三維變形管用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱器上的傳熱特性研究

文_郝洪亮 林城迪 朱鴻飛 朱冬生 嚴(yán)志遠(yuǎn) 涂愛民

1.國電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司 2.中國科學(xué)院廣州能源研究所

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱器對換熱器防積灰、防結(jié)垢、防積水等性能要求比較嚴(yán)格，相對于翅片管換熱器，三維變形性管在這方面具有較大的優(yōu)勢。本文對翅片管換熱器及三維變形管換熱器進(jìn)行研究，探究管側(cè)及殼側(cè)傳熱與流阻性能，用于指導(dǎo)工程設(shè)計。

1 三維變形管

三維變形管由圓管壓扁扭曲而成，沿管長方向呈螺旋狀，流體在管內(nèi)外流動時，會在垂直于主流的方向產(chǎn)生二次流，從而加強(qiáng)流體對壁面邊界層的擾動，提高流體的湍流度，增強(qiáng)流體的換熱性能。三維變形管每半個扭矩在長軸處都會緊靠在一起，經(jīng)過鋼帶捆扎或者點(diǎn)焊后便可形成一體化的管排，從而大大提升其抗震動性能。

2 管側(cè)流體傳熱及流阻性能

對管側(cè)流體在相同雷諾數(shù)下進(jìn)行數(shù)值模擬，采用的管型分別為三維變形管及圓管，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 三維變形管與圓管結(jié)構(gòu)參數(shù)

將圓管的模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式的計算結(jié)果進(jìn)行比較可以看出，模擬值與經(jīng)驗值存在一定的誤差，但誤差波動范圍小于6%，在誤差所允許的范圍之內(nèi)；隨著雷諾數(shù)的增大，無論是圓管還是三維變形管的傳熱系數(shù)都在增大；在所研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，三維變形管管內(nèi)平均傳熱系數(shù)為2660W·m-2℃-1，比圓管的2022 W·m-2·℃-1高31.6%。

3 殼側(cè)流體傳熱及流阻性能

3.1 實(shí)驗系統(tǒng)圖

對殼側(cè)的流體進(jìn)行實(shí)驗研究，采用與實(shí)際工程相同的工況對三維變形管換熱器和H型翅片管換熱器進(jìn)行測試，換熱器殼側(cè)流體為空氣，入口溫度為21℃，管側(cè)流體為熱水，入口溫度為65.5℃。圖1是測試系統(tǒng)示意圖。

3.2 數(shù)據(jù)處理

為對換熱器的傳熱性能及壓降性能進(jìn)行分析，需要對測量出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，總換熱量Q計算如下：

式中qm為質(zhì)量流量，kg/s；Cp為定壓比熱，kJ/(kg·K)；Δt為進(jìn)出口溫差，℃。

總傳熱系數(shù)K滿足：

式中A為空氣側(cè)總換熱面積，m2；ΔTm為對數(shù)平均溫差，℃；hw為水側(cè)傳熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；Aw為水側(cè)換熱面積，m2；di和do分別為基管內(nèi)外徑，m；λwall為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；l為基管長度，m；ha為空氣側(cè)傳熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；Aa-t為管外壁和空氣的接觸面積，m2；Af為翅片面積，m2；η為翅片效率。

無量綱努塞爾數(shù)Nu和歐拉數(shù)Eu用于表征流體的傳熱及壓降特性，其計算如下：

式中d為殼側(cè)當(dāng)量直徑，m；λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；ΔP為空氣側(cè)壓降，Pa；ρ為空氣的密度，kg/m3；u為空氣的速度，m/s。

圖1 測試系統(tǒng)示意圖

3.3 結(jié)果分析

隨著空氣流速的增加，三維變形管換熱器及H型翅片管換熱器的殼側(cè)傳熱系數(shù)都在增大，但H型翅片管換熱器殼側(cè)傳熱系數(shù)的增加幅度不大，變動范圍為35～55 W/（m2·℃），而三維變形管換熱器殼側(cè)傳熱系數(shù)從70W/（m2·℃）增大到135W/（m2·℃）。相同的空氣流速下，三維變形管換熱器殼側(cè)傳熱系數(shù)的變動范圍為H型翅片管換熱器殼側(cè)傳熱系數(shù)2～2.45倍，且空氣流速越高，三維變形管換熱器殼側(cè)傳熱系數(shù)與翅片管換熱器殼側(cè)傳熱系數(shù)的比值越大。空氣在三維管管束間流動的湍動性會比翅片管的高，從而提高了傳熱效率。

隨著空氣流速的增大，三維變形管換熱器及H型翅片管換熱器的殼側(cè)壓降都逐漸增大，H型翅片管換熱器殼側(cè)壓降變動范圍為28～230Pa，三維變形管換熱器殼側(cè)壓降變動范圍為52～370Pa，相同的空氣流速下，三維變形管換熱器殼側(cè)壓降與H型翅片管換熱器殼側(cè)壓降比值的變動范圍為1.55～2。

4 結(jié)論

模擬燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣加熱器實(shí)際運(yùn)行的工況，對三維變形管換熱器進(jìn)行研究，得到的結(jié)論如下。

三維變形管替代傳統(tǒng)翅片管作為燃機(jī)進(jìn)氣換熱器的換熱元件，由于管子之間可形成自支撐結(jié)構(gòu)，提升了換熱器整體抗震性能，同時克服了表面積灰和腐蝕風(fēng)險。

對三維變形管及圓管管內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，相對于圓管，三維變形管管內(nèi)傳熱系數(shù)可提高31.6%，且二次流的出現(xiàn)加強(qiáng)了速度場與溫度場的協(xié)同性，但削弱了速度場與壓力場的協(xié)同性。

對采用三維變形管和H型翅片管的換熱器進(jìn)行了試驗研究，在測試工況范圍內(nèi)，三維變形管換熱器殼側(cè)的傳熱系數(shù)及壓降分別為H型翅片管的換熱器的2～2.45倍和1.55～2倍，表明了三維變形管換熱器良好的換熱性能。