H型鰭片管的鰭片溫度工況模擬分析

劉彥豐，付曉俊

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

H型鰭片管的鰭片溫度工況模擬分析

劉彥豐，付曉俊

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

采用有限元分析的方法，運用數(shù)值模擬軟件fluent，對H型鰭片換熱過程進行模擬求解。通過不同結(jié)構(gòu)尺寸模型的建立，找出其高度、厚度、寬度、基管直徑以及煙氣流速變化對H型鰭片管鰭片平均溫度及鰭片最高溫度的影響規(guī)律。對模擬所得數(shù)據(jù)進行整理和分析，發(fā)現(xiàn)H型鰭片管的鰭片平均溫度及鰭片最高溫度與鰭片高度、寬度、煙氣流速成正比例關(guān)系,應(yīng)盡量避開h1/D>2.368、h2/D>2.368以后的區(qū)間范圍；與鰭片厚度及基管直徑反向相關(guān),可盡量選擇較大的基管直徑。為H型鰭片管設(shè)計人員在選擇各結(jié)構(gòu)參數(shù)的時候提供參考依據(jù)。

H型鰭片;平均溫度;最高溫度

0 引 言

H型鰭片管是一種高擴展系數(shù)的擴展式受熱面，由于H型鰭片管為傳熱元件所構(gòu)成的省煤器具有優(yōu)良的抗飛灰磨損性能、結(jié)構(gòu)緊湊、便于鍋爐尾部受熱面的布置以及可以節(jié)省建造成本等優(yōu)點，其在我國被大量的應(yīng)用。由于H型鰭片管性能所具有的優(yōu)越性，國內(nèi)外眾多學(xué)者都對其進行了大量研究。國內(nèi)比較有代表性的如牛天況[1-3]、張知翔[4,5]分別運用數(shù)值模擬軟件MATLAB與fluent對H型鰭片管傳熱和阻力特性進行了較深入的研究，分析了其結(jié)構(gòu)尺寸對換熱特性的影響規(guī)律；吳新[6]對5組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的H型鰭片管束氣側(cè)的傳熱與阻力特性進行了實驗研究。實驗中考慮了管徑、鰭片凈高度、鰭片節(jié)距以及管排橫縱向間距等影響因素，擬合了H型鰭片管傳熱準(zhǔn)則數(shù)的關(guān)聯(lián)式，并與前蘇聯(lián)公式進行了比較，驗證了正確性。以往的研究往往只針對H型鰭片管的傳熱性能，鮮有對其溫度工況進行研究的。由于H型鰭片管所處的煙氣進口溫度越來越高，有的甚至達(dá)到600 ℃以上，即使采用20鋼的H型鰭片管其工作極限也才480 ℃，所以H型鰭片管的溫度工況的研究也就顯得尤為重要了。

鰭片的平均溫度，影響著鰭片的換熱效果，鰭片的最高溫度，則影響著鰭片的安全性。根據(jù)傳熱學(xué)原理分析，影響H型鰭片管鰭片溫度工況的主要因素為其結(jié)構(gòu)尺寸中的鰭片高度、厚度、寬度、基管直徑以及煙氣流速。本文采用有限元分析的方法，運用數(shù)值模擬軟件fluent，對H型鰭片換熱過程進行模擬求解。模擬中通過不同結(jié)構(gòu)尺寸模型的建立，找出其高度、厚度、寬度、基管直徑以及煙氣流速變化對H型鰭片管鰭片平均溫度及鰭片最高溫度的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模擬對象

H型鰭片管進行工作時，管內(nèi)流過工質(zhì)，管外與煙氣接觸，并進行換熱。外部高溫?zé)煔庋刂怪庇?H型鰭片管軸線的方向流動，由于溫差作用，煙氣將與鰭片管進行換熱。H型鰭片將熱量通過融合角傳遞給基管，從而傳遞給管內(nèi)的工質(zhì)。

圖1 單H及雙H型鰭片管Fig.1 Single H and Double H type tube fin

圖2 H型鰭片管結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 Structure size of H type tube fin

2 數(shù)值模擬方法

在進行計算之前作如下假設(shè)：

(1)計算區(qū)域中的流動與換熱是穩(wěn)態(tài)的。在數(shù)值模擬的時候認(rèn)為內(nèi)壁溫度為定溫；

(2)鰭片與煙氣的物性參數(shù)是常數(shù)。由于本計算中煙氣的溫度變化不超過20 ℃，鰭片的溫度變化不超過15 ℃,因此假定煙氣的物性參數(shù)和鰭片管的物性參數(shù)均為常數(shù)；

(3)數(shù)值模擬中，用空氣代替煙氣進行模擬。模擬中不考慮水側(cè)熱阻，以及翅片與基管之間的接觸熱阻[7]，忽略積灰現(xiàn)象。

利用gambit軟件建立起H型鰭片管的三維物理模型；利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式對模型進行網(wǎng)格劃分;設(shè)定邊界類型；設(shè)置流體、固體區(qū)域；輸出mesh文件，導(dǎo)入fluent中進行計算。由于張知翔[4]研究認(rèn)為，當(dāng)縱向管排數(shù)n≥3后，傳熱系數(shù)不隨縱向管排數(shù)的增加而變化，所以本模型在縱向方向上僅建立三排管。模型橫向方向的側(cè)面均設(shè)為對稱邊界條件，以模擬橫向方向上有多排管。煙氣沿著y軸負(fù)方向流動。模擬時增加了入口段、出口段以消除入口效應(yīng)以及出口效應(yīng)，出口段延長1.5倍的鰭片高度，以保證流動充分發(fā)展。數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 H型鰭片管數(shù)值模型Fig.3 The numerical model of H type tube fin

模擬采用 k-ε湍流模型，流固藕合計算，動量方程與能量方程耦合求解；二階壓力差補；方程離散為Quick格式。入口為速度入口條件，本次模擬中煙氣入口溫度均為350 K;出口為壓力出口條件；氣相流場在壁面處采用無滑移邊界條件；管子內(nèi)壁溫度為定溫，本次模擬中均為300 K；外壁為對流換熱的耦合壁面邊界條件；H型鰭片和流體采用各自的導(dǎo)熱系數(shù)，管壁和鰭片溫度分布可以通過耦合求得。鰭片最高溫度，以及鰭片平均溫度，均可通過fluent直接計算得出。

鰭片換熱公式：，通過對該公式進行分析可知，鰭片平均溫度的高低，直接影響著換熱效果的好壞。而鰭片的最高溫度，則影響著鰭片運行過程中的安全性。

式中：QF為H型鰭片管鰭片部分的傳熱量，可以通過fluent直接計算得出，W；A為H型鰭片管鰭片部分的傳熱面積，m2，可以由fluent計算得到;a0為H型鰭片管與煙氣之間的對流換熱系數(shù)，W/ (m2)；ty為煙氣入口溫度;tm為鰭片平均溫度，K。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4 鰭片溫度分布云圖 Fig.4 Temperature distribution of fin

圖5 鰭片分布等溫線圖Fig.5 Isotherm diagram of fin

用h1表示高度，h2表示高度，S1表示橫向節(jié)距，S2表示縱向節(jié)距，D表示基管直徑，h1/D表示高度與基管直徑的比值。圖4、圖5為某結(jié)構(gòu)尺寸H型鰭片與煙氣換熱后鰭片溫度的分布情況,其他型號H型鰭片的溫度分布情況類似。H型鰭片管工作的時候,煙氣通過與鰭片表面對流換熱將熱量傳遞給H型鰭片,H型鰭片通過融合角將獲得的熱量傳熱給基管。從圖中可以看出，H型鰭片的最高溫度出現(xiàn)在鰭片的4個角的位置,因其距離融合角最遠(yuǎn),相應(yīng)的熱量傳遞的路徑也就最遠(yuǎn)。鰭片最高溫度影響著鰭片運行的安全性，在鰭片結(jié)構(gòu)的選取和設(shè)計中尤為重要。從圖4、圖5中也可以看出,在基管與鰭片的焊接處,熱量不斷的匯集,熱流密度不斷升高,所以這個區(qū)域的溫度梯度最大,在H型鰭片的設(shè)計中,應(yīng)注意這個鰭片的熱應(yīng)力分布問題。

圖6 鰭片換熱量隨高度(寬度)變化Fig.6 Fin transfer heat changing with height (width)

圖7 鰭片溫度工況隨鰭片高度變化規(guī)律Fig.7 Fin temperature conditions varing with fin height

圖8 鰭片溫度工況隨鰭片寬度變化規(guī)律Fig.8 Fin temperature conditions varing with fin width

從圖6中可以看出，鰭片換熱量隨著鰭片寬度(高度)的增加而不斷上升。鰭片高度(寬度)的增加，實際上是鰭片換熱面積的增大，這是強化傳熱的一種方式，屬于被動強化傳熱。隨著鰭片換熱面積的增大，在煙氣入口溫度等條件不變的情況下，鰭片換熱效果自然得到了加強。

從圖7、圖8中可以看出，隨著鰭片寬度(高度)的增加，鰭片表面的最高溫度，以及鰭片的平均溫度都是不斷提高的的。當(dāng)鰭片高度(寬度)由h1/D=1.842增加到h1/D=2.368時，鰭片溫度的升高幅度較平緩；當(dāng)鰭片高度(寬度)超過h1/D=2.368后，鰭片溫度升高的幅度加倍。所以，在設(shè)計和選擇H型鰭片管結(jié)構(gòu)參數(shù)的時候，應(yīng)盡量避開h1/D=2.368、h2/D=2.368以后的區(qū)間范圍。

圖9 鰭片溫度工況隨其鰭片厚度變化規(guī)律Fig.9 Fin temperature conditions varing with the thickness of the fin

圖10 鰭片溫度工況隨基管直徑變化規(guī)律Fig.10 Fin temperature conditions varing with the base pipe diameter

從圖9中可以看出，鰭片金屬的最高溫度，以及鰭片金屬的平均溫度，隨著鰭片厚度的增加，都是不斷降低的。如果選擇的鰭片過薄，很容易造成鰭片的超溫氧化。當(dāng)鰭片厚度由δ/D=0.026增加到δ/D=0.052時，鰭片金屬的溫度降低趨勢劇烈，當(dāng)δ/D超過0.052以后，鰭片最高溫度與鰭片平均溫度隨著鰭片厚度的增加仍然呈下降趨勢，但是趨勢已經(jīng)明顯減緩。鰭片厚度越薄，鰭片越容易出現(xiàn)超溫變形現(xiàn)象。在鰭片厚度的選取中，厚度每增加一倍，就意味著鰭片金屬材料增加一倍，所以適當(dāng)?shù)倪x擇鰭片金屬厚度非常重要。既要節(jié)約用材，降低投資成本，又要滿足生產(chǎn)安全需要，需多方面考慮。H型鰭片管在工作的時候，鰭片通過融合角將與煙氣進行對流換熱獲得的熱量傳熱給基管。在實際生產(chǎn)中，采用直徑小的換熱管可增大傳熱面積。管徑越小，耐壓越高，在同樣金屬重量下，總表面積越大。但同時由于管徑減小，也會帶來流動阻力增大等問題。從圖中可以看出，隨著基管直徑的增加，H型鰭片管鰭片表面的最高溫度以及平均溫度都是不斷降低的，且基本呈線性規(guī)律。在H型鰭片管設(shè)計的時候，可以盡量選擇大一些的基管直徑以降低鰭片最高溫度，從而確保H型鰭片管工作的安全性。

運用強化傳熱的知識進行分析可知，實際生產(chǎn)中，可以通過提高煙氣流速來強化傳熱。相對于鰭片面積的增加這種被動的強化傳熱方式，提高煙氣流速這種強化傳熱方式，是一種主動強化傳熱的方式。從圖中也可以看出，隨著煙氣流速的提高，鰭片最高溫度以及鰭片平均溫度都是在不斷的增大的。

圖11 鰭片溫度工況隨煙氣流速變化規(guī)律Fig.11 Fin temperature conditions changing with flus gas velocity

所以，實際運行中不能通過無限制的提高煙氣入口溫度以增強換熱。在電廠H型鰭片管的實際運行中，關(guān)于煙氣流速的選取，既要考慮通過提高煙氣流速強化傳熱，利用煙氣進行自吹灰，另一方面還要考慮煙氣流速增加帶來的壓降增加，管子磨損加大，風(fēng)機出力增加、以及H型鰭片管的安全性等因素。

4 結(jié) 論

利用有限元分析方法，利用數(shù)值模擬軟件模擬了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)H型鰭片管的換熱過程。對模擬所得數(shù)據(jù)進行了總結(jié)和分析。

(1)H型鰭片的最高溫度出現(xiàn)在鰭片的四個角的位置；在基管與鰭片的焊接處,也即H型鰭片融合角的附近，熱量不斷的匯集,熱流密度不斷升高,這個區(qū)域的溫度梯度最大。

(2)隨著鰭片寬度(高度)的增加，鰭片表面的最高溫度，以及鰭片的平均溫度都是不斷提高的的。在設(shè)計和選擇H型鰭片管結(jié)構(gòu)參數(shù)的時候，應(yīng)盡量避開h1/D=2.368、h2/D=2.368以后的區(qū)間范圍。

(3)鰭片金屬的最高溫度，以及鰭片金屬的平均溫度，隨著鰭片厚度的增加，都是不斷降低的。當(dāng)δ/D超過0.052以后，鰭片最高溫度與鰭片平均溫度隨著鰭片厚度的增加仍然呈下降趨勢，但是趨勢已經(jīng)明顯減緩。

(4)隨著基管直徑的增加，H型鰭片管鰭片表面的最高溫度以及平均溫度都是不斷降低的。在設(shè)計的時候可以盡量選擇大一些的基管直徑。

(5)隨著煙氣流速的提高，鰭片最高溫度以及鰭片平均溫度都是在不斷的增大的。

[1] 牛天況,王振濱. H型鰭片管傳熱過程的研究[J]. 鍋爐技術(shù),2007,38(4):6-10,14.

[2] 牛天況,王振濱. H型鰭片管傳熱的分析和計算[J]. 鍋爐技術(shù),2012,43(1):1-5.

[3] 牛天況. H型鰭片管的鰭片溫度工況計算研究[J]. 鍋爐技術(shù),2014,45(1):8-13.

[4] 張知翔,王云剛,趙欽新. H型鰭片管傳熱特性的數(shù)值模擬及驗證[J]. 動力工程學(xué)報,2010,30(5):368-371.

[5] 張知翔,王云剛,趙欽新. H型鰭片管性能優(yōu)化的數(shù)值研究[J]. 動力工程學(xué)報,2010,30(12):941-946.

[6] 吳新,商宇薇,王軍龍,任鋼煉. H型鰭片管束傳熱特性實驗研究[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,43(1):88-93.

[7] 盧權(quán). 鰭片管省煤器流動與傳熱特性數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].保定：華北電力大學(xué),2008.

Simulation and Analysis of H-type Finned Tube’s Temperature Conditions

LIU Yanfeng, FU Xiaojun
(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

In this thesis, the numerical simulation software —fluent was used to simulate the heat transfer process of H-fins, and the process was analyzed by finite element method. Models in various structural sizes were established which aimed at finding out how the height, thickness, width of fins as well as base tube diameter and flue gas velocity changes would influence the average temperature of H-type finned tube and the maximum temperature of fins. By analyzing the data gained from the simulation, we found that the temperature conditions of fins have proportional relations with their height, width, and the flue gas flow rate; the range beyondh1/D> 2.368 andh2/D> 2.368 should be avoided. The temperature was reverse related with fins’ thickness and base tube diameter. A tube with larger diameter can be chosen. The research provides reliable reference for the designers in deciding H-type finned tubes’ structure parameters.

H-type fins; average temperature; maximum temperature

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.04.15

2016-05-27.

TK124

A

1007-2691(2017)04-0100-05

劉彥豐(1965-)，男，教授，主要從事傳熱的理論與技術(shù)方面的研究工作。