H型肋片管计算说明

1、H型肋片管对流传热性能研究项目建议1. 研究目的低温省煤器作为进一步降低大型燃煤电站锅炉排烟热损失、提高锅炉效率的重要节能设备，目前已成为实现电站锅炉深度节能的研发重点。布置于回转式空气预热器后的低压省煤器，其作用为利用低压加热器加热后的凝结水将烟气温度由120降低为80左右，从而实现提高电站效率的目的。在烟气流量、进出口温度一定条件下，低压省煤器所采用肋片管结构、布置方式及传热温压是影响其传热及阻力性能的主要因素。苏联热力计算标准方法中有肋片管的相关计算方法，包括传热系数计算与阻力计算，不过由于并没有原生对于H型肋片管的计算，而需要采用方型肋片管的计算进行对比，因而产生一定的偏差。因此通过热

2、态的实验模拟，确定一个误差范围，这值得考虑。针对低压省煤器的设计工况，在热态风洞上进行了模拟其工作状态下的H型肋片管传热及流动特性试验研究，得到了肋片管结构参数不同情况下，以及顺列和错列布置情况下传热系数计算关联式和流动阻力计算关联式，为大型电站锅炉低压省煤器的设计计算提供可参考的数据。2. 试验系统与测试方法介绍试验研究在大型热态传热风洞上进行采，试验系统简图如图1所示。图 1试验系统示意图1-接风机2-空气入口管3-蝶阀4-天然气燃烧器5-试验段换热器6-流量计7-节流阀8-水泵9-控温水箱10大气出口试验段烟道截面为300×600mm，长度为1000mm。试验过程中，通过燃烧天

3、然气模拟实际锅炉尾部烟气。通过调节天然气燃烧器出力大小，控制烟气温度。通过控制入口空气管道上的蝶阀控制流经试验段换热器管束的流速。试验过程中保持水侧流速为1m/s左右，入口水温为70左右，烟气侧入口烟温为150左右。图2与图3为顺列与错列的管路连接方式。图 2换热器肋片管束顺列连接方式图表 3换热器肋片管束错列连接方式试验系统中测点布置情况如图4所示。天然气入口流量通过测点1天然气流量表盘在一定时间内的读数差值确定；空气入口温度通过测点2热电偶测得；空气入口全压通过测点2处的毕托管全压口引出到U形管测得；空气入口动压通过测点2处的毕托管全压与静压口引出到U形管测得压差测得；试验段入口烟气温度通

4、过均匀布置12个热电偶的测点3测得；试验段入口烟气全压通过测点3处的毕托管全压口引出到U形管测得；试验段入口水温通过测点4插入管道的水银温度计测得；试验段入口水量通过流量计测得；试验段出口烟气温度通过均匀布置12个热电偶的测点5测得；试验段出口烟气全压测点5处的毕托管全压口引出到U形管测得；试验段出口水温通过测点6插入管道的水银温度计测得；大气压力由大气压力表测得。图 4测点布置图3. 研究内容研究中关键数据为：传热系数与烟气侧放热系数；传热系数与烟气侧放热系数所对应的最小截面烟气流速；流经换热器阻力；换热器阻力对应的烟气动压头；肋片管结构尺寸对以上数据的影响。并通过对比苏联标准中的相关结果，

5、为工程应用中的计算提供可以参考的建议。3.1. 传热系数传热系数是衡量肋片管性能的最主要因素，较大的传热系数意味着较小的换热面积，以及较小的管材消耗量。传热系数的确定主要是根据下式进行： (1)式中，Q为换热量，k为换热系数，A为换热面积，t为换热工质对数温压。Q的计算采用流经换热器水侧的进出口温差，通过下式得到： (2)式中，cp为水的比热，kJ/(kg·K)；m为水的质量流量，kg，可通过测点4得到；此处的t为水进出口温差，K，可通过测点4与测点6得到。换热面积A的计算根据肋片管的结构确定。H型肋片管的换热面积为： (3)式中，为肋片厚度，m；D为方型肋片边长，m；d为基管外径，

6、m；sp为肋片间距，m；p为肋片缝隙宽度，m；a为单管管长也就是烟道垂直宽度，m。将单根H型肋片管换热面积乘以管束排数和列数z1和z2，就可以得到烟气侧总换热面积A，m2。换热温差t是指烟气与水之间对数平均温差，由试验段进出口的较大较小温差对数平均后得到： (4)式中，tD为较大温差，；tx为较小温差，。烟气温度与水温可通过测点3、4、5、6获得。通过试验数据计算得到的是对流管束的传热系数，包含了烟气侧对流放热系数、管壁导热系数及水侧对流放热系数。由于管内采用达到湍流区的未饱和水进行换热，因此水侧放热系数足够大以至于在传热系数中可以忽略不计。同时，管壁由于较薄，管壁的热阻同样被忽略。因此在苏联

7、标准算法中给出的传热系数可简化为如下形式： (5)式中，为考虑了受热面与肋片的传热热阻，同时还考虑了污垢层热阻的烟气侧放热系数，W/(m2·)。其计算公式如下： (6)式（6）中，Hp指的是肋片的表面积，m2，对于管长为a的H型肋片管而言，其值为： (7)式（6）中，H指的是肋片管全表面积，m2，对于管长为a的H型肋片管而言，其值为： (8)E为肋片有效系数，根据肋片形状参数hp与D/d按线算图查出，其中hp为肋片高度，m；为： (9)线算图可以参阅锅炉机组热力计算标准方法（机械工业出版社）第319页。为了便于计算，试验数据处理过程中E的计算根据线算图上取部分点拟合出公式进行，这样较

8、查图更为方便。式（9）中，M为肋片金属的导热系数，W/(m·)。p为肋片表面放热不均匀系数，对于H型肋片管，取0.85。为肋片底部加宽接触面的影响系数。为污染系数，考虑到试验中使用天然气作为燃料，因此其值取为0，实际运行中的换热器由于在锅炉的尾部烟道中，这一项的值需要重新考虑其工况再做确定。d为烟气侧对流放热系数，W/(m2·)，在接下来的一节中详细说明。3.1.1. 烟气侧放热系数对于实验的传热系数，是通过实验数据计算得到，但是苏联标准的传热系数是通过烟气速度与肋片管的结构参数，通过对应的拟合公式计算得到烟气侧放热系数，再通过其与传热系数的相应关系式计算得到。烟气侧的放热

9、系数d就是计算中的关键，也是实验需要得到的最终结果之一。锅炉机组热力计算标准方法中关于烟气侧放热系数的获取推荐查线算图或者根据以下公式计算，对于方形肋片管顺列横向冲刷的放热系数为： (10)式中，Cz为横列排数影响修正系数。Cs为管束几何布置的修正系数。与是烟气平均温度下对应的物性参数。对于方形肋片管错列横向冲刷的放热系数为： (11)式中，Cz为横列排数影响修正系数。为管束几何布置的参数，其值为： (12)其中1为横向相对管节距，即s1/d，s1为管排横向节距。2为斜向相对管节距，即s2/d，s2为管排斜向节距。通过每个工况对应的最小截面烟速及管束结构参数，就可以得到对应的苏联标准中的烟气侧

10、放热系数。而需要得到试验中每个工况对应的实际放热系数，就必须使用公式（6）、公式（9）以及肋片有效系数E的相关公式进行迭代计算。由于苏联标准中并没有H型肋片管的直接计算方法，因此采用方型肋片管的计算方法替代。在获得实验值放热系数与苏联标准放热系数值之后，就可以通过无量纲数的准则进行拟合得到无量纲准则公式： (13)式中，Nu与Re的定性尺寸l，m，按照以下公式计算： (14)此定性尺寸来源于锅炉设备空气动力计算（标准方法）<第三版>中关于横向冲刷肋片管束时的定性尺寸设定，其意义大致为基管直径与肋片部分水力直径的一个比例关系得到的一个平均管径。其中Hp与H的定义在前文已经说明，Hp指

11、的是肋片上下表面的面积，即不包括端面面积的肋片面积，m2。对于管长为a的H型肋片管而言，其值为： (15)式中，n指的是管长为a的肋片管上的肋片数量： (16)Nu的定性换热系数为烟气侧放热系数d。Re的定性速度为最小截面烟速，具体的计算方法在下一节中详细说明。烟气的导热系数与运动粘度均使用试验段平均烟温作为定性温度进行计算。3.1.2. 最小截面烟速换热系数所对应的最小截面烟气流速并非通过直接测量得到，而是通过入口空气量与入口天然气量的燃烧产物计算为标准状态后，再根据试验段的平均全压与平均烟气温度以及最小截面进行折算。试验段烟气的参数特性可以通过气体状态方程得到： (17)式中，p0（Pa）

12、、V0（m3/s）及T0（K）均为燃烧产物计算后标准状态下数据。关于燃烧产物的具体计算过程根据锅炉机组热力计算标准方法中第16页关于燃烧产物的计算进行。入口空气参数可以通过测点2的相关测试数据得到，入口天然气量可以通过测点1的相关测试数据得到，试验段的平均全压和平均烟温可通过测点3和测点5得到，最小截面积通过管束结构计算得到。其中H型肋片管在烟道内的最小通流面积为，m2： (18)式中，b为烟道水平宽度，m。根据公式（18），就可以得到最小截面烟气速度，m/s： (19)3.2. 肋片管阻力特性肋片管的阻力特性关系到风机的功耗，是一项直接影响肋片管经济性的数据。试验段烟气流经管束间阻力，可根据

13、测点3与测点5所得到的烟气静压差值得到。其对应的烟气动压头由下式计算，Pa： (20)w为试验段最小截面烟速，m/s；为试验段进出口平均密度，kg/m3，通过测点3与测点5得到的全压与温度，通过气体状态方程得到。通过锅炉设备空气动力计算（标准方法）<第三版>中苏联标准公式，可以计算出苏联标中对应的顺列管束阻力，Pa： (21)以及错列管束阻力，Pa： (22)公式中相关参数请参阅锅炉设备空气动力计算（标准方法）<第三版>第15页的内容，特别需要注意的是确定参数Cs中存在一个压缩管束横截面的当量直径de的计算，并且在顺列与错列中的定义不同。为了研究对于单排管束的阻力情况，

14、故将苏联标准公式转换为无量纲准则关联式： (23)对于本实验的H型顺列肋片管为： (24)对于本实验的H型错列肋片管为： (25)其中欧拉数定义为： (26)式中，与w的值均采用试验段内的平均值。3.3. 肋片管结构参数影响对于H型肋片管，可以调整的结构参数主要有以下几项：肋片厚度，m；肋片高度hp，m；基管外径d，m；肋片间距sp，m；肋片缝隙宽度p，m。当肋片被“根植”在光管表面上以后，在由管外向管内传热的情况下，热量将从翅片顶端沿肋片高度向基管传递，同时周围的流体以对流方式与肋片换热，其结果就使得肋片温度沿高度方向逐渐上升，因此肋片温度与周围流体温度的差值在逐渐缩小，单位面积的换热量在逐渐缩小。这样，肋片表面积对增强换热的