干保良

（上海電氣電站設備有限公司 上海發(fā)電機廠，上海 200240）

汽輪發(fā)電機功率越大，相對越經(jīng)濟，但發(fā)電機發(fā)熱更嚴重，所以冷卻技術的進步是發(fā)電機大容量發(fā)展的保證。為了使汽輪發(fā)電機內各部件的溫度保持在絕緣材料和金屬材料允許的限度之內，必須將運行時各部件的損耗以熱的形式傳遞到冷卻介質中，冷卻介質吸收的熱量傳遞給換熱器，再與換熱器中另一介質進行熱交換后移到汽輪發(fā)電機外，冷卻介質散熱后繼續(xù)在發(fā)電機內部進行循環(huán)［1］。所以如何快速、有效地將發(fā)電機內部熱量排出機組，確保發(fā)電機部件在允許的溫度范圍內運行，是汽輪發(fā)電大型化發(fā)展的關鍵問題之一。發(fā)電機單機容量的增大主要依靠發(fā)電機冷卻技術的不斷進步來實現(xiàn)。本文將對汽輪發(fā)電機冷卻系統(tǒng)中的氣體冷卻器進行試驗研究，以期進一步優(yōu)化其換熱與阻力性能。

氣?液間壁式傳熱的熱阻主要集中在氣體側，約占總熱阻的50%以上［2］，所以應主要強化氣體側的傳熱。在實際工程應用中，在換熱管外使用擴展表面來強化對流傳熱，如整體套片式的翅片管式換熱器，其特點是結構緊湊，傳熱效率高。翅片管換熱器以其良好的換熱性能和輕巧的設備外形被廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)中［3］。不同的應用場合，翅片管的型式也不盡相同，包括平直型、波紋形、矩形、H形、開縫型、螺旋型等。對于某一型式的翅片管換熱器，為了進一步優(yōu)化其性能，可采取多種方法，如改變翅片間距、翅片厚度、管徑、管排數(shù)等［4-5］。文獻［6-8］對49種翅片管換熱器的空氣側流動和換熱特性進行了比較全面的試驗研究，分析了不同翅片間距、縱橫向管間距、管外徑、翅片厚度及管排數(shù)等對換熱器性能的影響。Tang等［9］對螺旋型翅片、平直型翅片、開縫型翅片、縱向渦發(fā)生器和混合型翅片等5種翅片管換熱器進行了試驗和數(shù)值模擬研究，并對縱向渦發(fā)生器進行了結構優(yōu)化。楊立軍等［10］對6種不同管束結構的Forge型翅片管換熱器和橢圓形翅片管換熱器進行了試驗和數(shù)值模擬研究，并得到了相關特征數(shù)關聯(lián)式，研究結果對相關空冷系統(tǒng)的選型及運行具有指導意義。屈治國等［11］基于對普通平直翅片和開縫翅片傳熱特性的數(shù)值模擬分析指出，開縫翅片能有效實現(xiàn)強化傳熱的本質是開縫改善了翅片間流場和溫度場的協(xié)同性。衣志超等［12］對5種不同開縫翅片管換熱器進行了數(shù)值模擬，獲得了不同管間距對開縫翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響規(guī)律。屠琦瑯等［13］通過改變翅片間距和開縫高度對雙向開縫翅片管換熱器進行了數(shù)值模擬和試驗驗證，研究成果可為雙向開縫翅片管換熱器的結構和性能優(yōu)化提供依據(jù)。

目前對各種翅片管換熱器傳熱與阻力特性的研究仍在不斷發(fā)展過程中，改變翅片間距會改變翅片管換熱器的換熱面積和氣側擾動強度，故合理的翅片間距可使翅片管換熱器在阻力增加較小的情況下盡可能提高其傳熱性能，以達到強化傳熱和節(jié)能的目的。本文采用?；囼灧椒ㄑ芯砍崞g距對平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響，以便為此類換熱器在汽輪發(fā)電機中的應用及結構與性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)包括空氣循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？諝庋h(huán)系統(tǒng)主要包括空氣電加熱器、整流格柵、試驗段、噴嘴流量箱和引風機等。在循環(huán)風洞中空氣被電加熱器加熱到試驗工況所需的溫度，經(jīng)過整流格柵整流，空氣流速均勻分布后，到達試驗段，橫向沖刷平直翅片管換熱器（試件）。熱空氣與管內冷卻水進行換熱冷卻后進入噴嘴流量箱，最后經(jīng)引風機加壓后再次到達電加熱器形成空氣循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)主要包括穩(wěn)壓水箱、電加熱器、水泵、電磁流量計和試驗段。冷卻水在穩(wěn)壓水箱中經(jīng)電加熱器加熱到試驗工況要求的溫度后由水泵引出，經(jīng)過電磁流量計，進入試驗段從而冷卻通過試件的熱空氣。其中被加熱后的少量冷卻水直接排放到外界環(huán)境，大部分冷卻水回到穩(wěn)壓水箱，完成循環(huán)。被排放的熱水由外界的補給水在穩(wěn)壓水箱內直接補充，以保證冷卻水系統(tǒng)的總水量穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)的功能主要是對試件進口水溫、進口風溫、水速、風速等進行實時監(jiān)控和調節(jié)，以達到試驗工況要求。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

在試驗過程中，當空氣放熱量與冷卻水吸熱量的誤差在± 2%內時，即可認為試驗工況已穩(wěn)定，可開始采集試驗數(shù)據(jù)。空氣流量由噴嘴測量，試件進、出口空氣溫度由經(jīng)標定的銅?康銅熱電偶網(wǎng)測量，試件進、出口空氣的壓降由精度為0.2級的EJA?120A型差壓變送器測量，進、出口水溫由精度為A級的Pt100熱電阻測量，冷卻水流量由精度為0.2級的AXF040G型電磁流量計測量。測量儀表的輸出信號由ADAM?4118型模塊進行采集，經(jīng)過ADAM?4520型模塊轉換后輸入計算機，通過數(shù)據(jù)采集程序進行自動采集、計算、動態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲。

1.2 試件

平直翅片管換熱器翅片結構如圖2所示，圖中：S1、S2分別為橫向、縱向管間距；do為管外徑；δ為管子壁厚；δf為翅片厚度。試件主要結構參數(shù)如表1所示。試驗段空氣迎風面尺寸（高 × 寬）為 1 300 mm × 404 mm，沿空氣流動方向錯排布置4排管子，每排分別布置11根冷卻水管，共計44根。冷卻水流道為單排進水，共計4個流程，與外側熱空氣呈逆流布置。翅片材料為8011鋁帶，基管管材為TP2紫銅管。

圖2 平直翅片管換熱器翅片結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the fin structure in the plate fin-and-tube heat exchanger

表1 試件主要結構參數(shù)Tab.1 Main structure parameters of the test elements

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

（1）試件傳熱系數(shù)K

總傳熱系數(shù)K為

式中：Ao為試件翅片側換熱總面積，m2；ΔTm為試件管外側熱空氣和管內側冷卻水的對數(shù)平均溫差，℃。

（2）翅片側對流換熱系數(shù)ho

本試件管內、外壁以及翅片表面清潔，故忽略試件的污垢熱阻，同時在數(shù)據(jù)處理時，取翅片效率ηf為1，則翅片側對流換熱系數(shù)ho為

式中：l為管長，m；λb為管子材料導熱系數(shù)，W·m–1·K–1；di為管內徑，m；hi為管內對流換熱系數(shù)（按 Dittus?Boelter公式計算），W·m–2·K–1；Ai為管內換熱面積，m2。

（3）空氣側努賽爾數(shù)Nua、雷諾數(shù)Rea、歐拉數(shù)Eua、摩擦因子f分別為

式中：λa為空氣導熱系數(shù)，W·m–1·K–1；為管束間最小流通截面空氣流速，m·s–1；va為管外空氣運動黏度，m2·s–1；ρa為空氣密度，kg·m–3；N為沿空氣流動方向管排數(shù)。

2 試驗結果及分析

2.1 翅片間距對平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響

不同試驗工況下翅片間距Pf對平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響如圖3所示，其中試件除了翅片間距不同其余結構參數(shù)均相同（見表 1）。

由圖3（a）中可看出，對于不同Pf的翅片管換熱器，其空氣側Nua均隨Rea增大而增大，傳熱性能提高；在同一Rea下，隨著Pf的減小，空氣側Nua逐漸增大，但增大幅度不明顯。其原因為：隨著Rea的增大，Pf減小，氣流擾動增強，傳熱性能提高。但是由于試件為平直翅片，翅片結構平整，對空氣邊界層的破壞作用有限，所以在試驗工況下，即Rea在4 000～8 000范圍內，Pf減小對該翅片管換熱器傳熱性能的強化效果不明顯。

由圖3（b）中可看出，在Pf相同的情況下，空氣側Eua隨Rea的增大而減??；在同一Rea下，隨著Pf的減小，空氣側Eua逐漸增大。這是因為Pf越小，空氣側流通摩擦表面積越大，空氣流經(jīng)試件的擾動越強，故空氣側流動阻力越大。

圖3 翅片間距Pf對平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響Fig.3 Effect of the fin spacing on the heat transfer and flow resistance of plate fin-and-tube heat exchangers

2.2 翅片間距對平直翅片管換熱器綜合流動傳熱性能的影響

為了比較不同Pf對平直翅片管換熱器的綜合流動傳熱性能，本文采用作為性能評價指標。能夠反映流體經(jīng)過傳熱表面時單位功耗的對流換熱強弱，越大，說明換熱器的綜合流動傳熱性能越優(yōu)［10］。

根據(jù)試驗結果可得三種Pf的換熱器的Pf對平直翅片管換熱器的影響如圖4所示。由圖中可看出，在Rea=4 000～8 000 范圍內，隨著Rea的增大，增大，說明隨著Rea的增大，翅片管換熱器的綜合流動傳熱性能不斷提高，這是因為Nua隨Rea的增大而增大，f隨Rea的增大而減小；在同一Rea下，Pf越大，綜合流動傳熱性能最優(yōu)，這是因為隨著Pf減小，雖然空氣側氣流的擾動加劇，換熱性能提高，但是效果并不明顯，而其阻力增大卻較為明顯。此外，雖然 Pf= 2.5 mm 時綜合流動傳熱性能最佳。但當換熱器外形尺寸一定時，Pf越大，其換熱面積越小，其傳熱能力未必最高，因此，在選擇換熱器翅片間距時需要根據(jù)實際情況綜合考慮，選擇最優(yōu)的翅片間距。

圖4 Pf對平直翅片管換熱器綜合流動傳熱性能的影響Fig.4 Effect of the fin spacing on the comprehensive flow and heat transfer performance of plate finand-tube heat exchangers

對于本文所研究的翅片管換熱器，當應用于通風冷卻介質溫升較低而通風阻力要求較高的汽輪發(fā)電機時，可采用 Pf= 2.5 mm；當應用于冷卻介質溫升較高而通風阻力要求較低的汽輪發(fā)電機時，可采用 Pf= 2.2 mm，從而在較低的通風損耗下盡可能提高換熱器的傳熱性能。

3 結 論

采用模化試驗方法研究了平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性，得出以下結論：

（1）空氣側Rea對平直翅片管換熱器的傳熱與阻力性能有明顯影響。由于翅片管換熱器的熱阻主要集中在空氣側，所以通過增大空氣側流速可以增加空氣擾動，提高平直翅片管換熱器的傳熱性能，但空氣側流動阻力也會增加。

（2）Pf在 1.8～2.5 mm 范圍內，Rea在 4 000～8 000范圍內時，在同一Rea下，翅片側Nua隨Pf的增大而增加，但增加幅度不明顯；翅片側Eua隨著Pf的增大而減小。

（3）Rea在 4 000～8 000 范圍內，綜合性能指標隨著Rea的增大而增大；Pf在1.8～2.5 mm范圍內時，同一Rea下，翅片間距Pf= 2.5 mm 的綜合流動傳熱性能最好，但換熱器外形尺寸一定時，此時換熱面積減小，換熱量可能減小，因此需綜合考慮。

（4）將該類型換熱器應用于發(fā)電機，當發(fā)電機通風冷卻介質溫升較低而通風阻力要求較高時，可采用 Pf= 2.5 mm 的翅片間距，以降低發(fā)電機的通風損耗；當發(fā)電機通風冷卻介質溫升較高而通風阻力要求較低時，可采用 Pf= 2.2 mm的翅片間距，從而在較低的通風損耗下盡可能提高換熱器的冷卻能力。