折齒形螺旋鰭片管傳熱和阻力特性試驗研究

單建明，林正春，王恩祿，王利宏，屈昌文

（1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海200240；2.東方日立鍋爐有限公司，浙江嘉興314050）

在燃氣 蒸汽聯合循環機組中，余熱鍋爐主要用于吸收燃氣輪機排氣中的余熱。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氣 蒸汽聯合循環余熱鍋爐中，其受熱面普遍采用平齒形或折齒形螺旋鰭片管。國內外對螺旋鰭片管傳熱特性和阻力特性的研究一直沒有停止，從中也得出一些傳熱和阻力特性計算關聯式，但是得出的結論彼此相差較大，甚至有些結論截然相反，適用的范圍也僅限于所研究的范圍之內，目前尚未形成關于開齒螺旋鰭片管傳熱和阻力計算的統一標準。筆者結合實際工程中常用的幾種折齒形螺旋鰭片管的結構，對其進行具有針對性地試驗研究，從而得出相應的關聯式，更加精確地計算傳熱系數和阻力系數，達到優化鰭片管結構數據的目的。

1 傳熱計算基本理論

燃氣-蒸汽聯合循環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氣輪機排氣中的余熱，將給水加熱成具有一定溫度和一定壓力的過熱蒸汽，去沖轉汽輪機發電。在非補燃的余熱鍋爐中，其傳熱方式主要是通過強制對流傳熱。對流傳熱的基本公式［1］如下：

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

余熱鍋爐經過熱平衡計算后，可以確定各級受熱面需要吸收的熱量，即傳熱量Q；其次，可以確定每級受熱面進、出口煙氣側溫度和工質側溫度，所以受熱面進、出口的溫差△t也可以確定；最后只要確定傳熱系數，便可確定傳熱面積。傳熱系數計算的準確性直接影響到傳熱面積。影響傳熱系數的因素很多，包括流動狀態，流體的物理性能，換熱器表面的幾何尺寸、形狀、布置等。

根據熱阻疊加原理，傳熱系數K的經典計算公式［2］如下：

式中：a1為管外放熱系數，即煙氣對管子外壁的放熱系數；ε為灰污層熱阻，即通常所說的沾污系數；am為管壁金屬熱阻；af為管內水垢層熱阻；a2為管內放熱系數，即管子內壁對管內工質的放熱系數。

對于ε、am、af、a2，鍋爐熱力計算標準有相應的計算公式或推薦數據；而對于a1，由于影響因素較多，目前尚未有針對齒形螺旋鰭片管標準計算公式。

2 折齒形螺旋鰭片管試驗研究

2.1 試驗原理

對于折齒形螺旋鰭片管束強制對流傳熱，其傳熱特性可以用努塞爾數Nu表示，其計算關聯式［1］如下：

式中：C1、n、m均為待定的常數；Re和Pr分別為雷諾數和普朗特數。對于普朗特數在0.5～15內的流體，指數m＝0.33，如空氣、燃氣排氣等。所以，只要通過試驗得到不同雷諾數Re下所對應的氣側努塞爾數Nu，就可以確定關聯式中常數C1和n的值，從而得出折齒形螺旋鰭片管束傳熱準則關聯式。

對于煙氣阻力系數，也可以用相似準則數歐拉數Eu表示，其計算關聯式如下：

式中：C2、n＇均為待定常數。只要通過試驗得到不同雷諾數Re下所對應的歐拉數Eu，就可以確定關聯式中常數C2和n＇的值，從而獲得折齒形螺旋鰭片管束阻力準則關聯式。

2.2 試驗系統介紹

用于本次試驗的試驗裝置為高溫空氣循環回流傳熱和風洞試驗裝置。試驗裝置分為相對獨立的兩個系統，即水循環系統和用于加熱工質水的空氣循環系統（見圖1）。水循環系統包括水箱、水泵、換熱室（試驗段）、連接管道，以及各類測量儀表。水泵將水箱中的水輸送到布置有實驗用螺旋鰭片管的試驗段中，用于吸收高溫空氣中熱量；管束采用錯列布置；水流量的測量采用LWGY 15B型渦輪流量測量裝置，測量精度達到0.5級；換熱室進、出口工質水側的溫度測量采用PT100鉑電阻測量計，測量精度達到A級。高溫空氣循環系統包括引風機、電加熱器、換熱室煙道、連接煙風道，以及各類測量儀表。引風機采用變頻風機，選擇合適的揚程用于克服整個空氣循環系統的流動阻力，保證空氣循環流動；電加熱器用于加熱空氣，使其成為高溫空氣，從而去加熱工質水；空氣循環系統的測量儀表主要包括空氣流量測量，換熱室進、出口空氣溫度測量，換熱室進、出口空氣壓差測量等。空氣流量測量采用流量噴嘴和流量變送器進行測量，換熱室進、出口空氣溫度測量采用銅 康銅熱電偶進行測量，換熱室進、出口空氣壓差測量采用EJA120A型差壓變送器，測量精度達到0.2級；所有測量儀表試驗前都經過標定。

圖1 試驗系統圖

空氣經風機升壓后，被送進電加熱器加熱，然后高溫空氣通過連接風道進入換熱器（試驗段），高溫空氣橫向沖刷螺旋鰭片管束，與螺旋鰭片管束內的水產生熱交換，工質水的流向與空氣的流向呈現逆流的方式，在換熱室內進行熱交換后低溫空氣回到風機入口，形成空氣循環系統。

2.3 試驗鰭片管結構數據

用于本次試驗研究所采用的螺旋鰭片管結構數據是在實際工程中常用的結構數據，這樣選取的目的是為了使試驗結果更加接近實際工程。在選取試樣管時，故意改變某些特定的結構數據，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構數據對傳熱和阻力特性的影響。本次試驗研究用鰭片管共選取了10種試樣管，具體的結構數據匯總見表1。

表1 折齒形螺旋鰭片管錯列管束試驗元件主要結構數據

根據以上10種試樣管的傳熱和阻力準則關聯式，可以以鰭片管某一結構參數作為特定變量，將不同特定參數的折齒形螺旋鰭片管束試驗結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構參數（在以上結構參數范圍內）對傳熱和阻力特性的影響。

試樣編號為1號、2號和3號的試樣管除了鰭片間距不同外，其他結構尺寸均相同。繪制1號、2號和3號的試樣管傳熱特性和阻力特性曲線見圖2。

2.4 試驗數據處理和結果分析

根據試驗數據處理方法，可以得到折齒形螺旋鰭片管束的傳熱和阻力準則關聯式（見表2）。

表2 折齒形螺旋鰭片管束傳熱和阻力準則關聯式

圖2 鰭片間距對傳熱與阻力特性的影響曲線

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

試樣編號為3號、4號和5號是針對外徑為38mm的試樣管，除了鰭片高度和齒高度不同外，其他結構尺寸均相同。繪制3號、4號和5號試樣管傳熱特性和阻力特性曲線見圖3。

圖3 鰭片高度對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，其鰭片高度對傳熱與阻力特性的影響：3號試樣管鰭片高度為15.9mm，Nu最大；4號試樣管鰭片高度為13.9mm，Nu最小；5號試樣管鰭片高度為17.9mm，Nu居中。由此得出：隨著鰭片高度的增加，Nu呈現先增加后下降的趨勢。鰭片管高度采用15.9mm比采用其他兩種高度對于煙氣阻力特性來說，4號試樣管鰭片高度最小，Eu也最小；5號試樣管鰭片間距最大，Eu也最大；3號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，即煙氣阻力系數增加。

試樣編號為8號、9號是針對外徑為51mm試樣管，除了鰭片高度和齒高度不同外，其他結構尺寸均相同。繪制8號和9號試樣管傳熱和阻力特性曲線見圖4。

圖4 鰭片高度對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，其鰭片高度對傳熱與阻力特性的影響：8號試樣管鰭片高度為19.05mm，Nu較小；9號試樣管鰭片高度為21.05mm，Nu較大。由此得出：隨著鰭片高度從19.05mm增加到21.05mm，Nu呈現先增加的趨勢，但是根據外徑為51mm的螺旋鰭片管試驗結果，還很難判斷隨著鰭片高度的繼續增加，Nu也會繼續增加，這一點只有待后續研究結果。對于煙氣阻力特性，8號試樣管鰭片高度較小，Eu也較小。9號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，即煙氣阻力系數增加，這個趨勢與直徑為38mm的管子一樣。

試樣管3號、6號、7號和10號除了管束的橫向節距不同外，其他結構數據均一樣。繪制3號、6號、7號和10號試樣管傳熱特性和阻力特性曲線見圖5。

圖5 橫向節距對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距對傳熱特性與阻力特性的影響：7號試樣管的橫向間距最小，Nu也最小，而Eu卻最大；10號試樣管的橫向間距最大，Nu也最大，而Eu卻最小；3號試樣管橫向間距比6號試樣管大，3號試樣管Nu比6號試樣管大，而3號試樣管Eu比6號試樣管小。所以隨著管束橫向節距的增加，Nu隨之增加，即對流傳熱系數隨著管束橫向節距的增加而增加；隨著管束橫向節距的增加，Eu隨之下降，即煙氣阻力系數隨著橫向節距的增加而下降。

試樣管5號和8號為兩種不同外徑、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格的螺旋鰭片管結構數據。繪制這兩種規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圖6。

圖6 兩種不同規格對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，說明這兩種規格的螺旋鰭片管在各自常規的結構數據下，傳熱系數相當；但是直徑為51mm的鰭片管Eu比直徑為38mm的鰭片管的大，說明這兩種規格的螺旋鰭片管在各自常規的結構數據下，51mm鰭片管的煙氣阻力比直徑38mm的鰭片管大。

3 結語

從試驗結果看，以下幾點在實際工程設計中值得注意：

（1）鰭片間距越大，傳熱系數越大，阻力系數越小；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，根據實際工程的經驗，通常在每毫米0.118～0.291片選取比較合適。

（2）對外徑38mm的鰭片管，隨著鰭片高度增加，傳熱系數先增加后減少。所以目前選擇的鰭片高度15.9mm是比較合理的；對外徑51mm的鰭片管，鰭片高度從19.05mm增加到21.05mm，傳熱系數和阻力系數均呈現增加的趨勢，具有優化的空間。如果條件允許，還可以在對更高的鰭片高度進行試驗對比。

（3）橫向節距越大，傳熱系數越大，阻力系數越小；但是橫向節距越大，受熱面占據的空間越大，對綜合成本不利，所以不能一味地增加橫向節距。根據實際工程經驗，橫向節距在95～114mm是比較合理的。

（4）兩種規格的鰭片管在其各自的結構數據下，傳熱系數基本接近，而大口徑管的阻力系數遠比小口徑管大，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［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.

［2］佚名 .鍋爐機組熱力計算標準方法［M］.原蘇聯1973年版.北京鍋爐廠設計科，譯.北京：機械工業出版社，1976.