完成，同時要控制每個物性參數(shù)

12、的擬合誤差，否則一步步的推進，將導(dǎo)致后幾項的誤差增大。32對流換熱系數(shù)類庫的實現(xiàn)321煙氣側(cè)對流換熱系數(shù)類庫采取的計算式為前蘇聯(lián)熱力計算標準采用的計算方法3，按照煙氣流向和管束的排列，采用的算式如下：    煙氣橫向沖刷順列管束的對流換熱系數(shù)    煙氣橫向沖刷錯列管束的對流換熱系數(shù)空氣預(yù)熱器空氣和煙氣兩側(cè)的對流換熱系統(tǒng)的計算式形式是一樣的，計算時調(diào)用各自的物性參數(shù)類庫即可。322蒸汽側(cè)對流換熱系數(shù)類庫鍋爐對流受熱面內(nèi)蒸汽在管內(nèi)均為縱向沖刷，且為過熱狀態(tài)（即為單相介質(zhì)），所以蒸汽側(cè)對流換熱系數(shù)算式采用計算時引用過熱區(qū)水蒸汽的物性參數(shù)。

13、4總結(jié)在某廠2000th鍋爐的熱力計算中運用了傳熱系數(shù)類庫進行對流受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算，無論在結(jié)果精度和運用便捷性上，傳熱系數(shù)類庫的實現(xiàn)對于鍋爐對流受熱面的計算帶來了很大方便。和傳統(tǒng)的計算方法相比，它具有以下優(yōu)點：便捷性。從在實際計算中的運用對比，應(yīng)用編制類庫比傳統(tǒng)查圖方法更便捷，計算速度更快，傳統(tǒng)的查圖方法由于過于繁瑣，直接導(dǎo)致計算效率偏低；運用計算機進行計算后，由于類庫的實現(xiàn)可以直接調(diào)用，大大提高了計算速度。準確性。此類庫由于直接從制成線算圖的對流換熱系數(shù)的計算公式入手，進行物性參數(shù)的推導(dǎo)、編制；避免了對線算圖進行插值編程計算對流換熱系數(shù)，在一定程度上也會提高計算精確度。靈活性。此類庫不僅在計算對流受熱面的換熱系數(shù)時可以調(diào)用，而且類庫中的函數(shù)亦可以在鍋爐熱力計算中其他部分使用。如：在計算鍋爐爐膛的輻射熱量時，就可以調(diào)用煙氣輻射換熱系數(shù)類庫煙氣黑度函數(shù)計算煙氣黑度。可擴充性。對于此類庫，由于各個函數(shù)目標明確，調(diào)用時比較方便。對其中的物性參數(shù)類庫進行擴充可以使