順排H型翅片圓管的傳熱與流動分析

許靖盛 王中賢

摘要：通過模擬計算并比較數(shù)據(jù)得出結(jié)果：隨著迎面風(fēng)速增大，Re?數(shù)增大，Nu?數(shù)增大，摩擦系數(shù)f?減小，傳熱熱阻R?也減小;隨著翅片間距增大，Nu?數(shù)減小，摩擦系數(shù)f?減小，對傳熱熱阻R?的影響較小;隨著翅片厚度增大，Nu?數(shù)增大，摩擦系數(shù)f?明顯減小，傳熱熱阻R?也顯著減小;隨著翅片高度增加，Nu?數(shù)增加，摩擦系數(shù)f?也增加，而傳熱熱阻R減小，在本文中研究的影響因素中優(yōu)先考慮的因素為：翅片間距、翅片厚度及翅片高度。

關(guān)鍵詞：H型翅片;圓管;?數(shù)值模擬;傳熱特性;流動特性

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模及能源的消耗日趨增加，翅片管換熱器作一種重要的強化傳熱設(shè)備，其性能的提高能達(dá)到節(jié)約能源降低生產(chǎn)成本的目的，受到了廣泛的關(guān)注和研究。數(shù)值模擬的方法目前對單相流動和傳熱過程相對比較成熟，其計算精度可以滿足工程要求，通過模擬的方法得到具有工程意義的參數(shù)。本課題利用數(shù)值模擬的方法研究翅片間距、翅片厚度、翅片高度、Re、介質(zhì)等參數(shù)對翅片管傳熱和流動性能的影響，獲得相關(guān)計算公式，為翅片管應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬的方法目前對單相流動和傳熱過程相對比較成熟，其計算精度可以滿足工程要求，通過模擬的方法得到具有工程意義的參數(shù)。換熱器是量大面廣的通用設(shè)備，換熱過程則是換熱器的核心控制過程翅片管式換熱器是空調(diào)，制冷，化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的一種換熱器形式，對它的研究不僅有利于提高其換熱效率和整體性能，而且對改進(jìn)翅片管式換熱器的設(shè)計形式有著重要的指導(dǎo)意義。

1.H型翅片管的概述

翅片管束作為換熱元件，由于其制造工藝簡單，能增大管外換熱面積，強化傳熱，同?時因單位體積內(nèi)換熱面積增大而使換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，能降低流動阻力，減輕受熱面磨損，因而在常規(guī)鍋爐設(shè)計與改造、利用中低溫余熱的余熱鍋爐以及其他換熱設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。H型翅片是在矩形翅片的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[1]。由于其翅片表面特殊的溝槽結(jié)構(gòu)，去除了部分在翅片表面進(jìn)口和尾部分離區(qū)中的換熱面積，降低了進(jìn)口和尾部分離區(qū)傳熱惡化對整個翅片傳熱的影響，從而提高了翅片的平均對流換熱系數(shù)翅片效率，達(dá)到強化傳熱的目的，并避免了螺旋翅片管束常見的因結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致的翅片燒毀問題[2-3]。

1.1?H型翅片管的類型和尺寸特點（圖1）[4-5]

（1）管徑。管徑的范圍一般為32?mm～54?mm;

（2）翅片高度。一般與管徑成比例，其比值大約在2?mm?上下;

（3）翅片寬度。是指兩側(cè)翅片外緣之間的距離，一般與管徑成比例，其比值大約在2mm上下;

（4）?翅片厚度。一般為2.5～3?mm?;

（5）?翅片與管子的焊接融合角。翅片由煙氣吸收的熱量是經(jīng)融合部分傳遞給管子，一般為120?°;

（6）?翅片間的開縫。2片翅片之間的間隙，一般為10?mm?;

（7）?翅片的節(jié)距。一般為25?mm。

圖1??H型翅片管的尺寸

H型翅片管的典型型式有2種：單H型翅片管（圖2）和雙H型翅片管（圖3）[6-7]。

圖2?單H型翅片管???????????????????????圖3?雙H型翅片管

1.2?H型翅片管的工作原理及優(yōu)勢

1.2.1?H型翅片管的工作原理

H型翅片管可以看作為由2個不同結(jié)構(gòu)組合成的傳熱元件。在翅片之間的管子仍舊裸露在煙氣中，受到煙氣的沖刷，從而實現(xiàn)有煙氣到管子的傳熱。這與一般光管管束的情況差不多。翅片的存在可能會影響煙氣的流動狀態(tài)，但是由于管束采取順列布置，也許流場差別不大，傳熱規(guī)律相似[8-9]。在H型翅片管中，光管所形成的熱面大約只有總熱面的五分之一左右?，在整個傳熱過程中不占主導(dǎo)地位[10]。

H型翅片管管束排列緊湊整齊，再加上制造精度的保證，翅片間形成整齊的平行流道。與一般的平行平板流道的對流傳熱不同的是，期間有管子的存在，相當(dāng)于一個擾流物。由此可見，在H型翅片管中有2個不同的傳熱過程。前者是煙氣一光管的直接傳熱，但是不是主要部分[11]。主要的部分是煙氣與翅片之間實現(xiàn)對流換熱，然后熱流沿著翅片依靠熱傳導(dǎo)的方式流向管子。與其他管束傳熱不同的是，必須了解翅片的導(dǎo)熱在整個傳熱環(huán)節(jié)中的作用和規(guī)律，不然就無法揭示H型翅片管的傳熱規(guī)律[12-13]。

1.2.2?H型翅片管的優(yōu)點[14-15]

1）翅化系數(shù)高，可使受熱面布置更加緊湊;

2）翅片溫度場比較均勻，有更好的傳熱效果;

3）翅片與氣流方向平行，與螺旋翅片相比，能夠很好地防止積灰、減少流動阻力;

4）與光管比，其受熱面磨損小，可采用較高的煙氣流速，以增強傳熱效果。由于H型翅片管所具有的以上優(yōu)點，使其得以迅速的廣泛應(yīng)用。

針對H型翅片管作為強化傳熱元件所具有的優(yōu)點，國內(nèi)外有關(guān)科研人員對其傳熱特性和阻力特性進(jìn)行了研究，?但是所得出的結(jié)果差異較大，且對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的文章也鮮見報道。因此，在國家大力提倡節(jié)能減排的形勢下，對H型翅片管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化十分必要和迫切[16]。

1.3?H型翅片圓管的應(yīng)用

1.3.1?H型翅片管省煤器在熱電站煤粉鍋爐上的應(yīng)用

H型翅片管省煤器由英國公司在20世紀(jì)50年代開發(fā)，其目的是尋找可以可靠地工作于骯臟、具有腐蝕性氛圍和引起磨損物料環(huán)境中的傳熱元件。H型翅片管省煤器首先被歐洲的鍋爐制造商使用，20世紀(jì)90年代初期，隨著外國公司的鍋爐進(jìn)入中國，出現(xiàn)在一批350MW和600MW的燃煤機組鍋爐上[21-22]。從熱電站煤粉鍋爐上采用H型翅片管省煤器的實際應(yīng)用情況來看，H型翅片管省煤器相對于光管省煤器在布置方式、經(jīng)濟性等方面有較大優(yōu)勢[23]。

（1）H型翅片管省煤器代替光管省煤器，可以增加換熱面積，增大煙氣流通截面，降低煙速，減少磨損。

（2）H型翅片管省煤器的空間緊湊，可以降低造價，管組大為緊湊，大大節(jié)約了尾部煙井高度?？傮w重量大為減輕，降低懸吊系統(tǒng)載荷。

（3）H型翅片管還可制造成雙管的“雙H”型翅片管，其結(jié)構(gòu)的剛性好，可以應(yīng)用于管排較長的場合[24-25]。

1.3.2??H型翅片管在高含塵煙氣中換熱特性的研究應(yīng)用

目前，在水泥余熱電站中SP爐大多采用傳統(tǒng)的光管換熱，還沒有將H型翅片管應(yīng)用于SP爐的研究。在含灰量大的低溫?zé)煔獾挠酂峄厥罩?，遇到的最大問題就是積灰和磨損。按照SP爐的運行參數(shù)，在相同換熱量、相同的進(jìn)出口煙溫和水溫以及相同煙氣截面流速的情況下，對光管和H型翅片管的換熱進(jìn)行對比，H型翅片管受熱面的換熱性能優(yōu)于光管受熱面，其傳熱性能較光管要高[26-27]。

而在相同煙氣流速和相同換熱量的情況下，H型翅片管與光管的受熱面阻力對比結(jié)果，高含塵煙氣中，在相同截面流速下，H型翅片管的流動阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光管的流動阻力[28-29]。

2.空冷器模型的建立

2.1?模型建立

物理模型

1. 翅片;2.基管;3.空氣進(jìn)口;4.出口;5.進(jìn)水口;6.出水口

圖2-1?物理模型圖

幾何模型

本課題通過數(shù)值模擬來分析影響翅片管換熱器傳熱性能的因素及其具體影響機制，構(gòu)建幾何模型如圖2-1所示。模型包括基管、翅片，開口，其基本的模型尺寸、定位尺寸如表2-4，變量參數(shù)設(shè)定如表2-5，模型設(shè)置如表2-6。本課題正是通過改變上表2-5?中參數(shù)值，進(jìn)行多次數(shù)值模擬，從而分析影響翅片管式換熱器流動和傳熱特性的影響因素。

主視圖

左視圖

俯視圖

圖2-2?幾何模型圖

表2-1?幾何模擬尺寸（單位：mm）

計算空間尺寸

X向

200

Y向

150

Z向

100

翅片管基本尺寸

翅片厚度δ

1

基管外徑d1

25

翅片間距S

7

基管內(nèi)徑d2

20

翅片高度d??????50

定位尺寸

X向邊界空隙

0

Y向邊界空隙

100

Z向邊界空隙

100

翅片管中心距

50

表2-2?變量的不同取值點

序號

1

2

3

4

5

迎面風(fēng)速v（m/s）

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

翅片間距S（mm）

4

5

6

7

8

翅片厚度δ（mm）

0.6

0.8

1

1.4

1.4

翅片高度d（mm）

44

46

58

50

52

表2-3?模型設(shè)置

元件

模型

類型

材料

導(dǎo)熱系數(shù)

密度

翅片

Block

Solid

Aluminum6063-T5

209W/（m·K）

2.7kg/cm3

基管外層

Block

Solid

Steel?Carbom

48W/（m·K）

8.96kg/cm3

基管內(nèi)層

Block

Fluid

Water

0.6W/（m·K）

1kg/cm3

開孔

Opening

-

-

-

-

表2-4?模擬計算已知條件

空氣

進(jìn)口溫度

34

密度

1.1774

比熱容

1005

導(dǎo)熱系數(shù)

0.026

進(jìn)口風(fēng)壓

1.01

出口風(fēng)壓

1.01

水

進(jìn)口水溫

65

密度

1000

比熱容

4174

導(dǎo)熱系數(shù)

0.6

水流速

0.3

碳鋼

密度

7800

導(dǎo)熱系數(shù)

48

比熱容

470

2.2典型翅片管換熱器—空冷器設(shè)計

已知條件：水流量55?，水進(jìn)口溫度65?，水出口溫度63.9?;空氣設(shè)計溫度34?，翅片材料鋁。試設(shè)計一臺定型的空冷器。

2.2.1總體考慮

因為接近溫差為63.9-34=29.9，故選用空冷器是經(jīng)濟的。

2.2.2估算和選型

（1）選取傳熱系數(shù)=490。

（2）選取管排數(shù)??計算，由文獻(xiàn)31中圖3.59得最佳管排數(shù)為3，根據(jù)管束規(guī)格，考慮水的換熱系數(shù)不是很高，故選用低翅片4排管。

（3）選取迎面風(fēng)速

由文獻(xiàn)查的=2.8，面積比（=5.80）

（4）試算空冷器出口空氣溫升及傳熱面積

假設(shè)幾個可能的出口溫升（或溫度），按熱平衡式求得，（由迎風(fēng)面積而求得的基管外表面積），再根據(jù)傳熱計算求得，比較和，至兩者接近時為止。具體計算如下。

計算公式：

（1）

則熱負(fù)荷計算為：

=?167064

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

列表3-5?計算如下：

表2-5?空氣溫升試算表

溫升（）

17.1

17.2

17.3

17.4

17.5

17.6

2.949

2.932

2.915

2.905

2.881

2.865

17.103

17.003

16.905

16.851

16.712

16.617

20.576

20.507

20.438

20.369

20.299

20.230

16.621

16.667

16.731

16.828

16.875

16.923

2.817%

1.978%

1.032%

0.131%

-0.977%

-1.842%

由估算可見，當(dāng)空氣溫升為17.4時，和接近，故取空冷器出口風(fēng)溫為=?34+17.4=51.4。

（5）選型

現(xiàn)已知流量為55，管排數(shù)為4，由文獻(xiàn)31圖3.62查得水在流速為1.2左右時，可采用P31-4（I）的管束。這一管束的基管表面積為16.956，與和很接近。

實際迎風(fēng)面積=?31-310.1=2.7，與計算值（上表中）接近，故迎面風(fēng)速及出口風(fēng)溫均可不必調(diào)整。

（6）選風(fēng)機

風(fēng)量==360032.8=30240。

風(fēng)壓管束壓降由文獻(xiàn)31式3.110?計算

==110，其中是最佳管排數(shù)，是翅片影響系數(shù)，低翅片

2.2.3精確計算

對?P31-4（I），管子總根數(shù)是72根，體積流量=?50，則管程數(shù)如下計算：，則==1.95

現(xiàn)已選為2管程，每層36根，則水流在管內(nèi)的實際流速：

=1.23

當(dāng)熱水溫度為65時，其對流換熱系數(shù)為1469，當(dāng)水流速為?1.23時，管內(nèi)對流換熱熱阻為：

=?0.00083

由附錄?C?得冷卻水的污垢熱阻為0.0002125

管壁熱阻為：0.000058非常小，可以忽略。

在=?2.8時，由文獻(xiàn)31?式?3.98?可得：

==1093.48

傳熱系數(shù)，可由下式計算得：

==510.98

對數(shù)平均溫差：

63.9-34=29.9，65-51.4=13.6

=20.56

計算=?0.829，=0.632.

由?P、R?值查附錄I?得0.934，則傳熱平均溫差=19.20

基管傳熱面積=?17.03，的這一精確計算值與估算值一致，故不必重算，所選P31-4（I）管束構(gòu)成的空冷器即滿足要求。=1.15。

取風(fēng)機動壓頭=30，故=?140

故選取T35-11軸流式風(fēng)機三臺，配用電機型號YT901-4。

2.2.4軟件模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果對比

文中對翅片間距7mm、翅片厚度1mm、翅片高度50?mm的基本模型探討其在不同風(fēng)速?1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s、4.0?m/s?下軟件模擬與理論計算的傳熱系數(shù)的一致性。其中，傳熱系數(shù)的理論計算步驟與3.3節(jié)中空冷器設(shè)計一致。對比結(jié)果如圖3-3從圖中可以看出理論計算和軟件模擬的傳熱趨勢變化趨勢一致，雖然2條曲線并不重合，但是軟件模擬的結(jié)果比理論計算結(jié)果高出約18.6%-34.5%。這是因為在軟件模擬的過程中沒有考慮流體的污垢熱阻。經(jīng)計算，流體污垢熱阻與的數(shù)量級只相差一級，對于總體傳熱系數(shù)的影響較大，因而軟件模擬的結(jié)果比理論計算結(jié)果高。不過，考慮到因污垢熱阻而造成的傳熱系數(shù)誤差在允許的范圍內(nèi)，所以在之后論文中，模擬結(jié)果皆認(rèn)為有效。

圖2-3不同Re下理論計算與軟件模擬的傳熱系數(shù)對比

3.結(jié)果與展望

3.1結(jié)論

本文對叉排H型翅片圓管的傳熱性能及其流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探究了翅片間距、翅片厚度、翅片高度等因素對翅片管三個特性參數(shù)Nu數(shù)、范寧摩擦系數(shù)f?、傳熱熱阻R的影響。通過模擬軟件Icepak?模擬云圖及數(shù)據(jù)后處理折線圖的分析，可以得出以下結(jié)論：

3.1.1隨迎面風(fēng)速增加，Re?數(shù)增加，Nu?數(shù)增加，摩擦系數(shù)f?減小，傳熱熱阻R?也減小;

3.1.2在保持總計算管長不變時，翅片間距在4-8mm?逐漸增加時，Nu?數(shù)減小，摩擦系數(shù)f?減小，而對傳熱熱阻R的影響較小;

3.1.3在保持總計算管長不變時，翅片厚度在0.6-1.4mm?逐漸增加時，Nu?數(shù)增加，摩擦系數(shù)f?明顯減小，傳熱熱阻R也顯著減小;

3.1.4在保持總計算管長不變時，翅片高度在44-52mm?逐漸增加時，Nu?數(shù)增加，摩擦系數(shù)f?也增加，而傳熱熱阻R減小;

3.2展望

本文研究了翅片間距、翅片厚度、翅片高度對翅片管換熱器流動和傳熱特性的影響變化，對于翅片管換熱器的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。但是由于時間的有限，課題對于計算機的較高要求，文中對于每一個影響因素的數(shù)值模擬次數(shù)有限，因而并不能得出精準(zhǔn)的變量關(guān)聯(lián)式。而且影響翅片管換熱器的因素還有基管直徑、內(nèi)螺紋、管束排列方式、開孔形狀、大小等很多方面，也就是說本文研究的內(nèi)容相對較少，建議在后續(xù)研究中可以進(jìn)一步優(yōu)化：

3.2.1充分利用研究室工作站，提高每次模擬過程中迭代計算次數(shù)，從而提高準(zhǔn)確度;

3.2.2對同一個影響因素，多次重復(fù)試驗，以找到更為廣泛的影響變化趨勢;

3.2.3將圓翅片管與橢圓、扁平翅片管等多種形式的翅片管式換熱器進(jìn)行比較，以得到能適用于具體生產(chǎn)狀況并滿足經(jīng)濟效應(yīng)的翅片管形式。

3.2.4研究基管直徑、管束排列方式、方孔形狀、大小等因素對圓翅片管換熱器性能的影響，從而形成關(guān)于圓翅片管完整的設(shè)計理論。

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3.2展望

本文研究了翅片間距、翅片厚度、翅片高度對翅片管換熱器流動和傳熱特性的影響變化，對于翅片管換熱器的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。但是由于時間的有限，課題對于計算機的較高要求，文中對于每一個影響因素的數(shù)值模擬次數(shù)有限，因而并不能得出精準(zhǔn)的變量關(guān)聯(lián)式。而且影響翅片管換熱器的因素還有基管直徑、內(nèi)螺紋、管束排列方式、開孔形狀、大小等很多方面，也就是說本文研究的內(nèi)容相對較少，建議在后續(xù)研究中可以進(jìn)一步優(yōu)化：

3.2.1充分利用研究室工作站，提高每次模擬過程中迭代計算次數(shù)，從而提高準(zhǔn)確度;

3.2.2對同一個影響因素，多次重復(fù)試驗，以找到更為廣泛的影響變化趨勢;

3.2.3將圓翅片管與橢圓、扁平翅片管等多種形式的翅片管式換熱器進(jìn)行比較，以得到能適用于具體生產(chǎn)狀況并滿足經(jīng)濟效應(yīng)的翅片管形式。

3.2.4研究基管直徑、管束排列方式、方孔形狀、大小等因素對圓翅片管換熱器性能的影響，從而形成關(guān)于圓翅片管完整的設(shè)計理論。

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