直接空冷扁平翅片管束散熱性能的實驗研究

席新銘，董澤文，賀威，徐明，楊立軍，杜小澤

(電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206)

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直接空冷扁平翅片管束散熱性能的實驗研究

席新銘，董澤文，賀威，徐明，楊立軍，杜小澤

(電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，北京市 102206)

扁平翅片管束是電站直接空冷系統的基本散熱元件，研究其結構特點和流動換熱特性，對于電站空冷系統的優化設計與高效運行具有重要意義。以直接空冷系統典型的連續蛇形翅片扁平管束為研究對象，通過實驗研究不同的翅片間距對翅片間冷卻空氣的流動換熱特性的影響，以及垂直進風和傾斜進風工況下，翅片散熱性能的變化。結果表明，在相同的風速下，隨著翅片間距的減小，翅片的換熱系數增大，而阻力系數的變化相對復雜。實驗條件下，翅片間距為56.8 mm時整體性能較優。翅片間距一定時，隨著風速的增大，換熱系數逐漸增大，阻力系數逐漸減小。但隨著風速的增加，兩者變化趨勢漸緩。研究結果為扁平管連續翅片結構的進一步優化提供了基礎數據。

直接空冷；扁平管蛇形翅片；翅片間距；流動與傳熱

0 引 言

直接空冷系統由于其優良的節水特性在我國富煤缺水地區得到了廣泛的應用。為強化作為冷卻介質的空氣側傳熱，目前直接空冷凝汽器普遍采用連續蛇形翅片扁平管束作為基本傳熱單元，優化其流動和傳熱性能對空冷系統性能提高具有重要意義。

針對各種形式翅片管散熱器流動傳熱特性的研究已有很多成果。其中，Kim等[1]對22種平翅片管換熱器在不同翅片間距、管排數和排列方式下的換熱特性進行了研究；Yan和Sheen[2]實驗研究了平翅片、波形翅片和百葉窗翅片管束換熱器的壓降和傳熱特性，得到了對流換熱系數和壓降與迎面風速的關系。杜小澤等[3]針對目前我國600 MW直接空冷機組冷端系統的典型結構，通過試驗方法得到了凝汽器翅片側無量綱努塞爾數隨空氣流動雷諾數的變化曲線，擬合出相應的準則關聯式。張凱峰等[4]通過計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)模擬，以60°空冷管束夾角為翅片入口模型，在不同的翅片間距和翅片高度的情況下，對翅片管束的流動換熱特性進行了研究，結果表明：不同風速下存在對應的換熱最強的翅片間距，隨著翅片高度的增加，對流換熱系數減小。溫娟[5-6]采用大渦模擬方法((large eddy simulation，LES)模型，對翅片管的流動換熱特性從渦的發展機理上進行分析研究。其他研究者[7]也采用數值模擬方法，研究了用于空冷散熱器的翅片管束流動換熱特性。

張樹國等[9]建立了蛇形翅片扁平管及直翅片扁平管的三維物理模型和數學模型，利用Fluent軟件進行數值計算，進行對流換熱系數、流動損失、散熱量的對比分析，結果表明：蛇形翅片扁平管翅片的物理結構存在進一步優化空間的可能性，直翅片扁平管具有更優越的冷凝效率。為進一步優化翅片的性能，張璟[10]等針對波浪翅片開展了數值模擬研究，對比分析表明，波浪翅片扁管的性能在一定程度上優于蛇形翅片。Dong[11-12]通過實驗與數值模擬相結合，對比探究16組波紋翅片的流動換熱特性，結果表明，波紋翅片的振幅和翅片長度是影響翅片性能的主要因素，翅片的振幅越小，長度越短，綜合性能越好。馮麗麗等[13-14]采用數值模擬的方法，對扁平管交錯蛇形短翅片結構進行研究，結果表明：隨著短翅片交錯排數的增加，強化傳熱的效果更為明顯，在n=5時，強化傳熱綜合性能評價準則數可達1.05～1.09。

盡管已有眾多研究針對翅片流動傳熱性能的優化開展了系統的研究，但把翅片管束作為研究對象，探索翅片間距對于整體流動傳熱特性影響的研究較少。本文基于實際應用的連續蛇形翅片扁平管束，利用熱態風洞實驗，研究翅片間距對翅片散熱器性能的影響，并進行性能評價。

1 實驗設計及實驗系統

1.1 實驗目的

通過風洞試驗臺，分垂直進風與傾斜進風2種情況，研究5組不同翅片間距的翅片管束在不同風速下的流動換熱特性，分別做出5組工況下管束的性能曲線，并進行性能對比，指導優化方案。

1.2 實驗設備

1.2.1 實驗樣品

圖1為某廠提供的扁平管散熱器，幾何參數見表1，其中A為扁平管長軸長，B為短軸長，δt為管壁厚度，W為翅片長度，Hf為翅片高度，δf為翅片厚度，t為翅片空隙，S1～S5為5組不同的翅片間距。

1.2.2 水循環系統

風洞實驗臺由水側循環和空氣側開式流動組成。

圖1 扁平管蛇形翅片Fig.1 Serpentine fin flat tube表1 扁平管蛇形翅片幾何參數Table 1 Geometric parameters of serpentine fin flat tube mm

水循環系統由恒溫水浴，水泵，流量計和入口聯箱組成。恒溫水浴用以保證進入翅片管束的水溫恒定不變。熱水經水泵加壓進入與扁平管相連的入口聯箱，之后進入扁平管散熱器被冷卻，冷卻后的水通過出口水管流回恒溫水浴，形成閉式循環。

1.2.3 空氣循環系統

空氣系統由變頻柜、風機和風洞構成。變頻柜與風機相連，調節風量。風洞整體包括送風機、擴散段、穩流段、收縮段、穩定段、實驗段和擴散段，風洞系統如圖2所示。空氣由風機引入，經整流后進入實驗段，最終通過擴散段進入大氣，形成開式風洞系統。風道材料為亞克力玻璃，實驗段外部用保溫棉包裹，增強絕熱效果。垂直進風實驗段長1 000 mm，傾斜進風實驗段長2 000 mm，寬約為360 mm。垂直進風時，以1 m長翅片管垂直放置于風道，傾斜進風時，以2 m長翅片管與風道流通方向傾斜30°放置。

1.3 實驗方法

本實驗采用傾斜式微壓計配合皮托管測量翅片管進出口壓差，測量范圍為0～50 Pa，精度為0.2 Pa。實驗采用測溫范圍為-200～300 ℃的銅-康銅(T型)熱電偶測量水的進出口溫度、基管溫度以及空氣進出口溫度，標定后精度為0.1 ℃。以垂直進風為例，每根管的進出口布置1支熱電偶，共12支，測量熱水的進出口溫度。實驗段入口放置1支熱電偶，基管背風面均勻布置12支熱電偶，用以測量空氣的進出口溫度。沿6根基管管長方向，均勻布置24支熱電偶，測量結果取平均值，作為基管的壁面溫度。水的體積流量采用精度為0.5%、量程為0.2～1.2 m3/h的渦輪流量計測量。空氣流速采用型號VT50、精度為3%、量程為0.15～30.0 m/s的熱球風速儀測量。風速儀置于距翅片管入口幾何中心20 cm處。實驗過程中，水側流量保持在1 m3/h左右，空氣側調節變頻柜，以0.2 m/s為間隔，采集11組風速下的數據。每組數據待工況穩定后進行測量，穩定時間約為15 min。

圖2 風洞實驗系統圖Fig.2 Wind tunnel experiment system

1.4 數據處理

1.4.1 空氣側阻力系數與對流換熱系數的計算

管外空氣側的流動阻力系數和換熱系數為

(1)

(2)

(3)

式中ta1和ta2分別為工質的進出口溫度。

1.4.2 無量綱準則數

扁平管蛇形翅片空氣側特征尺寸d[15]為

(4)

以實驗段內空氣側進出口溫度的平均值作為特征溫度，以翅片管束最小截面處的空氣流速ua作為特征速度，可計算得出翅片管空氣側的雷諾數Re、努賽爾數Nu以及綜合評價準則數NPEC

(5)

(6)

(7)

式中：ν為空氣的運動粘度；λa為空氣的導熱率。文中綜合評價準則數的無量綱數Nu0、f0在垂直進風與傾斜進風工況下，均取56.5 mm所對應的值作為基準值，便于比較。

1.5 誤差分析

采用T型熱電偶，測量溫度的最小值為42 ℃，熱電偶自身的最大測量相對誤差為0.1%，標定熱電偶用的恒溫水浴精度為±0.1 ℃；渦輪流量計測量的相對誤差εG=0.5%；VT50熱球風速儀誤差εa=3%；測量實驗件尺寸的卷尺可精確到1 mm。

采用平方根誤差公式來計算實驗結果的不確定度

(8)

(9)

2 結果與討論

本次實驗所測風速為1.0～3.0m/s，每隔0.2m/s測量1組數據。將所得11組數據轉換為無量綱因數，綜合分析5種間距翅片管束在垂直進風和傾斜進風這2種工況下的特性。

2.1 實驗結果

對實驗數據進行整理，得出5種間距翅片管束在垂直進風和傾斜進風這2種條件下的流動換熱特性曲線，并整理出相應的實驗關聯式。流動壓降ΔP、對流換熱系數h與迎面風速v(v規定為風道流量與翅片管束迎風面積的比值)的關系如圖3、4所示。

由圖3、4可以看出，不論在垂直進風、傾斜進風工況下，同一翅片管的流動壓降均隨風速的增大而增大，且增大的趨勢漸快，換熱系數隨風速的增大而增大，且減小與增大的趨勢漸緩。垂直進風工況下，翅片間距分別為56.5 mm與56.8 mm的翅片換熱系數較高，56.5 mm相應的流動壓損較高；傾斜進風工況下，呈現出相同的變化趨勢。對比同一管型在不同工況下的性能可得，垂直進風工況下，翅片管的換熱性能較優，這是由于傾斜進風時，迎面空氣流動發生折轉，進入翅片通道中的空氣流速大大降低造成的。

圖3 流動壓降隨迎面風速的變化關系Fig.3 Pressure drop versus windward air velocity

圖4 對流換熱系數隨迎面風速的變化關系Fig.4 Convection heat transfer coefficient versus windward air velocity

由實驗結果分析可知，翅片管的換熱系數與流動損失均隨著翅片間距的減小而增大。這是由于處于翅片間隙中的冷卻氣流，在間隙減小時，流速增加，冷卻能力增強，因而換熱系數較大，而流道的減小使得流通面積減小，翅片管束阻力增大，因此氣流的流動損失增大。

2.2 性能評價指標及無量綱數關聯式

圖5～7所示為阻力系數f、努賽爾數Nu及綜合評價指標NPEC與雷諾數Re的關系。由圖可以看出，阻力系數f隨著Re的增大而減小，且減小趨勢漸緩；與阻力系數f相反，努賽爾數Nu隨著Re數的增大而增大，在Re較高時趨于平緩；綜合評價指標NPEC在垂直進風時變化較為平緩，在傾斜進風時，隨著風速的增加，呈現出先增大后減小的趨勢。總體來看，垂直進風工況下翅片管的阻力系數較小，換熱系數較大，表現出的性能優于傾斜進風工況。

圖5 f與Re的關系Fig.5 Relationship between f and Re

當翅片管束處于垂直進風工況時，空氣來流與翅片流道方向一致，流動順暢且流速較大，換熱系數較高；當管束處于傾斜進風工況時，空氣來流受到傾斜管束的阻擋與偏折，使得氣流進口阻力損失增大，且進入翅片間隙的流速降低至原來的一半，從而較大程度上增加了空氣側的流動損失，降低了空氣側的換熱能力。因此翅片管束在垂直進風工況下的性能明顯優于相同來流風速的傾斜進風工況。

圖6 Nu與Re的關系Fig.6 Relationship between Nu and Re

圖7 NPEC與Re的關系Fig.7 Relationship between NPEC and Re

由圖7可以看出，垂直進風工況下，間距為56.8、56.5 mm的翅片管綜合評價指標NPEC較高，其中56.8 mm的翅片管總體性能最優。傾斜進風工況下，間距為56.8、57 mm的翅片管綜合評價指標NPEC較高，在高風速區，57 mm的性能較優，整體看來，56.8 mm的翅片管表現出較好的綜合性能。

采用最小二乘擬合原理，對實驗得到的阻力系數f、努賽爾數Nu隨雷諾數Re的變化關系，擬合為冪函數形式，分垂直進風與傾斜進風2種工況列于表2中，可用于直接空冷系統蛇形翅片管散熱器熱力性能計算，為空冷系統散熱器的選型和直接空冷系統優化設計提供理論依據。表2中垂直進風方式下關聯式的適用范圍為260≤Re≤800，傾斜進風方式下關聯式的適用范圍為220≤Re≤690。

表2 用雷諾數表示的翅片管束特征關聯式

Table 2 Correlating equations of finned tubes expressed by Reynolds number (vertical flow)

3 結 論

本文通過風洞試驗臺，對10組不同尺寸的蛇形翅片扁平管散熱器的流動換熱特性進行了實驗對比研究，得出了5種不同翅片間距的翅片，分別在垂直進風與傾斜進風這2種工況下，阻力系數f、努賽爾數Nu及綜合評價指標NPEC與雷諾數Re的關系，并用冪函數的形式擬合出他們之間的特征關聯式，可用于指導空冷散熱器的選型和直接空冷系統的設計和運行。

實驗研究結果表明，垂直進風工況下翅片的綜合性能明顯優于傾斜進風工況，這是由于翅片流道的傾斜布置對進口風的折轉作用造成的。垂直進風工況下，間距為56.8、56.5 mm的翅片管綜合評價指標NPEC較高；傾斜進風工況下，間距為56.8、57 mm的翅片管綜合評價指標NPEC較高；在高風速區，57 mm的性能較優。整體看來，間距為56.8 mm的翅片管表現出較好的綜合性能。

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(編輯：蔣毅恒)

Experimental Study on Heat Transfer Property of Direct Air-Cooling Flat Finned Tube Bundle

XI Xinming, DONG Zewen, HE Wei, XU Ming, YANG Lijun, DU Xiaoze

(Key Laboratory of Power Plant Equipment Condition Monitoring and Control,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Flat finned tube bundle is the basic radiating element of direct air-cooling system in thermal plant, so the study on its structure feature, flow and heat transfer property has important significance to the optimization design and efficient operation of air-cooling system in power plant.Taking the typical continuous serpentine fin flat tubes of direct air-cooling system as examples, this paper studied the impact of different fin spacings on the flow and heat transfer property of the cooling air and the changes of fin’s heat transfer performance under vertical and tilt flow conditions.The result shows that the heat transfer coefficient of fin grows up with the decrease of its spacing at the constant wind speed, while its resistance coefficient varies complexly.Under the experimental conditions, the flat tube with fin spacing of 56.8 mm has the best property.When the fin spacing is constant, with the growth of wind speed, the heat transfer coefficient increases and the resistance coefficient decreases gradually.However, the trends become gentle at high wind speed.The research results can provide basic datas for the further optimization of the structure of continuous flat tube fin.

direct air-cooling; serpentine fin flat tube; fin spacing; flow and heat transfer

國家重點基礎研究發展計劃項目(973項目)(2015CB251503)。

TK 124; TM 621

A

1000-7229(2015)03-0021-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.004

2014-12-01

2015-01-08

席新銘(1979)，男，碩士，工程師，主要從事電站節能及空冷技術研究工作；

董澤文(1990)，男，碩士研究生，主要從事電站空冷技術研究工作；

賀威(1990)，男，碩士研究生，主要從事電站空冷技術研究工作；

徐明(1989)，男，碩士研究生，主要從事電站空冷技術研究工作；

楊立軍(1970)，男，博士，教授，主要從事強化傳熱基礎理論及應用技術、火電站空冷系統設計與運行關鍵技術、燃料電池內的流動與傳熱特性等研究工作；

杜小澤(1970)，男，博士，教授，主要從事強化傳熱與節能、電站空冷技術、新能源發電等研究工作。

Project Supported by National Basic Research Program of China (973 Program)(2015CB251503).