低壓省煤器H型鰭片管優(yōu)化傳熱數(shù)值研究

王為術(shù)，崔 強(qiáng)，田 苗，陳 剛，路 統(tǒng)

(1.華北水利水電大學(xué) 熱能工程研究中心，河南 鄭州 450011；2.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450011)

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低壓省煤器H型鰭片管優(yōu)化傳熱數(shù)值研究

王為術(shù)1，崔 強(qiáng)1，田 苗1，陳 剛1，路 統(tǒng)2

(1.華北水利水電大學(xué) 熱能工程研究中心，河南 鄭州 450011；2.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450011)

為研究低壓省煤器H型鰭片管的傳熱特性及阻力特性，采用realizable 湍流模型數(shù)值研究H型鰭片管管束外煙氣的流動(dòng)傳熱特性。研究結(jié)果表明：H型鰭片管具有均勻氣流的作用，在管壁面形成的漩渦能夠加強(qiáng)通道內(nèi)繞流作用，利于強(qiáng)化傳熱；當(dāng)煙氣的流速越高，H型鰭片管傳熱系數(shù)越大，流動(dòng)阻力逐漸增大；當(dāng)鰭片節(jié)距增加，H型鰭片管傳熱系數(shù)增加，流動(dòng)阻力逐漸降低；在節(jié)距為18 mm時(shí)，鰭片管傳熱系數(shù)較高，流動(dòng)阻力最小，選用18 mm的鰭片節(jié)距最為經(jīng)濟(jì)。

H型鰭片管；流場(chǎng)分布；傳熱系數(shù)；流動(dòng)阻力；數(shù)值研究

低壓省煤器能夠有效降低排煙溫度，減少排煙損失，達(dá)到節(jié)約能源的目的[1]。H型鰭片管省煤器具有空氣阻力小，換熱面積大，耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。同時(shí)H型鰭片管能夠降低尾部分離區(qū)傳熱惡化對(duì)整個(gè)鰭片傳熱的影響，增大對(duì)流傳熱系數(shù)，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果[4]。在實(shí)際運(yùn)行改造中，H型鰭片管得到廣泛的應(yīng)用[5]，因此對(duì)其研究具有較大的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于H型鰭片管的研究主要采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，吳新[6]在傳熱風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)完成不同參數(shù)下H型鰭片管管束氣側(cè)傳熱與阻力特性的試驗(yàn)研究；李飛[7]對(duì)橢圓H型鰭片管傳熱和阻力特性進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)研究，給出了管外換熱試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；張知翔[8]采用Realizable k-ε 湍流模型對(duì)H型翅片管的傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了管排數(shù)及縱向間距對(duì)H型翅片管傳熱系數(shù)的影響；孫鐘平[9]通過(guò)數(shù)值研究了H型鰭片管束的傳熱特性、流阻特性及其綜合性能隨管束各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。筆者采用Fluent 6.3軟件對(duì)H型鰭片管管束外煙氣流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究，研究結(jié)果為H型鰭片管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型和數(shù)值方法

1.1 H型鰭片管結(jié)構(gòu)及計(jì)算區(qū)域

H型鰭片管是由一根光管的兩側(cè)對(duì)稱焊接具有圓弧的鋼片形成，兩個(gè)鰭片為矩形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其具體尺寸參數(shù)見(jiàn)表1，其中基管為Φ38 mm×4 mm。

表1 H型鰭片管尺寸參數(shù)　單位：mm

H型鰭片管計(jì)算區(qū)域如圖2所示。管內(nèi)為冷卻水，管外為間壁式換熱形式，4排換熱管采用順列的布置方式。煙氣在管外從左向右方向流動(dòng)，建立單元通道物理模型。為保證進(jìn)口流速均勻，在鰭片管束入口向前延伸115.5 mm，同時(shí)為避免鰭片管束出口處回流對(duì)模擬結(jié)果造成影響，將計(jì)算區(qū)域出口向后延伸306.5 mm。

利用Gambit 2.0軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行三維建模及網(wǎng)格劃分。筆者采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在鰭片處進(jìn)行網(wǎng)格加密，在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)逐步細(xì)化網(wǎng)格得到近似網(wǎng)格無(wú)關(guān)解。生成的網(wǎng)格模型如圖3所示。

1.2 數(shù)值方法

數(shù)值計(jì)算采用Fluent 6.3軟件，湍流模型選用realizablek-ε湍流模型；微分方程離散采用有限容積法；采用PRESTO壓力校正方程，動(dòng)量方程為二階迎風(fēng)格式；采用SIMPLE算法對(duì)控制方程進(jìn)行求解[10]；近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

計(jì)算中所用到的邊界條件類型有速度入口邊界條件、壓力出口邊界條件、對(duì)稱邊界條件。冷卻水管壁為等溫壁面，溫度為393.15 K，采用的鰭片管和鰭片材料為20號(hào)鋼，溫度由其與管外空氣對(duì)流換熱耦合求解得到。

同時(shí)，鰭片側(cè)煙氣的換熱系數(shù)為

(1)

(2)

式中，W為煙氣流量；cp為煙氣比熱；Δt為煙氣溫升；t1為煙氣進(jìn)口溫度；t2為煙氣出口溫度；tw為壁面溫度。

流動(dòng)阻力由進(jìn)出口壓差來(lái)表示為：

Δp=p1-p2

(3)

式中，p1為煙氣進(jìn)口壓力；p2為煙氣出口壓力。

2 結(jié)果分析

2.1 煙氣流場(chǎng)分布

圖4為入口煙氣速度為9 m/s時(shí)煙氣側(cè)流場(chǎng)分布。圖4(a)給出了流場(chǎng)中心截面速度矢量圖，由圖中能夠看出，鰭片間流場(chǎng)分布均勻，在管壁附近形成了漩渦，形成的漩渦能夠有效的沖刷流體邊界層，同時(shí)由于鰭片管的布置使得煙氣流通面積減小，煙氣的流速增加，有利于熱量的傳熱，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。圖4(b)給出了中心截面溫度場(chǎng)分布，從圖中能夠看出，煙氣從入口經(jīng)布置鰭片的流道至出口溫度逐漸降低，在鰭片位置溫度降低明顯，鰭片區(qū)域作為換熱的主要區(qū)域，鰭片具有強(qiáng)化傳熱的作用。圖4(c)給出了中心截面壓力場(chǎng)分布，由圖中可以看出，煙氣進(jìn)入有鰭片的區(qū)域后，壓力迅速減小。鰭片管的布置使煙氣的流道面積減小，流體湍流強(qiáng)度增加，同時(shí)在管壁出現(xiàn)的漩渦能夠加強(qiáng)繞流，有利于強(qiáng)化傳熱。

2.2 煙氣流速影響

在不同的煙氣入口流速，H型鰭片管鰭片側(cè)換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力的變化如圖5所示。由圖5(a)可以看出，隨著煙氣流速的增加，鰭片側(cè)換熱系數(shù)逐漸增加，這是因?yàn)殡S著流速增加，通道內(nèi)湍流作用增加，強(qiáng)化了煙氣與管內(nèi)水的換熱。但隨著煙氣流速的增加，流動(dòng)阻力特性呈現(xiàn)了不同的變化趨勢(shì)。如圖5(b)所示；在流速小于11 m/s時(shí)，流動(dòng)阻力隨煙氣的流速增加變化幅度較?。划?dāng)煙氣流速大于11 m/s時(shí)，隨著煙氣流速的增加，流動(dòng)阻力急劇增加。綜合分析可知，合理的煙氣流速不僅能夠增加鰭片管換熱強(qiáng)度，同時(shí)可防止流動(dòng)阻力的急劇增大。

2.3 鰭片節(jié)距優(yōu)化

H型鰭片管的鰭片側(cè)換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力隨鰭片節(jié)距的變化如圖6所示。由圖中能夠看出，隨著鰭片節(jié)距的增加，換熱系數(shù)逐漸增大，當(dāng)鰭片節(jié)距達(dá)到20 mm左右后，換熱系數(shù)變化趨于平緩，同時(shí)隨著鰭片節(jié)距的增加，煙氣阻力減小，在鰭片節(jié)距為18 mm時(shí)達(dá)到最低，隨后流動(dòng)阻力隨著節(jié)距的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。這是因?yàn)樵邛捚?jié)距較小時(shí)，邊界層流動(dòng)對(duì)煙氣流動(dòng)影響較大。隨著鰭片節(jié)距的增加，鰭片所引起的擾動(dòng)增強(qiáng)換熱。鰭片節(jié)距繼續(xù)增加，強(qiáng)化換熱的作用減弱。綜合分析可知，當(dāng)節(jié)距為18 mm時(shí)，鰭片側(cè)的換熱系數(shù)較高，系統(tǒng)的流動(dòng)阻力最小，選用18 mm的鰭片節(jié)距最為經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)論

1)鰭片區(qū)域是換熱的主要區(qū)域，在鰭片管壁附近出現(xiàn)的漩渦能夠沖刷流體邊界層，加強(qiáng)通道內(nèi)繞流作用，強(qiáng)化傳熱。

2)隨著煙氣流速的增加，H型鰭片管換熱系數(shù)越大，流動(dòng)阻力越大，在煙氣流速大于11 m/s時(shí)，流動(dòng)阻力隨著煙氣流速的增加急劇增加。

3)隨著鰭片節(jié)距增加，H型鰭片管換熱系數(shù)越大，流動(dòng)阻力越小，當(dāng)鰭片節(jié)距為18 mm時(shí)，綜合性能達(dá)到最好。

[1]林萬(wàn)超.火電廠熱系統(tǒng)定量分析[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1985.

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(責(zé)任編輯王利君)

Numerical simulation on heat transfer optimization of H-type finned tube in the low pressure economizer

WANG Weishu1，CUI Qiang1，TIAN Miao1，CHEN Gang1，LU Tong2

(1. Institute of Thermal Energy Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power，He’nan Zhengzhou 450011,China；2. Huadian Zhengzhou Mechanical Design Institute Co.,Ltd，He’nan Zhengzhou 450011,China)

In order to investigate heat transfer and resistance characteristics of H-type finned tube in the low pressure economizer, realizable turbulence model was adopted to analyze flow and heat transfer characteristics of flue gas covered by H-type finned tube. The results show that the H-type finned tube can make the airflow become uniform; the vortexes formed on the wall are favorable to enhance heat transfer because of detouring flow in the channel; the higher velocity of flue gas is, the larger heat transfer coefficient of H-type finned tube and flow resistance will be; with the increase of pitch of the finned tube, the heat transfer coefficient increases, flow resistance decreases; when the pitch of H-type finned tube is 18 mm, the value of heat transfer coefficient reaches a peak and flow resistance is smallest. Therefore, the selection of 18 mm-pitches H-type finned is most economical.

H-type finned tube; distribution of flow field; heat transfer coefficient; flow resistance; numerical simulation

2016-03-16

河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(16IRTSTHN017)

王為術(shù)(1972-)，男，重慶開(kāi)縣人，博士，教授，主要從事多相流動(dòng)與傳熱研究工作。

1673-9469(2016)02-0099-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.022

TK223.3

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