基本介紹
- 中文名：單相受熱管
- 外文名：Single-phase heating tube
- 一級學科：工程力學
- 二級學科：熱力工程
- 受熱管：廣泛存在於電站鍋爐等領域
- 重要性：熱力設備的基本組成部分
受熱管,背景,傳統數學模型,改進模型,
受熱管
受熱管廣泛存在於電站鍋爐、核反應堆蒸汽發生器及化工等領域，它是熱力設備的基本組成部分。熱力設備的動態特性在很大程度上取決於其中的受熱管的動態特性，因而對受熱管的動力學模型研究是很有意義的.受熱管的實際工作過程是非常複雜的，它既涉及到介質的流動、介質與金屬的傳熱，又涉及到質量與能量的儲存與釋放，以及介質的狀態變化等。描述受熱管流動及換熱過程的基本方程是動量、質量及能量守恆方程、蓄熱方程、傳熱方程和狀態方程等.通過這些方程建立起受熱管各個參量之間的關係，組成方程組，即受熱管的動力學模型。國內外已有許多學者對受熱管的動力學模型進行了研究，現有的模型主要可以分為三種：即集總參數模型，線性分布參數模型以及非線性分布參數模型。若按照管內工質的狀態可分為單相受熱管和兩相受熱管的動力學模型。
背景
在鍋爐中單相受熱面是最主要的環節之一，在啟動的初期所有受熱面中的工質都是單相的水，在正常運行時，省煤器、過熱器、再熱器等均屬於單相受熱面。工質在受熱管內的流動過程中，一方面吸收來自金屬管壁的熱量而溫度逐漸升高；另一方面由於流動損失而壓力逐漸降低，它的特點是工質在受熱過程中不發生相變。
傳統數學模型
鍋爐單相受熱管是典型的分布參數對象，最原始的分布參數數模型由一組偏微分方程和若干代數方程組成。為方便求解，國內外學者提出了各種簡化了各種簡化的數學模型，概括起來主要有以下3類:集總參數模型、線性分布參數模型以及非線性分布參數模型。集總參數模型具有建模簡單、計算方便、物理意義明確、動態回響趨勢基本正確的優點，但不能較好地反映受熱管的分布參數特點。線性分布參數模型就是在一定的簡化假定條件下對原始的分布參數模型進行線性化處理，它在某一工況點附近以及小擾動的情況下能較好地反映單相受熱管的分布參數特性，但不適用於大擾動工況且靜態誤差較大。非線性分布參數模型是以某一工況下的線性化分布參數模型為基礎，將傳遞函式模型中的有關參數擬合成負荷或工況參數的函式。非線性分布參數仍然不能消除靜態誤差。
改進模型
以上3類模型與實際過程的最大差異在於均將流體簡化為一元流動，忽略了湍流問題。薛倩在原始的分布參數模型中增加了湍流模型，用以描述工質流動的湍流狀態，採用Fluent軟體進行模擬，結果更接近實際情況，更好地反映了鍋爐單相受熱管的動態特性。
單相受熱管集總參數建模是電站鍋爐實時仿真領域中的重要研究內容之一。動態過程中，管壁與工質存在蓄熱、儲質變化，管壁對工質的放熱量一般與穩態計算值並不一致。但建模時，管壁與工質間的放熱量基本都採用靜態方程計算，這不利於受熱管仿真精度的進一步提高。理論分析表明，以出口參數為代表參數的一維集總參數模型，單段上的精度僅同一階迎風格式相當。儘管通過各種分多段方式，如多段串聯方法、兩段嵌套方法和三段鏈式方法等，理論上可以提高受熱管整體的仿真精度，但就單段控制體而言，上述建模方式並沒有本質的區別，單段控制體的精度也沒有提高。
為提高集總參數模型在單個控制體上的仿真精度，20世紀90年代以來，出現了基於動態補償或修正的建模方法。通過對比分析集總參數模型與分布參數模型在系統傳遞函式上的差異，進而建立用以補償或修正的數學模型，或在集總參數的選擇上採用“移動參數”，用以修正模型的輸運延遲。因補償或修正環節的特徵參數與研究對象有關，此類方法對於特定物理參數及工況的受熱管易取得較好的效果。
為使管壁放熱量計算能反映管內工質動態過程，提高單段上控制體模型的精度，同時保持多段模型易於顯式求解的優點，徐嘯虎等從描述單相受熱管動態過程的一維偏微分方程出發，將方程中的時空分離，採用解析和集總參數相結合的方法，建立了一種新的單相受熱管動態數學模型。其中，管壁對工質放熱量的計算模型不再是靜態計算公式，而是同管內工質蓄熱和儲質過程相關的動態方程。理論分析和仿真結果表明，相同情況下(集總參數均取出口參數)，混合模型比以往採用靜態傳熱公式的集總參數模型更接近分布參數模型;模型在入口溫度階躍回響方面的改進尤為明顯，可以更好地反映系統回響的輸運延遲特性。
