電站空冷凝汽器新型翅片管流動傳熱性能的數值研究

郭永紅，劉志剛，宋曉皎，李豐亮

（1.山西能源學院，山西 晉中 030600；2.華能澠池熱電有限責任公司，河南 三門峽 472400）

0 引言

直接空冷系統因其在節約水資源方面的巨大優勢而被廣泛應用在中國內陸富煤缺水的火電機組中。直接空冷系統通常由陣列布置的幾十個空冷凝汽器單元構成，其中空冷凝汽器單元主要是由A型布置的翅片管束和位于A型架下方的軸流風機構成。翅片管束作為汽輪機排汽的主要換熱部件，其流動傳熱性能直接關系到機組的經濟高效運行，因此研究構成空冷凝汽器換熱部件的翅片管流動傳熱性能及其強化傳熱具有重要意義。

國內外學者在翅片管的強化傳熱方面具有廣泛的研究。Chi-Wen Lu，Jeng-Min Huang等采用數值方法研究了翅片管的幾何結構參數對兩排翅片管換熱器流動傳熱性能的影響，包括翅片間距、基管間距、翅片厚度、基管直徑。結果表明，隨著橫向基管間距的增大或基管直徑和翅片厚度的減小，翅片管換熱器性能逐漸增強[1]。Harun Bilirgen等對環形翅片管在不同翅片高度、厚度、間距和材質下的流動傳熱性能進行了數值研究。結果表明，翅片間距越小，翅片高度越高，翅片管換熱能力越強[2]。Cathal T.O Cleirigh，William J. Smith通過對三排管螺旋翅片管束傳熱和壓降性能的研究，驗證了數值方法在模擬翅片管方面的可靠性。結果表明，管外努賽爾數和壓降的數值模擬結果與已發表的經驗公式相吻合[3]。Xiaoze Du，Lili Feng等采用實驗和數值模擬的方法對直接空冷系統扁平管矩形翅片管束空氣側的流動傳熱性能進行了研究，同時研究了在翅片表面布置三角小翅后，翅片管束的流動傳熱性能變化，結果表明，在布置某一數量的三角小翅后，翅片管束的換熱性能具有大幅提高[4]。W.M. Song等采用數值方法研究了在單排矩形翅片扁平管翅片上布置交叉斜肋后的流動傳熱性能變化情況，包括不同肋結構、肋間距和肋攻角。結果表明，努賽爾數和摩擦因子隨著肋高度和間距增加而增加，同時入口到第一個交叉斜肋前沿的距離存在一個最優值，使得翅片管流動換熱性能最佳[5]。Lijun Yang等通過數值模擬提出了一種新型的翅片布置形式，即改變翅片在扁平管外的布置角度，以適應空冷單元A型布置模式，防止翅片表面積灰，并得出了該結構翅片管的流動換熱性能[6]。楊立軍等對間冷系統不同形式的翅片管束進行了數值研究，得到了空冷散熱器冷卻空氣流動阻力和對流換熱系數在不同迎面風速下的變化規律。結果表明，隨著迎面風速增加，換熱系數增加幅度小于壓降增加的幅度[7]。

1 計算模型

1.1 物理模型

直接空冷系統常用翅片管基管的結構為扁平管，翅片為波浪形矩形翅片，本文將常規翅片管定義為A型，翅片分割為2個鋸齒的翅片管定義為B型，翅片分割為5個鋸齒的翅片管定義為C型，翅片分割為10個鋸齒的翅片管定義為D型。圖1給出了各型號翅片管的結構示意圖。由于沿管長方向翅片具有周期重復的結構，幾何建模時只考慮一個翅片。翅片管寬度方向呈左右對稱，取翅片管一半作為研究對象即可。

圖1 翅片管模型結構示意圖

翅片管結構參數如圖2所示。其中，相鄰翅片間距為2.3mm，翅片厚度為0.26mm，扁平管壁厚為1.3mm，翅片長度為200mm，翅片寬度為19mm。

圖2 翅片管結構參數/mm

1.2 數學模型及數值方法

針對空冷凝汽器翅片管空氣側物理模型，建立簡化數學模型。根據空氣穿過翅片間的流動與換熱問題，采用(realizable)k-ε模型，控制方程如式（1）所示。

其中，ρ為密度；uj為xj方向的速度分量；φ、Гφ、Sφ代表控制變量、擴散系數及源項[7]。

采用商業軟件Gambit進行幾何建模和網格劃分，在基管和翅片表面進行邊界層網格劃分，對計算域入口段、中間段和出口段分塊進行網格劃分。如圖3所示，給出了邊界條件設定方法?？諝馊肟诹魉倏刂圃?.25~2.75m/s之間變化，入口空氣溫度取288.15K，基管壁溫取324.19K。利用商業軟件ANSYS Fluent進行求解計算。采用simple算法，雙精度計算。能量方程殘差小于10-6，其他方程殘差小于10-4時，認為計算收斂。

圖3 計算域及邊界條件

2 結果及討論

2.1 數據整理方法

采用數值模擬的方法計算翅片管在不同入口空氣流速的情況下，冷卻空氣壓降和進出口溫度，由公式（3）、（5）可得到壓降和對流換熱系數隨迎面風速的關系，進而擬合得到努賽爾數和摩擦因子的特征數關聯式。其整理方法如下。

雷諾數Re定義為：

其中，ρ為空氣密度，kg m-3；μ為空氣動力粘度，Pa s；u為翅片間最小流通截面上的空氣流速，m s-1；D為對應流通截面的水力直徑，m。

空氣在翅片管中的流動壓差Δp定義為：

其中，p1為空氣入口壓力，Pa；p2為空氣出口壓力，Pa。

目前，釀酒過程中高效利用低壓二次蒸汽已成為國內外節能的重點研究和攻關方向，釀酒工業二次蒸汽的汽化熱如都可以回收利用，則生產汽耗、耗標煤量均能在原基礎上大幅度地降低。該系統工藝流程簡單，設備性能可靠，配上自動控制，與工藝自控系統聯網，可確保節能效果。目前釀酒過程二次蒸汽回收這一節能降耗的新技術已被多家酒廠采用，取得了預期的節能效果，具有一定的推廣應用價值。

摩擦因子f定義為：

其中，L為空氣流程，m。

對流換熱系數h定義為：

其中Q為翅片管對流換熱量，W；A為翅片管換熱面積，m2；Δtm為對數平均溫差，K。

努賽爾數Nu定義為：

其中，λ為空氣的導熱系數，W（m·K）-1。所有的定性溫度取空氣進出口溫度的算術平均值。

2.2 結果及分析

圖4、5分別給出了不同鋸齒數翅片管的翅片表面溫度分布和沿流動方向中心截面內溫度場分布圖。由圖可知，翅片管入口溫度梯度較大，沿著流動方向，空氣溫度升高，換熱強度變弱，翅片溫度逐漸升高，在翅片管出口達到最高。和連續翅片相比，翅片的間斷破壞了熱邊界層的持續發展，邊界層沿短翅片長度方向上周期性地形成，使整個翅片換熱面的邊界層具有起始段較薄，熱阻較小的特點，從而強化了換熱。因此，當鋸齒數越多，其換熱性能越好。

圖4 翅片溫度分布/K

圖6 壓降隨迎面風速的變化關系

不同翅片管空氣側對流換熱系數h隨迎面風速uf變化規律如圖7所示。由圖可知，對流換熱系數隨迎面風速的增大而增大，翅片鋸齒數越多，對流換熱系數越高，對流換熱效果越好。說明隨著鋸齒數增加，鋸齒所帶來的擾流作用可以起到強化傳熱的目的。

圖7 對流換熱系數隨迎面風速的變化關系

由公式（2）、（4）和（6）可以整理計算得到摩擦因子f和努賽爾數Nu隨雷諾數Re的變化關系，如圖8和圖9所示?？梢钥闯?，摩擦因子f隨雷諾數Re的增大而減小，在低雷諾數時，其減小趨勢較大，與此同時，在相同雷諾數的情況下，鋸齒數越多，摩擦因子f越大。努賽爾數Nu隨雷諾數Re的增大而增大，低雷諾數時，努賽爾數Nu變化明顯，并且在雷諾數相同時，鋸齒數越多，努賽爾數Nu越大，翅片管綜合換熱性能越強。

圖5 中心截面溫度分布/K

圖8 摩擦因子隨雷諾數的變化關系

圖9 努賽爾數隨雷諾數的變化關系

2.3 特征關聯式

通過模擬可以得到對流換熱系數隨迎面風速的變化關系、摩擦因子和努賽爾數隨雷諾數的變化關系，采用最小二乘擬合原理，可以擬合得到其冪函數關系式，如表1所示?？梢詾橹苯涌绽湎到y空冷凝汽器翅片管的性能計算和設計提供參考。其中，0.5≤uf≤2.75m/s，550≤Re≤3000。

表1 特征數關聯式

3 結論

本文采用數值模擬方法，對直接空冷系統空冷凝汽器常用翅片管以及不同鋸齒數的翅片管的流動傳熱性能進行了數值研究，并得到了壓降和對流換熱系數隨迎面

風速的變化關系，同時得到了摩擦因子和努賽爾數隨雷諾數的變化關系。最終擬合得到對流換熱系數與迎面風速的冪函數關聯式，以及摩擦因子和努賽爾數與雷諾數的特征數關聯式，用以評價不同鋸齒數翅片管流動換熱綜合性能。

結果表明，隨著迎面風速的增加，翅片管進出口壓降增加，空氣對流換熱性能增強，對流換熱系數隨之增高，摩擦因子降低。在低雷諾數時，翅片管的流動換熱性能變化較為明顯。相比于連續翅片，間斷的翅片結構對邊界層的擾動作用明顯，可以有效提高翅片表面傳熱系數。隨著鋸齒數的增加，翅片管的流動換熱性能增強，說明采用鋸齒形翅片可以有效地對翅片管處冷卻空氣的流動進行擾動，強化換熱。