H型翅片管换热性能实验与数值模拟研究

H型翅片管换热性能实验与数值模拟研究

张钧泰

（大唐（北京）能源管理有限公司北京100097）

摘要：H型翅片管在低温省煤器中得到了广泛的应用，其具备良好的传热特性和降阻防磨特性。本文设计了H型翅片管单管实验平台并建立了H型翅片管换热单元数值模拟模型，研究获得了不同流速条件下H型翅片管的换热特性数据，证明了本文设计的实验台和所采用数值模拟方法的可靠性。

关键词：低温省煤器；H型翅片管；实验；数值模拟

引言

低温省煤器是回收锅炉排烟余热的重要设备之一，低温省煤器利用烟气余热来加热凝结水，通过回收排烟热量进入回热系统，可取代部分抽汽，使单位新蒸汽在汽轮机中的做功增加，且与锅炉本身的省煤器相比，由于工况不同，制造成本较低，还可通过合理选择凝结水的取、回水位置及流量来控制烟气对换热器的腐蚀、提高热经济性[1,2]等。西安交通大学林万超教授是国内最早研究低温省煤器技术的学者之一，他提出了多级利用、梯度开发的概念，推动了低温省煤器技术在国内的发展和应用。在低温省煤器的应用过程中，体现出了众多优点：能源利用效率高，通过利用低温省煤器进行烟气余热回收，可以使机组供电煤耗率降低1.5克标准煤/千瓦时以上，具有显著的节能效果[3]；有助于提升除尘效率，烟气通过低温省煤器后进入静电除尘器时的温度可以下降至酸露点以下，从而提高除尘器的除尘效率，对烟尘减排有积极的影响[4]；降低耗水量，若烟气高于脱硫塔工作温度，需要对烟气进行喷水降温。低温省煤器的应用使排烟温度下降，降低了对烟气进行湿法脱硫时的入口温度，从而使脱硫环节的冷却水消耗量减少；保护锅炉空预器，低温省煤器可以用于提高进入空预器的送风温度，从而起到保护锅炉空预器在低负荷及送风温度较低时不被腐蚀。

目前低温省煤器所采用的换热管部件类型主要有光管、H型翅片管、纵向翅片管、螺旋翅片管等[5]。随着前人研究的逐步深入与工业应用的验证，H型翅片管式低温省煤器得到了越来越广泛的应用。据统计，世界上超过70000MW的燃煤电站中均应用了以H型翅片管为主要部件的低温省煤器。H型翅片管作为低温省煤器的主要换热元件，其在传统翅片管的基础上应用了强化换热技术[6]。H型翅片在矩形翅片的基础上，通过前后侧的间隙结构，增加了在翅片迎风侧和背风侧的换热面积，并增强了流体的扰动，从而提高了翅片的平均对流换热系数和翅片效率，达到了强化换热的目的[7]。

论文针对H型翅片管的换热性能展开实验和数值模拟研究，旨在获得H型翅片管的换热性能，并且为后续高效H型翅片管开发奠定实验和数值模拟的基础。

图1实验系统图

1、实验系统与数值方法

本文实验采用在内流风洞内电加热传热管/空气冷却的方式，设计其强化传热实验系统方案，实验系统图如图1所示。实验系统主要由四部分组成，分别为（1）风机出口段、（2）方管实验段、（3）圆管流量计段、（4）数据采集与处理系统。采用电加热管加热H型翅片管壁，使用调压器使管壁达到指定温度，变频风机提供一定范围内的风速，在实验段内，实现一定速度的空气与H型翅片管之间的对流换热。此种方案占用空间更小，布置更为简便，换热部分数据相对较少，后期数据处理过程也更为准确和简单。

实验研究H型翅片管几何尺寸如图2所示，其中管外径D为38mm，管壁厚度为3mm，翅片宽度a为80mm，翅片高度b为80mm，翅片厚度e为2mm，翅片节距s为10mm，翅片间隙c为10mm。

图2H型翅片管几何参数图

图3数值计算区域网格划分

图4网格无关性验证

为验证实验结果的可靠性，本文采用数值模拟的方法获得H型翅片管换热性能，采用Realizablek-ε湍流模型，对流项的离散格式为二阶迎风，压力和速度的耦合关系采用SIMPLE算法处理，流固耦合计算，入口边界为速度入口，入口流体为速度和温度已知的均匀来流；出口边界为压力出口边界条件；上下面为对称边界条件，两个侧面为固体壁面。翅片管内壁温度为设定值，翅片温度由耦合计算确定。为消除网格数量对数值模拟结果的影响，得到网格独立解，以翅片原型为对象进行网格无关性验证。

采用ICEM进行网格划分，如图3所示。对网格数分别为78万、90万、115万和132万、150万的5个模型进行计算，结果如图4所示，网格数超过115万后Eu和Nu的变化均在1％以内，因此选取115万的网格尺寸作为后续网格划分计算标准。

图5不同流速下数值模拟与实验换热系数结果对比

2、实验结果与数值模拟对比分析

为了验证实验系统的可靠性，将H型翅片管换热系数作为所考察参数，对H型翅片管原型进行多轮重复性实验，实验结果显示：原型实验在各工况范围内可靠性较好，不同流速下换热系数随流速升高的变化趋势一致。换热系数偏差一般在±1.1%以内，最大偏差范围在-1.2%到1.5%之间。将实验结果与模拟结果对比见错误！未找到引用源。5，与数值模拟结果相对比而言，实验所得的换热系数随流速上升趋势相对平缓。实验与数值模拟直接所得的换热系数误差范围在11.9%—22.3%之间，高流速下换热系数差异更大。这种现象出现的主要原因可能为：实验与模拟的边界条件并不能保持完全一致，入口温度、压力条件等由于实验室内气温等环境条件随时间的改变会产生差异；实验过程中达到稳态工况的判定方式是3min内翅片管平均壁温变动范围在规定壁温的±0.05℃以内，再进行数据的采集，虽然已经较为精确，但仍可能造成一定的误差；实验管件内虽设置8个热电偶对平均温度进行采集，但不同热电偶之间的焊接工艺存在不可避免的差异，可能导致温度数值读取不精确。总体而言，实验与模拟结果相比误差范围可以接受，实验重复性较好，实验结果可信。

3、结论

H型翅片管式低温省煤器在国内外的低温省煤器系统中得到了越来越广泛的应用，H型翅片管是低温省煤器的主要换热元件。论文针对H型翅片管的换热性能展开实验和数值模拟研究。采用在内流风洞内电加热传热管/空气冷却的方式，设计其强化传热实验系统方案。同时，论文建立了H型翅片管数值模拟模型。获得了不同流速条件下H型翅片管换热系数的变化规律。

参考文献

[1]李伟.低压省煤器在锅炉中的应用研究[D]：上海交通大学，2007．

[2]徐钢，许诚，杨勇平等．电站锅炉余热深度利用及尾部受热面综合优化[J]．中国电机工程学报．2013，33(14)：1-8．

[3]邓汉忠．300MWCFB锅炉尾部烟道增加低压省煤器运行技术分析[J]．锅炉制造．2014(06)：14-16．

[4]何毓忠，何海涛，胡露钧等．低低温电除尘技术的工程应用[J]．中国环保产业．2016(04)：22-24．

[5]刘彦丰，付晓俊．低温省煤器H型鳍片管传热性能的研究[J]．热能动力工程．2017，32(01)：80-85．

[6]杨勇平，杨志平，徐钢等．中国火力发电能耗状况及展望[J]．中国电机工程学报．2013，33(23)：1-11．

[7]孙钟平，吴新，王亚欧．H型鳍片管束传热及流阻特性的数值模拟[J]．动力工程学报．2014，34(05)：382-389．