H型肋片管計(jì)算說(shuō)明

H型肋片管對(duì)流傳熱性能研究項(xiàng)目建議研究目的低溫省煤器作為進(jìn)一步降低大型燃煤電站鍋爐排煙熱損失、提高鍋爐效率的重要節(jié)能設(shè)備，目前已成為實(shí)現(xiàn)電站鍋爐深度節(jié)能的研發(fā)重點(diǎn)。布置于回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器后的低壓省煤器，其作用為利用低壓加熱器加熱后的凝結(jié)水將煙氣溫度由120°C降低為80。（左右，從而實(shí)現(xiàn)提高電站效率的目的。在煙氣流量、進(jìn)出口溫度一定條件下，低壓省煤器所采用肋片管結(jié)構(gòu)、布置方式及傳熱溫壓是影響其傳熱及阻力性能的主要因素。蘇聯(lián)熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中有肋片管的相關(guān)計(jì)算方法，包括傳熱系數(shù)計(jì)算與阻力計(jì)算，不過(guò)由于并沒(méi)有原生對(duì)于H型肋片管的計(jì)算，而需要采用方型肋片管的計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，因而產(chǎn)生一定的偏差。因此通過(guò)熱態(tài)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，確定一個(gè)誤差范圍，這值得考慮。針對(duì)低壓省煤器的設(shè)計(jì)工況，在熱態(tài)風(fēng)洞上進(jìn)行了模擬其工作狀態(tài)下的H型肋片管傳熱及流動(dòng)特性試驗(yàn)研究，得到了肋片管結(jié)構(gòu)參數(shù)不同情況下，以及順列和錯(cuò)列布置情況下傳熱系數(shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式和流動(dòng)阻力計(jì)算關(guān)聯(lián)式，為大型電站鍋爐低壓省煤器的設(shè)計(jì)計(jì)算提供可參考的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)試方法介紹試驗(yàn)研究在大型熱態(tài)傳熱風(fēng)洞上進(jìn)行采，試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖1-接風(fēng)機(jī)2-空氣入口管3-蝶閥4-天然氣燃燒器5-試驗(yàn)段換熱器6-流量計(jì)7-節(jié)流閥8-

水泵9-控溫水箱10大氣出口試驗(yàn)段煙道截面為300x600mm,長(zhǎng)度為1000mm。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)燃燒天然氣模擬實(shí)際鍋爐尾部煙氣。通過(guò)調(diào)節(jié)天然氣燃燒器出力大小，控制煙氣溫度。通過(guò)控制入口空氣管道上的蝶閥控制流經(jīng)試驗(yàn)段換熱器管束的流速。試驗(yàn)過(guò)程中保持水側(cè)流速為1m/s左右，入口水溫為70^左右，煙氣側(cè)入口煙溫為150r左右。圖2與圖3為順列與錯(cuò)列的管路連接方式。圖2 換熱器肋片管束順列連接方式

圖表3換熱器肋片管束錯(cuò)列連接方式試驗(yàn)系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)布置情況如圖4所示。天然氣入口流量通過(guò)測(cè)點(diǎn)1天然氣流量表盤(pán)在一定時(shí)間內(nèi)的讀數(shù)差值確定；空氣入口溫度通過(guò)測(cè)點(diǎn)2熱電偶測(cè)得；空氣入口全壓通過(guò)測(cè)點(diǎn)2處的畢托管全壓口引出到U形管測(cè)得；空氣入口動(dòng)壓通過(guò)測(cè)點(diǎn)2處的畢托管全壓與靜壓口引出到U形管測(cè)得壓差測(cè)得；試驗(yàn)段入口煙氣溫度通過(guò)均勻布置12個(gè)熱電偶的測(cè)點(diǎn)3測(cè)得；試驗(yàn)段入口煙氣全壓通過(guò)測(cè)點(diǎn)3處的畢托管全壓口引出到U形管測(cè)得；試驗(yàn)段入口水溫通過(guò)測(cè)點(diǎn)4插入管道的水銀溫度計(jì)測(cè)得；試驗(yàn)段入口水量通過(guò)流量計(jì)測(cè)得；試驗(yàn)段出口煙氣溫度通過(guò)均勻布置12個(gè)熱電偶的測(cè)點(diǎn)5測(cè)得；試驗(yàn)段出口煙氣全壓測(cè)點(diǎn)5處的畢托管全壓口引出到U形管測(cè)得；試驗(yàn)段出口水溫通過(guò)測(cè)點(diǎn)6插入管道的水銀溫度計(jì)測(cè)得;大氣壓力由大氣壓力表測(cè)得。測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)1煙氣出口圖4測(cè)點(diǎn)布置圖

研究?jī)?nèi)容研究中關(guān)鍵數(shù)據(jù)為：傳熱系數(shù)與煙氣側(cè)放熱系數(shù)；傳熱系數(shù)與煙氣側(cè)放熱系數(shù)所對(duì)應(yīng)的最小截面煙氣流速;流經(jīng)換熱器阻力；換熱器阻力對(duì)應(yīng)的煙氣動(dòng)壓頭;肋片管結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)以上數(shù)據(jù)的影響。并通過(guò)對(duì)比蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)結(jié)果，為工程應(yīng)用中的計(jì)算提供可以參考的建議。傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)是衡量肋片管性能的最主要因素，較大的傳熱系數(shù)意味著較小的換熱面積，以及較小的管材消耗量。傳熱系數(shù)的確定主要是根據(jù)下式進(jìn)行：Q=kAAt式中，Q為換熱量，k為換熱系數(shù)，A為換熱面積，At為換熱工質(zhì)對(duì)數(shù)溫壓。Q的計(jì)算采用流經(jīng)換熱器水側(cè)的進(jìn)出口溫差，通過(guò)下式得到：(2)Q=cmAtp(2)式中，cp為水的比熱，kJ/（kg?K）；m為水的質(zhì)量流量，kg，可通過(guò)測(cè)點(diǎn)4得到;此處的At為水進(jìn)出口溫差，K，可通過(guò)測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)6得到。A=j§(6DA=j§(6D-2d)+兀d(s-5)+2xpbD2-4兀d2-p（D-d）｝x xz1xz2（3）pb式中，少為肋片厚度，m；D為方型肋片邊長(zhǎng)，m；d為基管外徑，m；%為肋片間距，m；p為肋片縫隙寬度，m；a為單管管長(zhǎng)也就是煙道垂直寬度，m。將單根H型肋片管換熱面積乘以管束排數(shù)和列數(shù)z1和z2，就可以得到煙氣側(cè)總換熱面積A，m2。換熱溫差A(yù)t是指煙氣與水之間對(duì)數(shù)平均溫差，由試驗(yàn)段進(jìn)出口的較大較小AtAt=AtD-AtxIAtlndAtx⑷式中，AtD為較大溫差，。C；Atx為較小溫差，。C。煙氣溫度與水溫可通過(guò)測(cè)點(diǎn)3、

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的是對(duì)流管束的傳熱系數(shù)，包含了煙氣側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)、管壁導(dǎo)熱系數(shù)及水側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)。由于管內(nèi)采用達(dá)到湍流區(qū)的未飽和水進(jìn)行換熱，因此水側(cè)放熱系數(shù)足夠大以至于在傳熱系數(shù)中可以忽略不計(jì)。同時(shí)，管壁由于較薄，管壁的熱阻同樣被忽略。因此在蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)算法中給出的傳熱系數(shù)可簡(jiǎn)化為如下形式：式中，口1為考慮了受熱面與肋片的傳熱熱阻，同時(shí)還考慮了污垢層熱阻的煙氣側(cè)放熱系數(shù)，W/（m2.。。。其計(jì)算公式如下:。：=]H即+牛。：=]H即+牛Wa pnd1+￡Wap。d(6)TOC\o"1-5"\h\z式（6）中，H指的是肋片的表面積，m2,對(duì)于管長(zhǎng)為a的H型肋片管而言，其值為： “H=.8（6D-2d）+2xD2-4kd2-p（D-d）]|x土 （7）p。H=]§(6D-2d)+kdH=]§(6D-2d)+kd(s-8)+2xp。D2-—kd2-p（D-d）|]x-^ （8）4 」Jsp。E為肋片有效系數(shù)，根據(jù)肋片形狀參數(shù)%與D/d按線(xiàn)算圖查出，其中hpz為肋片高度，m；8為：| 2waP=1 p^ （9）^認(rèn)（1+8Wa）線(xiàn)算圖可以參閱《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》（機(jī)械工業(yè)出版社）第319頁(yè)。為了便于計(jì)算，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中E的計(jì)算根據(jù)線(xiàn)算圖上取部分點(diǎn)擬合出公式進(jìn)行，這樣較查圖更為方便。式（9）中，Am為肋片金屬的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m.。。。%。為肋片表面放熱不均勻系數(shù)，對(duì)于H型肋片管，取0.85?！槔咂撞考訉捊佑|面的影響系數(shù)。8為污染系數(shù)，考慮到試驗(yàn)中使用天然氣作為燃料，因此其值取為0，實(shí)際運(yùn)行中的換熱器由于在鍋爐的尾部煙道中，這一項(xiàng)的值需要重新考慮其工況再做確定。心d為煙氣側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)，W/（m2.。。，在接下來(lái)的一節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明。煙氣側(cè)放熱系數(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)的傳熱系數(shù)，是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，但是蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的傳熱系數(shù)是通過(guò)煙氣速度與肋片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)對(duì)應(yīng)的擬合公式計(jì)算得到煙氣側(cè)放熱系數(shù)，再通過(guò)其與傳熱系數(shù)的相應(yīng)關(guān)系式計(jì)算得到。煙氣側(cè)的放熱系數(shù)勾就是計(jì)算中的關(guān)鍵，也是實(shí)驗(yàn)需要得到的最終結(jié)果之一?！跺仩t機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》中關(guān)于煙氣側(cè)放熱系數(shù)的獲取推薦查線(xiàn)算圖或者根據(jù)以下公式計(jì)算，對(duì)于方形肋片管順列橫向沖刷的放熱系數(shù)為：=0.92x0.105=0.92x0.105CCS

pb、0.72J(10)式中，q為橫列排數(shù)影響修正系數(shù)。Cs為管束幾何布置的修正系數(shù)。Ev是煙氣平均溫度下對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)。對(duì)于方形肋片管錯(cuò)列橫向沖刷的放熱系數(shù)為:入以=0.92x0.23C.入以=0.92x0.23C.W.2—pb式中，q為橫列排數(shù)影響修正系數(shù)。町為管束幾何布置的參數(shù)，h)3Jpb-0.14/w-s pbkVJ、0.65(11)其值為:(12)中=H

bb'—1(12)2其中氣為橫向相對(duì)管節(jié)距，即s1/d，s1為管排橫向節(jié)距。氣為斜向相對(duì)管節(jié)距，即s，2ld，s'為管排斜向節(jié)距。通過(guò)每個(gè)工況對(duì)應(yīng)的最小截面煙速及管束結(jié)構(gòu)參數(shù)，就可以得到對(duì)應(yīng)的蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中的煙氣側(cè)放熱系數(shù)。而需要得到試驗(yàn)中每個(gè)工況對(duì)應(yīng)的實(shí)際放熱系數(shù)，就必須使用公式（6）、公式（9）以及肋片有效系數(shù)E的相關(guān)公式進(jìn)行迭代計(jì)算。由于蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有H型肋片管的直接計(jì)算方法，因此采用方型肋片管的計(jì)算方法替代。在獲得實(shí)驗(yàn)值放熱系數(shù)與蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)放熱系數(shù)值之后，就可以通過(guò)無(wú)量綱數(shù)的準(zhǔn)則進(jìn)行擬合得到無(wú)量綱準(zhǔn)則公式：(13)式中，Nu與Re的定性尺寸l，m，按照以下公式計(jì)算:

H pG-（H）H pG-I=1—寸d+

kH）此定性尺寸來(lái)源于《鍋爐設(shè)備空氣動(dòng)力計(jì)算（標(biāo)準(zhǔn)方法）＜第三版〉》中關(guān)于橫向沖刷肋片管束時(shí)的定性尺寸設(shè)定，其意義大致為基管直徑與肋片部分水力直徑的一個(gè)比例關(guān)系得到的一個(gè)平均管徑。其中Hpa與H的定義在前文已經(jīng)說(shuō)明，H更指的是肋片上下表面的面積，即不包括端面面積的肋片面積，m2。對(duì)于管長(zhǎng)為a的H型肋片管而言，其值為：H、十XD2-4兀d2-p（D-d）J；X（15）pG式中，〃指的是管長(zhǎng)為a的肋片管上的肋片數(shù)量：n=土 （16）sNu的定性換熱系數(shù)為煙氣側(cè)放熱系數(shù)ad。Re的定性速度為最小截面煙速，具體的計(jì)算方法在下一節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明。煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)與運(yùn)動(dòng)粘度均使用試驗(yàn)段平均煙溫作為定性溫度進(jìn)行計(jì)算。最小截面煙速換熱系數(shù)所對(duì)應(yīng)的最小截面煙氣流速并非通過(guò)直接測(cè)量得到，而是通過(guò)入口空氣量與入口天然氣量的燃燒產(chǎn)物計(jì)算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)后，再根據(jù)試驗(yàn)段的平均全壓與平均煙氣溫度以及最小截面進(jìn)行折算。試驗(yàn)段煙氣的參數(shù)特性可以通過(guò)氣體狀態(tài)方程得到：(17)pV(17)=—^-oT0式中，p0（Pa）、V0（m3/s）及T0（K）均為燃燒產(chǎn)物計(jì)算后標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下數(shù)據(jù)。關(guān)于燃燒產(chǎn)物的具體計(jì)算過(guò)程根據(jù)《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》中第16頁(yè)關(guān)于燃燒產(chǎn)物的計(jì)算進(jìn)行。入口空氣參數(shù)可以通過(guò)測(cè)點(diǎn)2的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)得到，入口天然氣量可以通過(guò)測(cè)點(diǎn)1的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)得到，試驗(yàn)段的平均全壓和平均煙溫可通過(guò)測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)5得到，最小截面積通過(guò)管束結(jié)構(gòu)計(jì)算得到。其中H型肋片管在煙道內(nèi)的最小通流面積為，m2：A=axb-axdxz—2x-^xzxhx5pb式中，b為煙道水平寬度，m。根據(jù)公式（18）,就可以得到最小截面煙氣速度，m/s：(19)V(19)^V Ay肋片管阻力特性肋片管的阻力特性關(guān)系到風(fēng)機(jī)的功耗，是一項(xiàng)直接影響肋片管經(jīng)濟(jì)性的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)段煙氣流經(jīng)管束間阻力，可根據(jù)測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)5所得到的煙氣靜壓差值得到。其對(duì)應(yīng)的煙氣動(dòng)壓頭由下式計(jì)算，Pa：W2pPd=~Y （20）w為試驗(yàn)段最小截面煙速，m/s；p為試驗(yàn)段進(jìn)出口平均密度，kg/m3，通過(guò)測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)5得到的全壓與溫度，通過(guò)氣體狀態(tài)方程得到。通過(guò)《鍋爐設(shè)備空氣動(dòng)力計(jì)算（標(biāo)準(zhǔn)方法）＜第三版〉》中蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)公式，可以計(jì)算出蘇聯(lián)標(biāo)中對(duì)應(yīng)的順列管束阻力，Pa：w2pAp=CCRe-o.o8-z.—（21）以及錯(cuò)列管束阻力，Pa：w2pAp=CRe—0.25.z2.2 （22）公式中相關(guān)參數(shù)請(qǐng)參閱《鍋爐設(shè)備空氣動(dòng)力計(jì)算（標(biāo)準(zhǔn)方法）＜第三版〉》第15頁(yè)的內(nèi)容，特別需要注意的是確定參數(shù)C中存在一個(gè)壓縮管束橫截面的當(dāng)量直徑de的計(jì)算，并且在順列與錯(cuò)列中的定義不同。為了研究對(duì)于單排管束的阻力情況，故將蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)公式轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式：TOC\o"1-5"\h\zEu=xRey （23）l對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的H型順列肋片管為：Eu=0.4153Re-0.08 （24）l對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的H型錯(cuò)列肋片管為：Eu=4.3130Re-0.25 （25）l其中歐拉數(shù)定義為：Eu=-^— （26）ZPW2式中，P與w的值均采用試驗(yàn)段內(nèi)的平均值。肋片管結(jié)構(gòu)參數(shù)影響對(duì)于H型肋片管，可以調(diào)整的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有以下幾項(xiàng)：肋片厚度漢m；肋片高度hpz，m；基管外徑d，m；肋片間距spz，m；肋片縫隙寬度p，m。當(dāng)肋片被“根植”在光管表面上以后，在由管外向管內(nèi)傳熱的情況下，熱量將從翅片頂端沿肋片高度向基管傳遞，同時(shí)周?chē)牧黧w以對(duì)流方式與肋片換熱，其結(jié)果就使得肋片溫度沿高度方向逐漸上升，因此肋片溫度與周?chē)黧w溫度的差值在逐漸縮