鍋爐熱力計(jì)算中傳熱系數(shù)類庫(kù)及實(shí)現(xiàn)

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

2、算標(biāo)準(zhǔn)方法3，對(duì)計(jì)算式中需要用到的物性參數(shù)，對(duì)煙氣、蒸汽以及空氣的物性參數(shù)進(jìn)行擬合，介紹鍋爐受熱面的傳熱系數(shù)類庫(kù)的實(shí)現(xiàn)。1傳熱系數(shù)的計(jì)算方法對(duì)流換熱系數(shù)是表征對(duì)流換熱強(qiáng)弱的指標(biāo)，它與流體的物性、流動(dòng)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(duì)流受熱面中的對(duì)流換熱是一種氣體橫向或縱向沖刷管束的強(qiáng)迫對(duì)流換熱，工程中應(yīng)用相似理論來(lái)進(jìn)行分析，得到放熱系數(shù)計(jì)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?cái)?shù)。鍋爐受熱面的傳熱系數(shù)與對(duì)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(duì)流換熱系數(shù)；     2管內(nèi)工質(zhì)對(duì)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(jì)算的常用方法傳統(tǒng)的熱力計(jì)算中對(duì)于對(duì)流換熱系數(shù)的求取，一般是通過(guò)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(gè)修正系數(shù)，由式求出煙氣或蒸汽的值。另外可以在計(jì)算機(jī)上將以上各個(gè)圖表擬合成程序，以便采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，省卻查圖的煩瑣，提高計(jì)算效率。實(shí)際上這種方法也是在各個(gè)圖表的非連續(xù)處進(jìn)行插值，其原始數(shù)據(jù)來(lái)源就是圖表，所

4、以它對(duì)于計(jì)算的精度并沒(méi)有提高，也是屬于查圖法的一種變形。12傳熱系數(shù)計(jì)算的改進(jìn)方法鍋爐熱力計(jì)算中查取對(duì)流換熱系數(shù)的圖表，它們實(shí)際的來(lái)源是將鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中的各個(gè)對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算公式，將各個(gè)公式及修正系數(shù)制成線算圖，用于查取對(duì)流換熱系數(shù)，如煙氣橫向沖刷順列管束的對(duì)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?cái)?shù)。由公式到圖表，會(huì)帶來(lái)一定誤差；再由圖表查取對(duì)流換熱系數(shù)，將帶來(lái)更大的誤差，可見(jiàn)傳統(tǒng)的計(jì)算方

5、法會(huì)直接導(dǎo)致查取的對(duì)流換熱系數(shù)的不準(zhǔn)確，進(jìn)而使鍋爐熱力計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生一定的不準(zhǔn)確性。為求取各類對(duì)流放熱系數(shù)，總共用到的查取對(duì)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(jìn)行圖表擬合將需要50006000組數(shù)據(jù)。而采用理論公式來(lái)求取對(duì)流放熱系數(shù)，總共需要的數(shù)據(jù)量在700800組之間，可見(jiàn)采用此種方法來(lái)進(jìn)行對(duì)流放熱系數(shù)計(jì)算的工作量也小得多。改進(jìn)的方法是從理論公式直接入手，則可將對(duì)流換熱系數(shù)誤差控制在最小。要做到這一點(diǎn)，必須從工質(zhì)物性入手，對(duì)工質(zhì)的物性（Pr，a，等）進(jìn)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(jìn)行傳熱系數(shù)類庫(kù)開(kāi)發(fā)的理論基礎(chǔ)。2對(duì)流傳熱系數(shù)類庫(kù)的組成

6、在面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)中，“類”是對(duì)具有相同數(shù)據(jù)和相同操作的一組相似對(duì)象的定義，也就是說(shuō)類是對(duì)具有相同屬性和行為的一個(gè)或多個(gè)對(duì)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(gè)很重要的屬性，它使得相似的對(duì)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(duì)流傳熱系數(shù)類庫(kù)的組成由以上分析可知，對(duì)流傳熱系數(shù)類庫(kù)組成的關(guān)鍵應(yīng)該是煙氣、空氣和蒸汽的物性類庫(kù)，它們是傳熱系數(shù)類庫(kù)的基礎(chǔ)。傳熱系數(shù)類庫(kù)由以下幾部分組成：22物性參數(shù)類庫(kù)的組成（1）煙氣物性參數(shù)類庫(kù)和空氣物性參數(shù)類庫(kù)的組成類庫(kù)分別包括求取煙氣和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，運(yùn)動(dòng)粘度和普朗特?cái)?shù)Pr的函數(shù)。&#

7、160;   （2）水蒸汽物性參數(shù)類庫(kù)的組成此類庫(kù)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(dòng)力粘度、水蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)、水蒸汽普朗特?cái)?shù)Pr、水蒸汽運(yùn)動(dòng)粘度七個(gè)函數(shù)。23換熱系數(shù)類庫(kù)的組成煙氣、空氣對(duì)流換熱系數(shù)類庫(kù)的組成包括煙氣橫向沖刷順列管束的對(duì)流換熱系數(shù)，煙氣橫向沖刷錯(cuò)列管束的對(duì)流換熱系數(shù)，煙氣縱向沖刷管束的對(duì)流換熱系數(shù)，空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)以及空氣預(yù)熱器空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)五個(gè)函數(shù)。3對(duì)流傳熱系數(shù)類庫(kù)的實(shí)現(xiàn)31物性參數(shù)類庫(kù)的實(shí)現(xiàn)311煙氣、空氣物性參數(shù)類庫(kù)空氣的物性參數(shù)主要在計(jì)算空氣預(yù)熱系數(shù)空氣側(cè)換熱系數(shù)時(shí)用到，它的主要物性參數(shù)包括運(yùn)動(dòng)粘度、導(dǎo)熱系

8、數(shù)、普朗特?cái)?shù)Pr均符合以下關(guān)聯(lián)式式中T空氣的絕對(duì)溫度，單位K；      X（T）對(duì)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?cái)?shù)Pr、運(yùn)動(dòng)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(shí)際煙氣的物性參數(shù)；312水蒸汽物性

9、參數(shù)類庫(kù)水蒸汽隨著它所處的區(qū)域不同，它的物性參數(shù)計(jì)算公式也不相同，整個(gè)水蒸汽物性參數(shù)一般可以分為4大部分：過(guò)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(guò)熱蒸汽區(qū)、濕蒸汽區(qū)。水蒸汽物性參數(shù)在工程計(jì)算中，采用IFC67標(biāo)準(zhǔn)就可以滿足計(jì)算的精度要求。水蒸汽物性參數(shù)類庫(kù)涉及焓（H）、熵（S）、比容（V）這三個(gè)常用量。求取它們的公式參見(jiàn)文獻(xiàn)1。對(duì)于鍋爐對(duì)流受熱面的熱力計(jì)算，蒸汽均處于過(guò)熱狀態(tài)，只需采用蒸汽過(guò)熱區(qū)的算式。同時(shí)，在熱力計(jì)算中所用到的物性參數(shù)還有運(yùn)動(dòng)粘度（）、動(dòng)力粘度（）、導(dǎo)熱系數(shù)（）、定壓比熱（Cp）以及普朗特?cái)?shù)（Pr）。這需要將以上幾個(gè)物性參數(shù)計(jì)算式進(jìn)行推導(dǎo)。動(dòng)力粘度式中T，P蒸汽的絕對(duì)

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(guó)際計(jì)算公式2，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)溫度、比容；  T，P蒸汽溫度、比容。    定壓比熱    定壓比熱的理論計(jì)算公式如式（310），在實(shí)際定壓比熱的求取相對(duì)以上的物性參數(shù)來(lái)說(shuō)，難度及計(jì)算量相對(duì)較大，式（311）的計(jì)算精度不如式（312），本類庫(kù)采用式（3

11、12）來(lái)進(jìn)行計(jì)算。    以上各式中    pc1，Tc1，vc1臨界點(diǎn)壓力、溫度、比容；    ，對(duì)比態(tài)焓，熵；    1常數(shù)；    TTc1，對(duì)比態(tài)溫度；    ppc1，對(duì)比態(tài)壓力；    ，對(duì)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(duì)水蒸汽物性參數(shù)擬合時(shí)要按照順序擬合，一步步的完成，同時(shí)要控制每個(gè)物性參數(shù)

12、的擬合誤差，否則一步步的推進(jìn)，將導(dǎo)致后幾項(xiàng)的誤差增大。32對(duì)流換熱系數(shù)類庫(kù)的實(shí)現(xiàn)321煙氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)類庫(kù)采取的計(jì)算式為前蘇聯(lián)熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)采用的計(jì)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(duì)流換熱系數(shù)    煙氣橫向沖刷錯(cuò)列管束的對(duì)流換熱系數(shù)空氣預(yù)熱器空氣和煙氣兩側(cè)的對(duì)流換熱系統(tǒng)的計(jì)算式形式是一樣的，計(jì)算時(shí)調(diào)用各自的物性參數(shù)類庫(kù)即可。322蒸汽側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)類庫(kù)鍋爐對(duì)流受熱面內(nèi)蒸汽在管內(nèi)均為縱向沖刷，且為過(guò)熱狀態(tài)（即為單相介質(zhì)），所以蒸汽側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)算式采用計(jì)算時(shí)引用過(guò)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(jì)算中運(yùn)用了傳熱系數(shù)類庫(kù)進(jìn)行對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算，無(wú)論在結(jié)果精度和運(yùn)用便捷性上，傳熱系數(shù)類庫(kù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于鍋爐對(duì)流受熱面的計(jì)算帶來(lái)了很大方便。和傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：便捷性。從在實(shí)際計(jì)算中的運(yùn)用對(duì)比，應(yīng)用編制類庫(kù)比傳統(tǒng)查圖方法更便捷，計(jì)算速度更快，傳統(tǒng)的查圖方法由于過(guò)于繁瑣，直接導(dǎo)致計(jì)算效率偏低；運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算后，由于類庫(kù)的實(shí)現(xiàn)可以直接調(diào)用，大大提高了計(jì)算速度。準(zhǔn)確性。此類庫(kù)由于直接從制成線算圖的對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算公式入手，進(jìn)行物性參數(shù)的推導(dǎo)、編制；避免了對(duì)線算圖進(jìn)行插值編程計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)，在一定程度上也會(huì)提高計(jì)算精確度。靈活性。此類庫(kù)不僅在計(jì)算對(duì)流受熱面的換熱系數(shù)時(shí)可以調(diào)用，而且類庫(kù)中的函數(shù)亦可以在鍋爐熱力計(jì)算中其他部分使用。如：在計(jì)算鍋爐爐膛的輻射熱量時(shí)，就可以調(diào)用煙氣輻射換熱系數(shù)類庫(kù)煙氣黑度函數(shù)計(jì)算煙氣黑度。可擴(kuò)充性。對(duì)于此類庫(kù)，由于各個(gè)函數(shù)目標(biāo)明確，調(diào)用時(shí)比較方便。對(duì)其中的物性參數(shù)類庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充可以使