锅炉热力计算中传热系数类库的实现

qimingxing

　摘　要：通过对烟气、空气和水蒸汽的物性数进行拟合，直接采用烟气、蒸汽侧对流传热系数公式计算对流换热系数，进一步实现锅炉对流受热面的传热系数类库编制，从而可以不再采用传统的查图求取的方法，提高计算的精度和效率。
　　关键词：物性参数；类库；对流换热系数
　　锅炉热力计算进行锅炉工况校核的常用方法。在锅炉受热面的热力计算中，计算传热系数是至关重要的，它的计算由于涉及诸多参数和图表，使得传热系数的计算比较繁琐。
　　为提高锅炉热力计算的效率，采用计算机对各个图表进行拟合是常用的方法；本文以对流受热面传热系数计算为例，参照前苏联的热力计算标准方法［3］，对计算式中需要用到的物性参数，对烟气、蒸汽以及空气的物性参数进行拟合，介绍锅炉受热面的传热系数类库的实现。
　　1　传热系数的计算方法
　　对流换热系数是表征对流换热强弱的指标，它与流体的物性、流动状态、温度、管束的布置结构、冲刷方式（纵向、横向或斜向）、管壁温度等因素有关。锅炉对流受热面中的对流换热是一种气体横向或纵向冲刷管束的强迫对流换热，工程中应用相似理论来进行分析，得到放热系数计算式。一般表示为
　　式中　c———考虑各种影响因素的修正系数；
　　re、pr———分别为雷诺数和普朗特数。
　　锅炉受热面的传热系数与对流换热系数的关系可以表示为
　　式中　k———传热系数；
　　 α1———管外工质（通常为烟气）对流换热系数；
　　 α2———管内工质对流换热系数；
　　 ε———根据受热面不同，选取污染系数ε，热有效系数ψ，利用系数ζ。
　　1．1　传热系数计算的常用方法
　　传统的热力计算中对于对流换热系数α的求取，一般是通过图表法，即由烟气（蒸汽）流速、管径查取α0，再由管排数、节距、烟气温度、烟气中水蒸汽（rh2 o）含量等数值查出各个修正系数，由式
　　求出烟气或蒸汽的α值。
　　另外可以在计算机上将以上各个图表拟合成程序，以便采用计算机进行计算，省却查图的烦琐，提高计算效率。实际上种方法也是在各个图表的非连续处进行插值，其原始数据来源就是图表，所以它对于计算的精度并没有提高，也是属于查图法的一种变形。
　　1．2　传热系数计算的改进方法
　　锅炉热力计算中查取对流换热系数的图表，它们实际的来源是将《锅炉机组热力计算标准方法》中的各个对流换热系数的计算公式，将各个公式及修正系数制成线算图，用于查取对流换热系数，如烟气横向冲刷顺列管束的对流换热系数为
　　式中　a———常数；
　　 cs，cz———修正系数；
　　 d———管径；
　　 λ，re，pr———工质的导热系数、雷诺数、普朗特数。
　　由公式到图表，会带来一定误差；再由图表查取对流换热系数，将带来更大的误差，可见传统的计算方法会直接导致查取的对流换热系数的不准确，进而使锅炉热力计算的结果产生一定的不准确性。
　　为求取各类对流放热系数，总共用到的查取对流放热系数的图表有5处，各类修正系数的图表有13处。进行图表拟合将需要5000～6000组数据。而采用理论公式来求取对流放热系数，总共需要的数据量在700～800组之间，可见采用此种方法来进行对流放热系数计算的工作量也小得多。
　　改进的方法是从理论公式直接入手，则可将对流换热系数误差控制在最小。要做到这一点，必须从工质物性入手，对工质的物性（pr，ν，a，λ等）进行拟合，再根据工质所处的工况采用式（1－4）即可求得α。
　　上述原理，是着手进行传热系数类库开发的理论基础。
　　2　对流传热系数类库的组成
　　在面向对象的软件技术中，“类”是对具有相同数据和相同操作的一组相似对象的定义，也就是说类是对具有相同属性和行为的一个或多个对象的描述。继承是指子类能够直接获得父类已有的性质和特性，而不必重复定义它们。继承是类的一个很重要的属性，它使得相似的对象可以共享程序代码和数据结构，从而大大减少了程序的冗余信息。
　　2．1　对流传热系数类库的组成
　　由以上分析可知，对流传热系数类库组成的关键应该是烟气、空气和蒸汽的物性类库，它们是传热系数类库的基础。传热系数类库由以下几部分组成：
　　2．2　物性参数类库的组成
　　（1）烟气物性参数类库和空气物性参数类库的组成
　　类库分别包括求取烟气和空气的导热系数λ，运动粘度ν和普朗特数pr的函数。
　　 （2）水蒸汽物性参数类库的组成
　　此类库包括水蒸汽焓h、水蒸汽比容v、水蒸汽定压比热cp、水蒸汽动力粘度ν、水蒸汽导热系数λ、水蒸汽普朗特数pr、水蒸汽运动粘度μ七个函数。
　　2．3　换热系数类库的组成
　　烟气、空气对流换热系数类库的组成包括烟气横向冲刷顺列管束的对流换热系数，烟气横向冲刷错列管束的对流换热系数，烟气纵向冲刷管束的对流换热系数，空气预热器烟气侧的对流换热系数以及空气预热器空气侧的对流换热系数五个函数。
　　3　对流传热系数类库的实现
　　3．1　物性参数类库的实现
　　3．1．1　烟气、空气物性参数类库
　　空气的物性参数主要在计算空气预热系数空气侧换热系数时用到，它的主要物性参数包括运动粘度μ、导热系数λ、普朗特数pr均符合以下关联式
　　式中　t———空气的绝对温度，单位k；
　　 x（t）———对应温度t的空气物性参数；
　　 　a（n）———拟合数组。
　　它的适用范围在250～1050 k，完全满足空气预热器空气侧所处的温度要求。
　　影响烟气物性参数的因素除了温度外，还有烟气中水蒸汽份额，需要用到的物性参数包括导热系数λ、普朗特数pr、运动粘度ν。它们符合以下关联式
　　式中　r———烟气中蒸汽份额；
　　 t———烟气温度；
　　 x（r，t）———实际烟气的物性参数；
　　3．1．2　水蒸汽物性参数类库
　　水蒸汽随着它所处的区域不同，它的物性参数计算公式也不相同，整个水蒸汽物性参数一般可以分为4大部分：过冷水区及饱和水区、不饱和蒸汽区及饱和蒸汽区、过热蒸汽区、湿蒸汽区。
　　水蒸汽物性参数在工程计算中，采用ifc67标准就可以满足计算的精度要求。水蒸汽物性参数类库涉及焓（h）、熵（s）、比容（v）这三个常用量。求取它们的公式参见文献［1］。
　　对于锅炉对流受热面的热力计算，蒸汽均处于过热状态，只需采用蒸汽过热区的算式。同时，在热力计算中所用到的物性参数还有运动粘度（ν）、动力粘度（μ）、导热系数（λ）、定压比热（cp）以及普朗特数（pr）。这需要将以上几个物性参数计算式进行推导。
　　①动力粘度
　　式中　t，p———蒸汽的绝对温度、密度；
　　 hi，hij———系数。
　　②导热系数　采用南山（minamiyama）等的导热系数方程，它已被选用为际计算公式［2］，其结构简单，能较好地适合蒸汽区的临界等温线处的微小不连续性。该方程为
　　式中　ai，bi，bi，ci，di，q，r———系数；
　　 t＊，p＊———临界点温度、比容；
　　 t，p———蒸汽温度、比容。
　　 ③定压比热
　　 定压比热的理论计算公式如式（3－10），在实际
　　定压比热的求取相对以上的物性参数来说，难度及计算量相对较大，式（3－11）的计算精度不如式（3－12），本类库采用式（3－12）来进行计算。
　　 以上各式中
　　 pc1，tc1，vc1———临界点压力、温度、比容；
　　 ε，σ———对比态焓，熵；
　　 α1———常数；
　　 θ＝t／tc1，对比态温度；
　　 β＝p／pc1，对比态压力；
　　 ζ＝ε－θσ，对比态自由焓。
　　由以上①～③可知，水蒸汽物性参数拟合这一部分的工作量比前一部分大，而且许多物性参数之间又是相互关联的，所以在对水蒸汽物性参数拟合时要按照顺序拟合，一步步的完成，同时要控制每个物性参数的拟合误差，否则一步步的推进，将导致后几项的误差增大。
　　3．2　对流换热系数类库的实现
　　3．2．1　烟气侧对流换热系数类库
　　采取的计算式为前苏联热力计算标准采用的计算方法［3］，按照烟气流向和管束的排列，采用的算式如下：
　　 ①烟气横向冲刷顺列管束的对流换热系数
　　 ②烟气横向冲刷错列管束的对流换热系数
　　空气预热器空气和烟气两侧的对流换热系统的计算式形式是一样的，计算时调用各自的物性参数类库即可。
　　3．2．2　蒸汽侧对流换热系数类库
　　锅炉对流受热面内蒸汽在管内均为纵向冲刷，且为过热状态（即为单相介质），所以蒸汽侧对流换热系数算式采用
　　计算时引用过热区水蒸汽的物性参数。
　　4　总结
　　在某厂2000t／h锅炉的热力计算中运用了传热系数类库进行对流受热面传热系数的计算，无论在结果精度和运用便捷性上，传热系数类库的实现对于锅炉对流受热面的计算带来了很大方便。和传统的计算方法相比，它具有以下优点：
　　①便捷性。从在实际计算中的运用对比，应用编制类库比传统查图方法更便捷，计算速度更快，传统的查图方法由于过于繁琐，直接导致计算效率偏低；运用计算机进行计算后，由于类库的实现可以直接调用，大大提高了计算速度。
　　②准确性。此类库由于直接从制成线算图的对流换热系数的计算公式入手，进行物性参数的推导、编制；避免了对线算图进行插值编程计算对流换热系数，在一定程度上也会提高计算精确度。
　　③灵活性。此类库不仅在计算对流受热面的换热系数时可以调用，而且类库中的函数亦可以在锅炉热力计算中其他部分使用。如：在计算锅炉炉膛的辐射热量时，就可以调用烟气辐射换热系数类库烟气黑度函数计算烟气黑度。
　　④可扩充性。对于此类库，由于各个函数目标明确，调用时比较方便。对其中的物性参数类库进行扩充可以使得物性参数类库的应用性更为广泛，为锅炉其它受热面的计算带来方便。 参考文献：
　　［1］刘志刚，刘咸定，赵冠春．工质热物理性质计算程序的编制及应用［m］．北京：科学出版社，1992．
　　［2］钟史明，汪孟乐．具有火用参数的水和水蒸汽性质参数手册［z］．北京：水利电力出版社，1989．
　　［3］容銮恩，袁镇福，刘志敏，等．电站锅炉原理［m］．北京：中国电力出版社，1997．
　　［4］张海藩．软件工程导论［m］．北京：清华大学出版社，1997．
　　［5］张素琴．c＋＋程序设计语言［m］．北京：清华大学出版社，1995．
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　　最近刚做了一个有关混凝土施工浇筑过程模拟的一个课题，得到点体会，希望能和这方面的高手切磋切磋，顺便给新手一点指示！
　　主要问题：
　　（1）水化热的计算
　　中水化热的施加主要以生热率的形式施加。
　　参考了很多这个方面的例子，都说用生热率是密度乘以比热乘以温度对时间的导数 ，刚开始本人采用这个进行计算，但计算结果好像并没有预期的那么理想，经过查，多次尝试，终于发现一个感觉比较适合的一个公式：
　　he00=355*387*(t/(0.91+t)-(t-1)/(0.91+t-1))
　　其中355最终水化热，具体可根据朱伯芳绝热温升中的公式来计算
　　 　 　 387为单位立方米内水泥的用量
　　 　 　整个公式不代表的意思也就是t时刻与t-1时刻单位立方米单位时间内升高一度所需要的热量，即生热率。
　　（2）对流系数
　　看到好多资料里面对流系数是如此施加
　　sf,all,conv,2016,20
　　刚开始对2016这个系数也使参考使用，等计算结果不理想的时候才重新对这个系数进行分析，根据朱伯芳《大体积混凝土与温控》查得，其实2016代表的是一天为单位的混凝土表面与空气的对流系数，其中对流系数的求得可根据朱伯芳那本书上求得，主要和风速有关，是有关风速的线性函数。
　　下面是本人所编写的一个温度求解的例子，由于项目来源的重要性，此处仅给出求解的命令流，供大家参考：
　　分两层计算
　　/solu
　　nropt,full,　 　 　 　 　 　 !打开牛顿拉普森选项，否则生死单元无法工作
　　estif,1e-024　 　 　 　 　 　!缩减因子，一般采用默认即可（1e-6）
　　esel,s,mat,,1　 　
　　nsle,s　
　　ekill,all　 　 　 　 　 　 　！杀死所有单元
　　ic,all,temp,25　 　 　 　！施加初始温度，如果初始温度不同，可先进行温度计算，然后再　 　 读取结果
　　*do,t,1,42,1　 　 　 　 　 　 ！时间历程
　　*if,t,gt,29,then　 　 　 　！浇筑完成后到拆模
　　nsel,s,ext,,all
　　*do,i,1,2,1
　　cmsel,u,label2(i,1)
　　*enddo
　　sf,all,conv,1238,qiwen(t,1)　！施加对流边界
　　*do,i,1,2,1
　　cmsel,s,label2(i,1)
　　*enddo
　　sf,all,hflux,0　 　 　 　 　 　 　 　 　 ！施加绝热边界
　　cmsel,s,label1(1,1)
　　he03=137378*(t/(0.91+t)-(t-1)/(0.91+t-1))
　　bfe,all,hgen,,he03　 　 　 　 　 　 　 　 ！施加水化热
　　cmsel,s,label1(2,1)
　　t0=28
　　he02=137385*((t-t0)/(0.91+t-t0)-(t-t0-1)/(0.91+t-t0-1))
　　bfe,all,hgen,,he02
　　*elseif,t,gt,28,then　 　 　 　！浇筑第二层
　　cmsel,s,label1(2,1)
　　ealive,all
　　esel,s,mat,,1
　　nsel,s,ext,,all
　　*do,i,1,2,1
　　cmsel,u,label2(i,1)
　　*enddo
　　sf,all,conv,1238,qiwen(t,1)
　　*do,i,1,2,1
　　cmsel,s,label2(i,1)
　　*enddo
　　sf,all,hflux,0
　　cmsel,s,cm_1
　　he03=137378*(t/(0.91+t)-(t-1)/(0.91+t-1))
　　bfe,all,hgen,,he03
　　cmsel,s,cm_2
　　t0=28
　　he02=137385*((t-t0)/(0.91+t-t0)-(t-t0-1)/(0.91+t-t0-1))
　　bfe,all,hgen,,he02
　　*elseif,t,gt,1,then　 　 　 　！第一层浇筑完后间歇期
　　esel,s,live,,all
　　nsel,s,ext,,all
　　cmsel,u,label2(1,1)
　　sf,all,conv,1238,qiwen(t,1)
　　cmsel,s,label2(1,1)
　　sf,all,hflux,0
　　cmsel,s,label1(1,1)
　　t0=0
　　he01=137378*(t/(0.91+t)-(t-1)/(0.91+t-1))
　　bfe,all,hgen,,he01
　　*else　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　！浇筑第一层
　　cmsel,s,label1(1,1)
　　ealive,all
　　esel,s,live,,all
　　nsel,s,ext,,all
　　cmsel,u,label2(1,1)
　　sf,all,conv,1238,qiwen(t,1)
　　cmsel,s,label2(1,1)
　　sf,all,hflux,0
　　cmsel,s,label1(1,1)
　　t0=0
　　he00=137378*(t/(0.91+t)-(t-1)/(0.91+t-1))
　　bfe,all,hgen,,he00
　　allsel,all
　　antype,4　 　 　 　 　 　 　！选择瞬态求解
　　trnopt,full
　　lumpm,0
　　time,t　 　 　 　 　 　 　 　 　！设置时间步
　　autots,0
　　deltim,1,0,0　 　 　 　 　 　！子步
　　kbc,0
　　tsres,erase
　　outres,all,all
　　solve
　　sfdele,all,conv　 　 　 　！删除所有对流边界
　　sfdele,all,hflux　 　 　 　！删除所有绝热边界
　　*enddo
　　finish
　　上述命令流仅供参考，具体问题具体分析，如对上述命令流有什么建议或意见的话请联系本人
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