有分散热源时矩形区域内熔化问题的数值解--《计算物理》1994年01期
有分散热源时矩形区域内熔化问题的数值解
【摘要】：为了探索在电子设备冷却中应用固液相变冷却的可能性，本文用数值方法求解了一侧垂直壁上有三个分散热源、其余三个面均绝热时矩形区域内的二维熔化传热问题，对固液界面形状以及加热壁面温度沿高度方向的变化规律进行了讨论。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TK123【正文快照】：
有分散热源时矩形区域内熔化问题的数值解张玉文，陈钟颀，王启杰，吴清金（西安交通大学，７１００４９）摘要为了探索在电子设备冷却中应用固液相变冷却的可能性，本文用数值方法求解了一侧垂直壁上有三个分散热源、其余三个面均绝热时矩形区域内的二维熔化传热问题，对固
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●远郊常规热电联产与工业余热为主，燃气承担尖峰负荷的供热
●分散的燃气供热锅炉并入城市集中供热系统
远郊常规热电联产与工业余热为主，其他清洁能源为补充。其中，由远郊常规热电联产及工业余热承担基础负荷，通过大温差运行的长输管线向中心城区大热网输送，利用燃气承担尖峰负荷，大型热源厂作为备用热源，全面取代分散燃煤锅炉和城中村的土小锅炉，建立清洁、安全、稳定的供热系统。正在市城市规划展示大厅公示的太原市集中供热专项规划方案，描绘了到2020年我市集中供热热源愿景。
本次规划的理念是“节约型社会、洁净化家园”，内涵包括“清洁、节约、高效、循环”。远期规划期末，即2020年底，太原市形成远郊常规热电联产与工业余热为主，燃气承担尖峰负荷的供热格局。规划确定了8个主要热源，即古交电厂、太原钢铁集团有限公司、嘉节燃气热电厂、瑞光热电厂、大唐太原第二热电厂、国电太原第一热电厂（贾兆新址）、华能东山燃气热电厂和阳曲热电厂。8大热源总供热能力除满足2020年底总热负荷需求外，还可用来保障供热安全或满足阳曲太原工业区、清徐及姚村地区的供热需求。分散的燃气供热锅炉逐步并入城市集中供热系统中，减小冬季高峰日的供气压力。近期规划期末，基本形成7大热源为主，利用燃气承担尖峰负荷的供热格局，大型热源厂转为备用热源的供热格局，拆除二电四五期机组，关停东山自备电厂、西山综合利用电厂，搬迁异地新建一电厂，新建嘉节燃气热电厂、二电七期、华能东山燃气热电厂，2015年底全面取代分散燃煤锅炉和城中村的土小锅炉，基本建立清洁、安全、稳定的供热系统。
在一次网为高温热水的新建热力站内要求尽可能选择燃气调峰型吸收式换热机组，适当选择带有燃气调峰的吸收压缩复合式换热机组，其次选择吸收压缩复合式换热机组，在一次网为低温热水的新建热力站内选择补燃型压缩式换热机组。规划还提出了安全保障措施，即大型燃煤热源厂转为备用热源，热源联网运行，热源规划留有余量，建设备用管道，建立供热在线监测系统，通过新建储气调峰站、与民用用气错峰运行、燃气锅炉并入大网等措施保障供热用燃气需求，热网进行统一调配及管理。
通过实施集中供热全覆盖工程，将取代我市现有分散的采暖燃煤小锅炉以及城中村家庭燃煤小炉灶，消除了锅炉房噪声污染源，减轻城区交通压力和二次扬尘，还城区以安静、舒适的生活空间，同时节省了大量的土地。经测算，每采暖季可节约205万吨标煤，减少烟尘排量4.91万吨/年。
作者：李晓并
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　　　1国外集中供热发展现状　　国外集中供热发展的时间早，形式多。但都以节能舒适为目的，各国根据自己的地理位置，气候环境特点，能源结构，技术经济水平确定各自的供热方式。　　1.1热源　　热厂仍为国外大型集中供热系统的主要热源，热电联产在北欧和东欧发展最快。其中，俄罗斯热电占火电的比例为全世界最高，热电厂供热量约占集中供热量的36，热电联产主要以燃煤为主。尽管俄罗斯的燃料蕴藏量极其丰富，人均指标远优于中国，节能的压力低于世界许多国家，但是他们仍把发展集中供热作为节能的战略，积极采取各种措施，全面提高热电厂的经济性，降低发电燃料消耗量的比例。如，对热网水进行多级加热，多数热网水加热级数达到3级；在最大型的热化汽轮机中，利用热电厂凝汽器加热补给水或作为网路回水第一级加热器；限制热电厂凝汽工况生产电能比例，增加抽汽工况热利用小时数；将冬季由33几个热源供给热水的热负荷，集中由初参数更高，抽汽压力更低的机组供给，进一步开发夏季的热负荷。为此，设计热网时，把热电厂和区域房的供热系统相连。　　丹麦是热电联产与区域供热发展最快的北欧国家，迄今已拥有665座热电联产厂和230座区域供热厂。哥本哈根热网系统是目前世界最大的热网之一，管网连接4个热电厂，4个垃圾焚烧电厂和超过50座的尖锋锅炉房，供热面积达。将这些热源生产的热量输送到20多个热网中，整个管网供热量达3104TJ.热电厂负责基底负荷，常年运行，利用燃气（油）锅炉房调峰，使调峰热源有较多的备用富余量。热源分散设置在各热力站内，规模较小。用于调峰燃气（油）锅炉一般单台容量仅1t/h~2t/h.根据用户的要求和室外气候条件的变化，自动启停，无人值守。带有调峰锅炉房的热力站供热规模一般约500户，供热面积一般约为3..5104m2。　　1.2管网　　随着大型热电厂和核电厂的建设，热输送的距离越来越远，管径也越来越大，因此，各国都采取：a）发展多热源环网供热系统；b）大规模直连供热系统；c）当生活热水负荷达到城市集中供热负荷相当大的比例时，采用单管供热；d）对长距离输送管线采用高温度循环水等办法，提高热能输送系统的效率和可靠性。　　国外直埋热力管道的技术成熟，也广泛应用聚氨酯硬质泡沫预制保温管，最高耐热温度为120℃。为了改善这种保温管的使用范围，德国成功地研制出真空钢套管，提高了供水温度。目前，各国集中供热的供水温度差异较大，东欧各国为150℃，联邦德国为130℃~140℃，丹麦等北欧国家为120℃。　　1.3热力站　　热网采用间接连接，一级网供，回水设计温差较大，热力站根据用户热负荷合理分配控制流量。在俄罗斯及东欧各国的供热系统中，采用可调喷嘴喷射器，安装在建筑物采暖入口，将70℃回水与高温供水混合后进入室内，解决热网水平失调的问题。　　2国内集中供热发展现状　　集中供热系统包括热源，热网和用户三部分。根据热源，热网及用户相互的连接方式，中国现阶段的供热模式主要有以下几种。　　2.1单热源单泵枝状管网　　单热源单泵系统是指热源，循环泵集中设置的供热系统。根据用户与管网的连接方式又可分为间接连接与直接连接两种。　　单热源单泵间接连接枝状管网即供热范围内所有热负荷由单一热源提供。用户与管网通过换热器间接连接。热源厂内设置循环水泵作为整个系统一次侧的动力输送装置，二次侧单独设置循环泵作为二次侧动力输送装置。热源至用户的管网形式为枝状敷设，包括输送干线，输配干线，分支线。　　这种系统的主要优点是热源与循环泵集中设置，便于控制管理。用户采用间接连接，压力状况稳定，安全可靠。其缺点是由于热网前端用户资用压差过大，由阀门引起的节流能耗与水力失调引起的无效热耗巨大。热源厂供热能力按设计负荷设计，由于在采暖初期和末期未能满负荷运行，整个采暖季热源的热效率较低。管网的输送量与热源的设计供热能力相配套，按供热范围内远期热负荷一次设计一次施工，造成了供热范围内近期热负荷过小，管网输送量大于需求量，比摩阻过小，浪费投资，同时由于热负荷增长的不可预见性，又会造成远期热负荷过大，管网输送量小于需求量，比摩阻过大，运行费用浪费的尴尬局面。　　单热源单泵直接连接枝状管网的热源管网形式与间接连接相类似，不同之处在于用户处取消了换热系统，通过混水泵与管网直接连接。这种系统的主要优点是减少了换热系统与补水系统后，使初投资费用降低。整个管网系统动力输送装置（热源处循环泵与各混水站内混水加压泵）耗电量低于间接连接。因为热源，管网形式与间接连接相类似，因而它也具有间接连接的能耗高，效率低，管网设计不合理的缺点。同时，直连系统中一次侧压力波动对二次侧带来较大影响，需有安全可靠的减压，定压装置维持二次压力的安全稳定；二次侧的失水，漏水都会对一次侧压力带来较大影响，管理控制较为复杂；对二次侧水质要求较高，二次侧水质达到一次侧水质要求，保证系统设备的安全运行。　　2.2单热源多泵枝状管网　　为解决单热源单泵系统中无效电耗与无效热耗的问题，国内学者提出包括热源循环泵，热网循环泵和热用户循环泵的单热源多泵系统。这3种泵的流量和扬程必须精确计算和控制。各种形式的循环泵必须设计为变频调速泵。这种供热系统实质上是分布式变频泵系统。其优点是理论上解决了传统单泵枝状管网中无效电耗，热耗巨大的问题，节能效果明显。缺点是由于泵的大量安装，初投资增大，运行管理复杂，同时没有解决管网输送能力不能很好的适应供热范围内热负荷增长的问题。　　综合单热源单泵和单热源多泵供热系统的缺点，发现之所以出现管网输送能力不能很好地适应供热范围内热负荷增长的问题，是因为管网的热量输送能力受制于管网的水量输送能力。对于传统的双管制供热系统，一定温差下热量与水量成正比，当供热范围内热负荷增加时，需要管网输送更多的热量，此时，虽然可以通过增大热源的供热能力或增加热源数量，灵活地满足热量需求，但已建成的管网系统并不能灵活地适应水量的增加，只能通过新建管网或更换大泵，实现水量增加的要求。这就不可避免地造成重复建设和不经济运行，且由于地下构筑物，地下管线等设施繁多，通常缺乏新铺管线路由必备条件的问题。这种管网的热量输送能力与水量输送能力的关系是管网热量与水量输送能力的相互关联。　　2.3双热源双泵枝状管网　　典型的双热源双泵枝状管网是2个热源对置布置，即在2个单热源枝状管网的基础上，为提高整个供热系统的可靠性，在2个热源各自的管网末端加设联通管的供热系统。　　两热源正常运行时，联通管处阀门关闭，双热源处于解列运行，系统水力工况见中虚线部分。当其中1个热源发生故障时，联通管阀门打开，整个供热范围内热负荷由1个热源提供，系统水力工况为图a中实线部分。从图中可以看出，由于联通管处在两热源管网的末端，即管径最小资用压差最小的位置，当热源H2故障时，靠近热源2的用户此时变成整个供热管网的末端用户，如果热源H1循环泵不更换，热用户将大量出现资用压头不足的情况，但如果为满足用户资用压头的要求，提高循环泵扬程，管网前端用户供水压力过高，又有可能超出设计压力的要求。2b中虚线部分为热源H2故障时，为满足末端热用户资用压头要求，提高热源H1循环泵扬程后的水压图。　　2.4多热源多泵环状管网　　多热源多泵环状管网是指2个以上的热源组成1个热网系统为用户供热。这项技术是国外供热的先进国家，为节约能源，降低系统运行成本，提高经济效益，在综合运用水泵调速技术和控制技术的基础上，发展起来的1项先进的热水管网运行技术。这种方式极大地减小了区域锅炉房的运行时间，在降低能耗，减少运行成本上有着突出的优势。　　但多热源多泵环状管网同样存在当其中1个热源故障时，系统中某些资用压头不能满足要求的缺点。　　虚线为热源H2故障时水压图。可以看出，当热源H2故障时，为满足末端热用户的资用压头要求，热源H1处循环泵扬程提高，热源H1前端用户供水压力提高，有可能超出设计压力的要求，这种双管等管径环状供热系统的水力工况同样不理想。出现水力工况的不稳定，是因为无论双热源还是多热源，其本质都是热源的并联运行，管网中都存在1个压力平衡点，正常运行时，以压力平衡点为界，各循环泵负责各自供热范围内热水的输送，并没有起到串联接力的作用。当任何1个热源出现故障时，该热源供热范围内热负荷由其他热源补充，即在该热源循环泵停泵的前提下，其他热源循环泵既要增大流量也要提高扬程，这就不可避免地带来水力工况的不稳定。这种热源与循环泵的运行关系是热源与循环泵的相互关联。　　3多热源多泵单管混水直连系统的提出　　3.1系统的构成　　多热源多泵单管混水直连系统同样由热源，热网和用户3个部分造成。　　3.1.1热源　　多热源多泵单管集中供热系统热源可由多种形式。按不同热源在系统中的作用，分为主热源，次热源，辅助热源和补充热源。　　3.1.2热网　　包括输送干线，输配干线，分支线。其中，输送干线（外送管线）是连接输配干线（当地集中供热管网）和热源厂的管道，将热源厂补充的热量输送到输配干线中；输配干线是按照城市街道敷设的，形式为单管制，可有多个环路，每个环路为特定供热范围内的热用户负荷提供热能；分支线是连接输配干线和热用户的双管制管道，各分支线属串联关系，输配干线中热水温度沿各分支线节点依次降低。　　3.1.3热用户　　包括采暖，通风空调以及获取生活热水的热用户。各用户装设混水泵，以混水泵为分界，分别为一次侧与二次侧。　　3.2主要功能　　多热源多泵单管供热系统实际上包含了热量生产，热量传输及热量分配3个不同的供热营运功能。　　3.2.1热量生产　　多热源多泵单管供热系统热源形式分为4种，分别对应主热源，次热源，补充热源和辅助热源4种热量生产方式。　　a）主热源。把成本低，能耗少，效率高的热电厂做为整个系统主热源，承担供热范围内基本热负荷，力争在整个运行期间全时满负荷运行；b）次热源。把大型区域锅炉房做为该系统的次热源，与主热源串联运行。根据供热负荷延续图制订次热源的运行方案，在严寒期启动运行，补充供热范围内严寒期的尖锋热负荷；c）补充热源。由于单管系统中温度沿输配干线各节点依次降低，在某一节点温度达不到供水温度要求时，在该分支线热用户的一次侧安装补充热源，将一次侧热水升温后再送给热用户。补充热源可采用电锅炉，燃气，燃油锅炉，热泵等多种形式；d）辅助热源。随着某一输配干线环路内热负荷的增长，该输配干线上绝大多数热用户的供水温度不能满足要求时，在该输配干线适当位置增设辅助热源。辅助热源与主热源，次热源串联运行。　　3.2.2热量传输　　多热源多泵单管供热系统热量传虽是通过循环泵和管网系统实现的。根据系统中循环泵安装位置，分为主热源，次热源，循环泵和用户处混水加压泵4种类型。　　a）主热源和次热源循环泵。这2种泵属串联运行，分别提供各自供热范围内热水的循环动力，在整个采暖季内全时运行。次热源循环泵起到中继加压泵站的作用，将来自主热源的低温低压热水升温升压后再送入后部的管网系统。在次热源锅炉的进出口处，设置旁通管调节热源厂供水温度。采暖初期和末期次热源锅炉未投运时，由次热源循环泵把来自主热源的热水加压后直接送入后部管网系统；b）用户处混水加压泵。根据一次侧管网压力与用户的地形情况，用户处混水加压泵分为供水加压与回水加压2种形式，主要为二次侧热用户提供资用压头和适中的压力，以确保满足二次侧用户热水流量和压力的要求；c）辅助热源循环泵。功能类似于用户处混水泵，将部分输配到干线中的低温热水抽入辅助热源锅炉内，升温后再送入输配干线，不改变输配干线中热水的压力，只提高温度。即在没有改变循环水量的情况下，提高管网热量输送的能力。　　3.2.3热量分配　　各输配干线环路间的热量分配，是根据流量实现的。由于输送干线中的热水温度是相等的，所以输配干线流量越大，输热量越大，为此，实现各环路热量分配的平衡，必须实现水量的平衡。基于输配干线上各热用户是串联运行的，热水依次流经各热用户，若供给某个热用户的水量过多或过少，都不会造成对其他用户热量平衡的影响。各热用户的热量分配是由用户自主确定的，即在分支节点处供水温度一定时，热用户可根据热量的需求，确定从输配干线中的取水量。　　3.3主要优点　　3.3.1降低了系统的压力　　多热源多泵系统输配干线采用单管形式。与枝状双管制管网比较，由于没有传统意义上的回水管，管网水压图仅为1条供水压线，降低了管网的承压。这就可以扩展混水直连方式在系统中运用，使以换热器间接连接为主集中供热的一级网系统改为以混水泵直接连接的一级网系统。由于一级网管道及局部构件压力降低，不仅初投资大幅度下降，且循环水泵扬程减少，使水泵的初投资及运行电费统统降低。　　3.3.2有利于分布式变频泵系统的推广　　如前所述，虽然，国内很多学者对分布式变频泵的应用的理论研究，证明分布式变频泵系统具有节能潜力，但由于多泵串，并联控制方式过于复杂，限制了它在实际工程的规模推广。在单管系统中，各用户混水泵单独运行，互不影响，且由于各分支线资用压头靠二次侧循环泵提供，不由双管系统提供供水，回水压差，减少了节流损失。即使在输配管网没有设置分布式变频泵的条件下，仍能取得同样的节能效果。　　3.3.3提高了事故工况下管网的可靠性　　每条输配干线够成1个环路，各环路沿程管径不变，具有环状管网的特征，只要在各输配干线的适当位置增加1个连通管就构成了环状管网。无论环路中管件发生故障造成某一管段的关闭，还是热源发生故障造成停炉，由于主热源与次热源循环泵不像双管制环状网系统中发生启停那样的操作，系统中的热水仍然会顺序流过各用户，且压力也不会像双热源双泵枝状网系统和多热源多泵环网系统那样的大幅度波动。这种单管制系统既解决了枝状管网可靠性低，又解决了双管环状管网多个泵站协调控制复杂的问题。这种热源与循环泵的运行关系，热源与循环泵是相互独立的。　　3.3.4提高了系统适应热负荷增长的能力　　由前面的叙述可知，该系统热源配置灵活多样，管网热量输送能力不再受水量输送能力的限制。因为，单管系统是通过提高水温而不是增大水量，提高热量输送的。这就可以缩短设计期限，根据近期供热范围内热负荷的分布，进行管网和热源的布置，随着热负荷的增长，可通过在适当位置引入辅助热源和补充热源的方式，提高整个系统的输热量，使得系统设计更加合理，应变能力得到增强。这种管网的热量输送能力与水量输送能力的关系，管网热量与水量输送能力是相互独立的。　　4结语　　笔者对国内外现有的集中供热系统进行了详细的研究。通过对比，剖析了各系统存在的优缺点，在此基础上，提出多热源多泵单管混水直连的新型集中供热系统的设计思路。　　
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