优化内螺纹管传热特性实验研究.pdf

第 3 l卷第6期 湖南电力 H U N A N E L E C T R I C P O WE R 2 0 1 1年 1 2月 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 0 1 9 8 2 0 1 1 0 6 0 0 1 优化内螺纹管传热特性实验研究 陈一平 ，杨东 ，吕当振 。于鹏 峰 ( 1 湖南省电力公司科学研究院，湖南 长沙4 1 0 0 0 7 ； 2 西安交通大学，陕西 西安7 1 0 0 4 9 ) 摘要 ：通过对 6 0 0 MW 超临界 W 火焰锅炉水冷壁的设计与应 用，研 究试验 3 2 mm 6 3 m m四头 1 2 C r l M o V G优化内螺纹管 ( O M L R )在亚临界、近临界、超临界区的流动 传热特性。试验获得了不同工况 ( 压力、热负荷、质量流速)下内螺纹管壁温分布和 内壁换热系数随焓值的变化规律。并根据试验数据 ，拟合建立单相、两相换热 系数计算 关联式 ，同时进一步建立传热恶化发生时的临界条件及干涸后传热计算关联式 ，为锅炉 垂直上升 内螺纹管水冷壁设计和运行提供可靠数据。 关键词 ：超临界 “ W”火焰锅炉；两相流 ；内螺纹管；流动换 热特性 中图分类号 ：T K 2 2 9 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 8 0 1 9 8 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 0 1 0 6 Re s e a r c h o n h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s o f r i b b e d t u b e C HEN Y i - p i n g ， ir ANG d o n g 2 ，L V Da n g - z h e n ， YU P e n g - f c n g ( 1 H u n a n E l e c t r i c P o w e r C o r p o r a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 7 ，C h i n a ； 2 X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，X i a n 7 1 0 0 4 9 ，C h i n a ) Abs t r a c t ：I h e h y d r o d y n a mi c s c h a r a c t e r i s t i c s a n d h e a t t r a n s f e r o f i n t e rnall y rib b e d t u b e s u s e d i n a 6 0 0 MW s u p e r c fit i e a l W b o i l e r we r e i n v e s t i g a t e d i n t h e r a n g e o f s u b c ri t i c a 1 n e a r - c r i ti c a l a n d s u p e r - c rit i c a l p r e s s u r e T h e t e s t s e c t i o n o f t h e f o u r h e a d s i n t e ma l l y r i b b ed t u be s w i t h a d i am e t e r o f I3 2 6 3 mm wa s ma de of 1 2 Cr l Mo VG Ba s e d o n t h e e x p e r i me n t s t h e c h a r a c t e ris t i c s o f t h e i n t e rn a l l y rib b e d t u be s t e mp e rat u r e d i s t r i b u t i o n a n d t h e l a w o f i t s c h an g e s w i t h p r e s s u r e ，n l a 8 8 v e l o c i t y， e n t h a l p y o f wo r k i n g medi u m we r e o b t a i n ed i n t im t e s t Me a n wh i l e，t h e c o r r e l a t i o n s f o r c a l c u l a ti n g i n t e r n a l s u r f a c e h e a t t r a n s f e r c o e ffic i e n t we r e als o a c h i e v ed T h e r e s u l t s wi l l b e u s e f u l for t h e o p e r a t i o n o f wa t e r e v a p o rat o r s wit ll i n t e rnall y rib b e d t u b e s i n t h e fi r s t 6 0 0 MW s u p e r c rit i e a l W b o i l e r of t h e wo r l d Ke y wo r d s：s u p e rerit i e al W bo i l e r ；t wo p h ase fl o w；rib b e d t u be ；h y d r o d y n a mi c s c h a r a c t e ris t i c s 我国煤炭储量中，无烟煤占 1 3 ，依据当前 燃烧政策和能源利用现状 ，电站锅炉燃用无烟煤 、 贫煤等低反应、劣质煤比例约为 2 4 2 ，以往电 站锅炉在燃烧无烟煤时主要选用直流燃烧器四角切 圆燃烧方式的固态排渣煤粉炉，但在实际运行中存 在着火困难、燃烧稳定性差、燃料灰熔点低时易结 渣、飞灰可燃物含量高以及低负荷需投洫稳燃等问 题 。目前美 国 C E公 司和 F w 公 司、英 国 B a b c o c k 公司、法国S te i n 公司、德国M A N公司等在利用劣 质煤，特别是低挥发分的无烟煤时，广泛采用 w 火焰燃烧技术。w 火焰锅炉综合了强化无烟煤燃 烧的多种措施，在燃烧低挥发分无烟煤方面具有较 收稿日 期：2 0 1 1 0 6 - 0 2 为突出的技术优 势。 目前世界上运行的 w 火焰锅 炉都属于亚临界参数机组 ，而超 临界 w 火焰锅炉 一 直是个空白，为了将新型的优化内螺纹管垂直管 圈水冷壁技术应用于超临界 W火焰锅炉的设计 中， 文中针对 中3 2 m mx 6 3 m n l 四头 1 2 C r l Mo V G优化内 螺纹管在亚临界、近临界、超临界区的流动传热特 性进行了试验研究 。 关于内螺纹管传热特性研究早在上世纪 6 0年 代 S w e n s o n等u 就已开展，S w e n s o n 提出了水冷壁 内采用内螺纹结构，能够显著改善其传热性能，相 比于光管，核态沸腾临界条件下质量流速更低， 蒸 汽含汽率更高；随后 N i s h i k a w a 等 】 、Wa t s o n等 第 3 1 卷第 6期 湖南电力 2 0 1 1 年 1 2月 和郑建学等 刮在亚临界压力条件下研究了内螺纹 管沸腾传热特性和临界热负荷特性；1 w a b u c h c h i 等 、雄大纪等 、K o h l e r 等 引、陈听宽等 和 郑建学等l 1 在亚临界、近临界压力条件下研究了 内螺纹管传热和阻力特性。当前大型电站在炉膛高 热负荷区域，尤其是燃烧器区域附近，广泛采用内 螺纹管水冷壁来改善传热，提高临界热负荷，防止 或者推迟传热恶化。由于内螺纹管中两相流传热机 理的复杂性和内螺纹管结构参数对传热的显著影 响，文中深入研究了优化内螺纹管 ( O M L R )传热 特性 ，为世界首 台 6 0 0 MW 超 临界 w 火焰锅炉水 冷壁内螺纹管设计和运行提供可靠数据。 1 试验台架和方法 试验在高压汽水两相流及传热试验台上进行， 试验系统包括升压系统和加热系统，升压系统提供 最大压力为 4 2 M P a ，最大流量 4 5 t h ；加热系统 最大功率为 1 5 0 k W，试验系统如图 1 所示，详细 介绍请见参考文献 4 。试验参数包括亚临界、 近临界和超 临界 区，压力 范围 ：P=1 23 0 MP a ； 质量流速 ：G=2 7 01 4 0 0 k g ( m s ) ；外壁热 负 荷：g = 7 0 3 8 0 k W m 。试验在各压力、流量和热 负荷下，逐步增加预热段功率，直到试验段壁温发 生飞升 ，在此过程中测定受热管的壁温分布，从而 得出内螺纹管在不同工况下的传热特性。 图 1 高压汽水两相 流试验回路 系统 试验 管采用 3 2 mm 6 3 IT U T I 、平 均 内径 为 P 1 9 4 rll l n 、材质为 1 2 C r l M o V G的内螺纹管，该管 为6 0 0 M W超临界 w 火焰锅炉水冷壁，其结构如 图2 所示。内螺纹管试验段热电偶布置见图3 ，其 加热长度为 2 0 0 0 m m，沿管子周围共布置 5 ra in 镍铬一 镍硅热电偶 3 0对，用来测量管外壁温 度。而内壁温度 则通过将系统简化为具有内热 源的一维稳态导热问题 】 ，然后用 R K法进行数 值求解。 2 图 2 四头 内螺纹管结构 试验段 热电偶布置 图3 试验段结构及测点布置 室 2 垂直上升内螺纹管强化换热特性 2 1 亚I I缶 界压力区传热特性 图4示出了压力 尸=1 2 MP a 、质量流速 G： 2 7 0 k g ( m s ) 、不 同热负荷 时试验 管壁及 工质温度随 焓值 ( 干度)的变化规律。如图4所示，在亚临 界压力区由于内螺纹管的旋流作用，壁面上产生的 蒸汽迅速脱离进入主流， 传热强化作用显著， 使得 图4 亚临界 区不 同热 负荷下管壁温度随焓值 ( 干度 )的变化 曲线 流体与管壁的换热系数很高，因此即使在低质量流 速 ( G = 2 7 0 k g ( m s ) ) 工况下，内螺纹管壁在很宽 的蒸汽干度范围内都能得到流体的良好冷却， 壁温 飞升发生时的蒸汽干度值也较高，图5( a )中质 量流速 G = 3 6 0 k g ( m s ) 的壁温变化也具有同样特 性。同时从图4可以看出，在过冷沸腾区，随主流 过冷度减小，工质温度升高，换热系数逐渐增大； 第3 1 卷第6 期 陈一平等：优化内螺纹管传热特性实验研究 2 0 1 1 年 1 2月 在两相蒸发区，换热系数达到最大，并基：本维持不 变；随着工质焓进一步增大，直到干度达到 0 9 l 时 ( g = 1 2 0 k W m ) ，由于液相蒸干而引起传热恶 化，换热系数降低，壁 温开始升高，在焓值从 2 5 8 1 1 2 k J k g 升高到 2 8 2 7 0 5 k J k g过程中，内 壁温从 3 3 4 3 2升 高到 4 6 3 0 9 o C，外 壁温从 3 4 3 4 3 升高到4 7 5 8 2，仍远低于材料的安全 许可温度。同时从图4中可以看出壁面热负荷对传 热影响显著，热负荷越高，壁温飞升点干度越小， 关于这一点会在后续部分进一步阐述。 ( a )P=1 6MP a ，q = 2 0 0 k W m ( b )P=1 6 MP a ，q = 2 5 0 k W m 图5 亚临界区不同质量流速下管壁温度随焓值 ( 干度)的变化曲线 图5 示出了压力 P = 1 6 M P a 、热负荷 9 = 2 0 0和 q = 2 5 0 k W m 时、不同质量流速下管壁及工质温 度随焓值 ( 干度)的变化规律。从图5可以看出， 随着质量流速的提高，亚临界压力下壁温飞升时的 蒸汽干度显著提高。如图 5( a )所示 ，当 G = 3 6 0 k g ( m s )时，发生传热恶化的干度值为 0 8 ；当 G = 6 0 0 k g ( m S )时，发生传热恶化的干度值提 高到0 9 左右；随着质量流速进一步升高，当 G = 8 0 0 k g ( H I s )时，内螺纹管内壁温飞升在接近工 质蒸干时才开始发生，这主要是由于质量流速提高 时，两相流体强制对流的湍流强度得到加强，强化 了湍流传热。 此外，由图 5 ( a )可知，当热负荷 g =2 0 0 k W m 2 时，在未发生传热恶化的两相正常传热区， 质量流速G分别为3 6 0 ，6 0 0和8 0 0 k g ( m s )时， 对应 的内壁温度分别为 4 6 5 4 5，4 2 8 4 1和 3 5 7 6 8左右。与图5( a )相比，在相同工质焓 值的试验点下图5( b )内螺纹管壁温度普遍升高， 当热负荷 g = 2 5 0 k W m ，质量流速为 G = 6 0 0和 G = 8 0 0 k g ( m s )时， 发生传热恶化的干度值分别 为 0 6 8和 O 7 2 ，内壁 温 分 别 为 5 0 0 3 2 和 4 6 4 3 7。试验结果表明，质量流速对内螺纹管 传热的影响是显著的，在相同的压力和热负荷条件 下，质量流速越高，传热效果越好，随着质量流速 的增大，内螺纹管的内壁温水平降低，传热恶化发 生时的干度减小。 2 2 近临界压力区传热特性 图 6示出了压力 P= 2 1 MP a 、质量流速 G= 7 0 0 k g ( m s ) 、不同热负荷时管壁及工质温度随焓值 ( 干度)的变化规律。如图6所示 ，近临界压力区 传热特性与亚临界压力区相似， 在未发生传热恶化 的两相区，内壁温度与工质温度差在5 O 7 0左 右。当 q = 2 5 0 k W m 时 ，发生壁温飞升时的工质 焓值为2 1 3 0 5 7 k J k g ，对应的工质干度为 0 5 3 ； 当热负荷 g 减小到 1 5 0 k W m 时，直到工质干度 接近 1 O 左右才发生壁温飞升。试验结果表明降低 热负荷可以有效地推迟或避免传热恶化发生。 图6 近临界区不同热负荷下管壁温度随焓值 h ( 干度)的变化曲线 图7 给出了近临界压力区，压力 P= 2 1 M P a 、 热负荷 q = 2 5 0 k W m 时、不同质量流速下管壁温 3 第3 1 卷第6期 湖南电力 2 0 1 1 年 1 2月 ( a )P=2 1 MP a ，g =1 5 0 k W m 2 ( b )P= 2 1 MP a ，q = 2 5 0 k W m 。 图7 近临界区不同质量流速下管壁温度随焓值 ( 干度)的变化 曲线 度随焓值 ( 干度)的变化规律。由图7可知，在 近临界压力区 ( P= 2 1 M P a )时，随着质量流速 的 增加，管内流体湍流强度增加，强化管壁与流体之 间换热的同时，也使得主流带走壁面上汽泡的能力 增强，迫使壁面无法形成连续的汽泡层，从而显著 加强了换热效果， 使得管壁温度大幅降低和发生传 热恶化的干度却明显升高，在两相区内内壁温较管 内工质温度高约 3 0 c lc， 传热恶化被有效滞后。如 图7( a )管壁温度随焓值 ( 干度)的变化规律， 当G = 5 0 0 k s ( m s )时，发生传热恶化的干度是 0 8 左右；当G： 7 0 0 k s ( m s )时，发生传热恶 化的干度被推迟滞后到约 0 9 ，而当质量流速进一 步增大到 9 0 0 k g ( 1“11 s )时，工质发生传热恶化 时的干度却没有明显的变化，仍为0 9 左右，原因 在于当压力低于临界压力时，内螺纹管内沸腾传热 具有界限质量流速，接近或超过此流速，可避免壁 温飞升发生。 此外对比图 5和图 7 ，可以明显看 出，近临界 压力小质量流速时发生壁温飞升的干度显著减小， 这主要是由于在近临界压力范围内，内螺纹管中旋 流改善传热的能力迅速减弱，壁温飞升点焓值减 4 小，关于这个结论与文献 1 1 报道一致。 2 3 超临界压力区的传热特性 图 8示 出了超临界压力 区 P=2 5 MP a ，P=2 8 MP a和 P=3 0 MP a ，质量流量 G=7 0 0 k s ( m s ) ， G = 8 5 0 k s ( m s )和 G=9 5 0 k s ( m s ) ，不 同热 负荷下管壁温度随焓值的变化规律。如图8所示， 在压力和质量流速相同的情况下，内壁温度随着热 ( a )P=2 5 MP a ，G= 7 0 0 k g m 8 6 O O 5 5 0 5 0 0 4 5 0 40 0 3 5 0 3 0 o 2 5 0 2 0 0 l ( b )P=2 8 MP a ，G= 9 5 0 k g m2 s ( c )P= 3 0 MP a ，G= 8 5 0 k g m s 图 8 超临界区不同热负荷下管壁温度 随焓值 的变化曲线 负荷的增大而增大；从图 8中可以得到当 P=2 5 M P a 时，对应的拟临界温度为 3 8 4 4 7 c c，拟I临界 焓值为2 1 3 6 2 5 k J k g ；当 P= 2 8 M P a 时，对应的 拟临界温度为 3 9 4 0 4 oC，拟临界焓值为 2 1 4 9 ， 6 6 k J k g ；当压力进一步升高到 3 0 M P a 时，对应的拟 l临 界温度为 3 9 9 8 4 c I= ，拟临界焓值为 2 1 5 7 9 2 第3 1 卷第6期 陈一平等：优化内螺纹管传热特性实验研究 2 0 1 1 年 1 2月 l 【 J k g o 在超临界压力下，汽一液密度差消失 ，内螺纹 管中旋流改善传热的能力进一步减弱，管壁温度与 工质的平均温差在 1 0 0 2 0 0。同时在拟临界点 ( h ， = 2 1 4 9 6 k J k g )前后的换热规律不同，在拟 临界焓值附近，管壁温度曲线较为平缓，即壁温上 升速度较慢，这是由于当流体温度小于拟临界温度 而壁温大于拟临界温度时，出现了与过冷流动核态 沸腾现象类似的传热强化现象，此时管壁 与 流体之 问的温度差减小，之后内壁温度与工质温度之差随 焓值的增加而增加，放热系数随焓值的增加逐渐降 低，表明超临界水的传热好于超临界汽的传热。如 图 8 ( b )所示 ，以压力 P= 2 8 MP a ，质量流速 G= 9 5 0 k #m S ，热负荷 口 = 3 5 0 k W m 为例来说明管 壁和工 质 温度 随焓值 的变 化规律。当焓值 从 1 3 2 2 7 0 k J k g 增加至2 1 1 5 0 6 lrJ k g ，流体温度从 2 9 8 6 6 c I = 升高到 3 9 2 1 9，内壁温度却从 3 8 6 1 9 c C 升至4 3 4 5 5 a 【= ；当焓值从 2 1 6 1 1 6 9 k J k g 增加 至 2 6 1 7 1 3 4 k J k g ，流体 温 度 从 3 9 4 6 7 升 至 4 1 7 0 3 oC，内壁温度却从 4 4 8 6 5大幅度升至 5 4 3 3 9 c C，升高了 9 4 7 4 。 3 内螺纹管中对流换热系数 3 1 单相水对流换热 单相介质在光管内的湍流强制对流换热系数计 算式为 D i t t u s B o e l t e r 公式 ： = o 0 2 3 R p rO - ( 1 ) 内螺纹管相对光管有强化传热的作用 ， 通过对 试验数据的线性回归，可以拟合得到内螺纹管内单 相介质的换热系数试验关联式： = o 0 2 3 5 8 趟 8 1 2 3 ( 2 ) 式 ( 2 )适用范围：压力 P=1 2 2 1 M P a ，质 量流速 G = 2 7 0 9 0 0 k g ( s ) ，外壁热负荷 q = 6 0 2 5 0 k W m ，R 数范围为 2 8 5 0 0 2 5 1 0 0 0 ，P 数范围为0 8 7 2 2 6 ，相对误差小于 1 2 8 。 3 2 两相对流换热 由于内螺纹管的旋流作用，核态沸腾仅在含汽 率很小时存在，而两相强制对流区沿管长方向占有 很大部分，因而本文认为内螺纹管内沸腾换热系数 的研究着 重在两相强制对 流区。利用 L o c k h a a M a r t in e l l i 关系式中系数 瓦来关联试验数据： ， v 1 ( ) =f ( ) ( 3 ) Ot to 2 kt t 式 ( 3 )中 为两相对流换热系数；O 为全液相 ( 4 ) 当汽液两相均为紊流时，参数五； 为： ： ( ) n ( 盟 ) ( 丝 ) ( 5 ) f J l g 考虑到压力和质量流速的影响，两相强制对流 区的换热系数的试验数据可整理为： = 口 专( 毒 芒) ( 6 ) 式 ( 6 )中 为全液相对流换热系数 ，由式 ( 1 ) 来确定；P 为临界压力，P 仃 = 2 2 1 1 5 M P a ；G 为 试 验中的最 大质量 流速 ，亚 临界 压力 区为 G = 8 0 0 k g ( m s ) 。 对 3 8 2 个工况的试验数据进行拟合，可以得到 两相换热系数计算关联式为： - 1 2 4 7 O t t o ( A t t ( 朋 ( 6 5 2 r c ， 6W ( 7 ) 式 ( 7 )适用 范 围：压力 P=1 22 0 5 MP a ， 质量流速 G= 2 7 0 9 0 0 k g ( i n s ) ，外壁热负荷 g = 7 O一 3 5 0 k W m ，平均误差小于 1 5 。 3 3 干涸后 的传热 试验研究表明，内螺纹管干涸传热主要发生在 高干度区，根据光管的研究结果可知，影响干涸后 传热的主要因素包括：压力、质量流速、热负荷和 干度等。干涸发生时流动结构基本上是雾状流动， 汽相传热起主要作用，因此用汽相参数对换热公式 进行整理 ： = z _= f( R e ， P ， ，g ，p p ， ) ( 8 ) 根据式 ( 8 ) ，利用 S l a u g h t e r b a c k经验关系式 ， 并考虑到压力 P P 。， 修正，对试验数据进行拟合后 可得干涸后换热系数计算关联式为： N u g = O 12 8 x R es c g o 9 3 ( ) 2 8 ( ) 。 ( 9 ) 式中 k = 0 9 1 4为热力学临界点的导热系数； ， 为以壁温为定性温度得到的汽相 P r 数，其他 物性以饱和温度为定性温度。 式 ( 9 )适用范围：压力 P= 1 2 2 1 M P a ，质 量流速 G = 2 7 0 - 9 0 0 k g ( m 8 ) ，外壁热负荷q = 7 0 3 5 0 k W m ，平均误差为 1 2 3 。 第3 1 卷第6 期 湖南电力 2 0 1 1 年 1 2月 4 结 论 基于优化 内螺纹管在 6 0 0 MW 超 临界 W 火焰 锅炉水冷壁的设计与应用 ，文中研究 了 3 2 m m 6 3 m m四头 1 2 C r l M o V G优化内螺纹管内壁在亚临 界、近临界、超临界区，不同质量流量、不同热负 荷下的流动传热特性，并拟合建立了单相、两相换 热系数以及干涸后传热计算关联式。压力、质量流 速、壁面热负荷对换热性能都有显著的影响，试验 结果表明：在亚临界压力区，内螺纹管内壁换热性 能良好，发生传热恶化的临界热负荷高；在近临界 压力区，传热特性与亚临界压力区相似， 但内螺纹 管中旋流改善传热的能力迅速减弱，使得抑制传热 恶化的能力降低；在超临界压力区，内螺纹管中旋 流改善传热的能力进一步削弱，管壁温度与工质的 平均温差在 1 0 02 0 0。同时，由试验结果发现 内螺纹管在拟临界点附近具有不同换热机理，管壁 温度曲线较为平缓，出现与过冷流动核态沸腾现象 类似的传热强化现象，从而有效改善了管壁的换热 性能。 参考文献 1 S w ans o n ， L S e t a 1 T h e e ff e c t o f n u c l e a t e b o i l i n g v e rs u s fi l m b o il i n g o n h e a t t r a n s f e r i n p o w e r b o i l e r t u b e s J T r a n s A S M E ， S e t A， 1 9 6 2，8 4： 3 6 5- 3 71 6 2 N i s h i k a w a ，K F u j i i ， Y o s h i d a ，S e t a1 F l o w b o i l i n g c r i s i s i n g r o o v e d b o i l e r - t u b e s c P r o c e 5 t h I n t H e a t T r a n s f e r C0 n T o k y o：To k y o Un i v e r s i t y P r e s s ，1 9 7 4，2 7 0 - 2 7 4 ( 3 W a t s o n ，G B ，R o b e r t ，丸L ，N i e n e r ，M，e t a1 C ri t i c a l h e a t fl u x