單建明，林正春，王恩祿，王利宏，屈昌文

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；2.東方日立鍋爐有限公司，浙江嘉興314050）

在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，余熱鍋爐主要用于吸收燃?xì)廨啓C(jī)排氣中的余熱。為了充分吸收余熱，余熱鍋爐必須提高傳熱效率，增加單根管子的傳熱面積。以天然氣為燃料的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐中，其受熱面普遍采用平齒形或折齒形螺旋鰭片管。國(guó)內(nèi)外對(duì)螺旋鰭片管傳熱特性和阻力特性的研究一直沒(méi)有停止，從中也得出一些傳熱和阻力特性計(jì)算關(guān)聯(lián)式，但是得出的結(jié)論彼此相差較大，甚至有些結(jié)論截然相反，適用的范圍也僅限于所研究的范圍之內(nèi)，目前尚未形成關(guān)于開(kāi)齒螺旋鰭片管傳熱和阻力計(jì)算的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。筆者結(jié)合實(shí)際工程中常用的幾種折齒形螺旋鰭片管的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行具有針對(duì)性地試驗(yàn)研究，從而得出相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式，更加精確地計(jì)算傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)，達(dá)到優(yōu)化鰭片管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的目的。

1 傳熱計(jì)算基本理論

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐主要熱交換部件為換熱器，其主要作用就是為了吸收燃?xì)廨啓C(jī)排氣中的余熱，將給水加熱成具有一定溫度和一定壓力的過(guò)熱蒸汽，去沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)發(fā)電。在非補(bǔ)燃的余熱鍋爐中，其傳熱方式主要是通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱的基本公式［1］如下：

式中：Q 為傳熱量，kJ／h；K 為傳熱系數(shù)，kJ／（m2·K·h）；A 為傳熱面積，m2，即煙氣側(cè)外表面積；△t為溫差，K。

余熱鍋爐經(jīng)過(guò)熱平衡計(jì)算后，可以確定各級(jí)受熱面需要吸收的熱量，即傳熱量Q；其次，可以確定每級(jí)受熱面進(jìn)、出口煙氣側(cè)溫度和工質(zhì)側(cè)溫度，所以受熱面進(jìn)、出口的溫差△t也可以確定；最后只要確定傳熱系數(shù)，便可確定傳熱面積。傳熱系數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響到傳熱面積。影響傳熱系數(shù)的因素很多，包括流動(dòng)狀態(tài)，流體的物理性能，換熱器表面的幾何尺寸、形狀、布置等。

根據(jù)熱阻疊加原理，傳熱系數(shù)K的經(jīng)典計(jì)算公式［2］如下：

式中：a1為管外放熱系數(shù)，即煙氣對(duì)管子外壁的放熱系數(shù)；ε為灰污層熱阻，即通常所說(shuō)的沾污系數(shù)；am為管壁金屬熱阻；af為管內(nèi)水垢層熱阻；a2為管內(nèi)放熱系數(shù)，即管子內(nèi)壁對(duì)管內(nèi)工質(zhì)的放熱系數(shù)。

對(duì)于ε、am、af、a2，鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)有相應(yīng)的計(jì)算公式或推薦數(shù)據(jù)；而對(duì)于a1，由于影響因素較多，目前尚未有針對(duì)齒形螺旋鰭片管標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式。

2 折齒形螺旋鰭片管試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)原理

對(duì)于折齒形螺旋鰭片管束強(qiáng)制對(duì)流傳熱，其傳熱特性可以用努塞爾數(shù)Nu表示，其計(jì)算關(guān)聯(lián)式［1］如下：

式中：C1、n、m均為待定的常數(shù)；Re和Pr分別為雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)。對(duì)于普朗特?cái)?shù)在0.5～15內(nèi)的流體，指數(shù)m＝0.33，如空氣、燃?xì)馀艢獾取Ｋ?，只要通過(guò)試驗(yàn)得到不同雷諾數(shù)Re下所對(duì)應(yīng)的氣側(cè)努塞爾數(shù)Nu，就可以確定關(guān)聯(lián)式中常數(shù)C1和n的值，從而得出折齒形螺旋鰭片管束傳熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。

對(duì)于煙氣阻力系數(shù)，也可以用相似準(zhǔn)則數(shù)歐拉數(shù)Eu表示，其計(jì)算關(guān)聯(lián)式如下：

式中：C2、n＇均為待定常數(shù)。只要通過(guò)試驗(yàn)得到不同雷諾數(shù)Re下所對(duì)應(yīng)的歐拉數(shù)Eu，就可以確定關(guān)聯(lián)式中常數(shù)C2和n＇的值，從而獲得折齒形螺旋鰭片管束阻力準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

用于本次試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置為高溫空氣循環(huán)回流傳熱和風(fēng)洞試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置分為相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，即水循環(huán)系統(tǒng)和用于加熱工質(zhì)水的空氣循環(huán)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。水循環(huán)系統(tǒng)包括水箱、水泵、換熱室（試驗(yàn)段）、連接管道，以及各類測(cè)量?jī)x表。水泵將水箱中的水輸送到布置有實(shí)驗(yàn)用螺旋鰭片管的試驗(yàn)段中，用于吸收高溫空氣中熱量；管束采用錯(cuò)列布置；水流量的測(cè)量采用LWGY 15B型渦輪流量測(cè)量裝置，測(cè)量精度達(dá)到0.5級(jí)；換熱室進(jìn)、出口工質(zhì)水側(cè)的溫度測(cè)量采用PT100鉑電阻測(cè)量計(jì)，測(cè)量精度達(dá)到A級(jí)。高溫空氣循環(huán)系統(tǒng)包括引風(fēng)機(jī)、電加熱器、換熱室煙道、連接煙風(fēng)道，以及各類測(cè)量?jī)x表。引風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī)，選擇合適的揚(yáng)程用于克服整個(gè)空氣循環(huán)系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，保證空氣循環(huán)流動(dòng)；電加熱器用于加熱空氣，使其成為高溫空氣，從而去加熱工質(zhì)水；空氣循環(huán)系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表主要包括空氣流量測(cè)量，換熱室進(jìn)、出口空氣溫度測(cè)量，換熱室進(jìn)、出口空氣壓差測(cè)量等。空氣流量測(cè)量采用流量噴嘴和流量變送器進(jìn)行測(cè)量，換熱室進(jìn)、出口空氣溫度測(cè)量采用銅 康銅熱電偶進(jìn)行測(cè)量，換熱室進(jìn)、出口空氣壓差測(cè)量采用EJA120A型差壓變送器，測(cè)量精度達(dá)到0.2級(jí)；所有測(cè)量?jī)x表試驗(yàn)前都經(jīng)過(guò)標(biāo)定。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)升壓后，被送進(jìn)電加熱器加熱，然后高溫空氣通過(guò)連接風(fēng)道進(jìn)入換熱器（試驗(yàn)段），高溫空氣橫向沖刷螺旋鰭片管束，與螺旋鰭片管束內(nèi)的水產(chǎn)生熱交換，工質(zhì)水的流向與空氣的流向呈現(xiàn)逆流的方式，在換熱室內(nèi)進(jìn)行熱交換后低溫空氣回到風(fēng)機(jī)入口，形成空氣循環(huán)系統(tǒng)。

2.3 試驗(yàn)鰭片管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

用于本次試驗(yàn)研究所采用的螺旋鰭片管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是在實(shí)際工程中常用的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，這樣選取的目的是為了使試驗(yàn)結(jié)果更加接近實(shí)際工程。在選取試樣管時(shí)，故意改變某些特定的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如鰭片高度、鰭片間距、管子間距、管子直徑等，以便分析這些特定的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)傳熱和阻力特性的影響。本次試驗(yàn)研究用鰭片管共選取了10種試樣管，具體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。

表1 折齒形螺旋鰭片管錯(cuò)列管束試驗(yàn)元件主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

根據(jù)以上10種試樣管的傳熱和阻力準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，可以以鰭片管某一結(jié)構(gòu)參數(shù)作為特定變量，將不同特定參數(shù)的折齒形螺旋鰭片管束試驗(yàn)結(jié)果的傳熱特性和阻力特性擬合成曲線，從中可以看出特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)（在以上結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)）對(duì)傳熱和阻力特性的影響。

試樣編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)的試樣管除了鰭片間距不同外，其他結(jié)構(gòu)尺寸均相同。繪制1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)的試樣管傳熱特性和阻力特性曲線見(jiàn)圖2。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，可以得到折齒形螺旋鰭片管束的傳熱和阻力準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式（見(jiàn)表2）。

表2 折齒形螺旋鰭片管束傳熱和阻力準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式

圖2 鰭片間距對(duì)傳熱與阻力特性的影響曲線

從圖2可以看出鰭片間距對(duì)傳熱與阻力特性的影響：2號(hào)試樣管鰭片間距最小，Nu最??；1號(hào)試樣管鰭片間距最大，Nu最大；3號(hào)試樣管間距居中，Nu也居中，但是與1號(hào)試樣管比較接近。由此得出：隨著鰭片間距的增加，Nu隨之增加，即煙氣側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)增加，但是增加的幅度越來(lái)越小。煙氣阻力特性正好相反，2號(hào)試樣管鰭片間距最小，Eu卻最大；1號(hào)試樣管鰭片間距最大，Eu卻最小；3號(hào)試樣管鰭片間距居中，Eu也居中。由此得出：隨著鰭片間距增加，Eu隨之下降，即煙氣阻力系數(shù)下降。

試樣編號(hào)為3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)是針對(duì)外徑為38mm的試樣管，除了鰭片高度和齒高度不同外，其他結(jié)構(gòu)尺寸均相同。繪制3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)試樣管傳熱特性和阻力特性曲線見(jiàn)圖3。

圖3 鰭片高度對(duì)傳熱與阻力特性影響曲線

從圖3可以看出外徑為38mm螺旋鰭片管，其鰭片高度對(duì)傳熱與阻力特性的影響：3號(hào)試樣管鰭片高度為15.9mm，Nu最大；4號(hào)試樣管鰭片高度為13.9mm，Nu最小；5號(hào)試樣管鰭片高度為17.9mm，Nu居中。由此得出：隨著鰭片高度的增加，Nu呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。鰭片管高度采用15.9mm比采用其他兩種高度對(duì)于煙氣阻力特性來(lái)說(shuō)，4號(hào)試樣管鰭片高度最小，Eu也最??；5號(hào)試樣管鰭片間距最大，Eu也最大；3號(hào)試樣管鰭片高度居中，Eu也居中。所以隨著鰭片高度增加，Eu隨之增加，即煙氣阻力系數(shù)增加。

試樣編號(hào)為8號(hào)、9號(hào)是針對(duì)外徑為51mm試樣管，除了鰭片高度和齒高度不同外，其他結(jié)構(gòu)尺寸均相同。繪制8號(hào)和9號(hào)試樣管傳熱和阻力特性曲線見(jiàn)圖4。

圖4 鰭片高度對(duì)傳熱與阻力特性影響曲線

從圖4可以看出外徑為51mm的螺旋鰭片管，其鰭片高度對(duì)傳熱與阻力特性的影響：8號(hào)試樣管鰭片高度為19.05mm，Nu較??；9號(hào)試樣管鰭片高度為21.05mm，Nu較大。由此得出：隨著鰭片高度從19.05mm增加到21.05mm，Nu呈現(xiàn)先增加的趨勢(shì)，但是根據(jù)外徑為51mm的螺旋鰭片管試驗(yàn)結(jié)果，還很難判斷隨著鰭片高度的繼續(xù)增加，Nu也會(huì)繼續(xù)增加，這一點(diǎn)只有待后續(xù)研究結(jié)果。對(duì)于煙氣阻力特性，8號(hào)試樣管鰭片高度較小，Eu也較小。9號(hào)試樣管鰭片間距較大，Eu也較大。所以隨著鰭片高度增加，Eu隨之增加，即煙氣阻力系數(shù)增加，這個(gè)趨勢(shì)與直徑為38mm的管子一樣。

試樣管3號(hào)、6號(hào)、7號(hào)和10號(hào)除了管束的橫向節(jié)距不同外，其他結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)均一樣。繪制3號(hào)、6號(hào)、7號(hào)和10號(hào)試樣管傳熱特性和阻力特性曲線見(jiàn)圖5。

圖5 橫向節(jié)距對(duì)傳熱與阻力特性影響曲線

從圖5中可以比較直觀地看出管束橫向節(jié)距對(duì)傳熱特性與阻力特性的影響：7號(hào)試樣管的橫向間距最小，Nu也最小，而Eu卻最大；10號(hào)試樣管的橫向間距最大，Nu也最大，而Eu卻最小；3號(hào)試樣管橫向間距比6號(hào)試樣管大，3號(hào)試樣管Nu比6號(hào)試樣管大，而3號(hào)試樣管Eu比6號(hào)試樣管小。所以隨著管束橫向節(jié)距的增加，Nu隨之增加，即對(duì)流傳熱系數(shù)隨著管束橫向節(jié)距的增加而增加；隨著管束橫向節(jié)距的增加，Eu隨之下降，即煙氣阻力系數(shù)隨著橫向節(jié)距的增加而下降。

試樣管5號(hào)和8號(hào)為兩種不同外徑、鰭片高度、管束橫向間距和縱向間距的鰭片管，代表余熱鍋爐中兩種常用的不同規(guī)格的螺旋鰭片管結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。繪制這兩種規(guī)格試樣管在相同鰭片間距下的傳熱特性和阻力特性曲線見(jiàn)圖6。

圖6 兩種不同規(guī)格對(duì)傳熱與阻力特性的影響曲線

從圖6中可以看出兩種不同規(guī)格的螺旋鰭片管的傳熱特性與阻力特性情況：直徑為51mm的鰭片管Nu要比直徑為38mm的鰭片管的略大，非常接近，說(shuō)明這兩種規(guī)格的螺旋鰭片管在各自常規(guī)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)下，傳熱系數(shù)相當(dāng)；但是直徑為51mm的鰭片管Eu比直徑為38mm的鰭片管的大，說(shuō)明這兩種規(guī)格的螺旋鰭片管在各自常規(guī)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)下，51mm鰭片管的煙氣阻力比直徑38mm的鰭片管大。

3 結(jié)語(yǔ)

從試驗(yàn)結(jié)果看，以下幾點(diǎn)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中值得注意：

（1）鰭片間距越大，傳熱系數(shù)越大，阻力系數(shù)越小；但是鰭片間距越大，單管受熱面積越小，所以不能一味地增加鰭片間距，根據(jù)實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)，通常在每毫米0.118～0.291片選取比較合適。

（2）對(duì)外徑38mm的鰭片管，隨著鰭片高度增加，傳熱系數(shù)先增加后減少。所以目前選擇的鰭片高度15.9mm是比較合理的；對(duì)外徑51mm的鰭片管，鰭片高度從19.05mm增加到21.05mm，傳熱系數(shù)和阻力系數(shù)均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，具有優(yōu)化的空間。如果條件允許，還可以在對(duì)更高的鰭片高度進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

（3）橫向節(jié)距越大，傳熱系數(shù)越大，阻力系數(shù)越?。坏菣M向節(jié)距越大，受熱面占據(jù)的空間越大，對(duì)綜合成本不利，所以不能一味地增加橫向節(jié)距。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，橫向節(jié)距在95～114mm是比較合理的。

（4）兩種規(guī)格的鰭片管在其各自的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)下，傳熱系數(shù)基本接近，而大口徑管的阻力系數(shù)遠(yuǎn)比小口徑管大，而且大口徑管子的成本比小口徑管大。所以在滿足工質(zhì)流速條件的前提下，盡量采用小口徑的鰭片管。

［1］楊世銘，陶文栓.傳熱學(xué)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］佚名 .鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法［M］.原蘇聯(lián)1973年版.北京鍋爐廠設(shè)計(jì)科，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976.