翅片間距對(duì)平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性影響試驗(yàn)研究

干保良

（上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海發(fā)電機(jī)廠，上海 200240）

汽輪發(fā)電機(jī)功率越大，相對(duì)越經(jīng)濟(jì)，但發(fā)電機(jī)發(fā)熱更嚴(yán)重，所以冷卻技術(shù)的進(jìn)步是發(fā)電機(jī)大容量發(fā)展的保證。為了使汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)各部件的溫度保持在絕緣材料和金屬材料允許的限度之內(nèi)，必須將運(yùn)行時(shí)各部件的損耗以熱的形式傳遞到冷卻介質(zhì)中，冷卻介質(zhì)吸收的熱量傳遞給換熱器，再與換熱器中另一介質(zhì)進(jìn)行熱交換后移到汽輪發(fā)電機(jī)外，冷卻介質(zhì)散熱后繼續(xù)在發(fā)電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)［1］。所以如何快速、有效地將發(fā)電機(jī)內(nèi)部熱量排出機(jī)組，確保發(fā)電機(jī)部件在允許的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，是汽輪發(fā)電大型化發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增大主要依靠發(fā)電機(jī)冷卻技術(shù)的不斷進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)。本文將對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的氣體冷卻器進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期進(jìn)一步優(yōu)化其換熱與阻力性能。

氣?液間壁式傳熱的熱阻主要集中在氣體側(cè)，約占總熱阻的50%以上［2］，所以應(yīng)主要強(qiáng)化氣體側(cè)的傳熱。在實(shí)際工程應(yīng)用中，在換熱管外使用擴(kuò)展表面來強(qiáng)化對(duì)流傳熱，如整體套片式的翅片管式換熱器，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效率高。翅片管換熱器以其良好的換熱性能和輕巧的設(shè)備外形被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中［3］。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，翅片管的型式也不盡相同，包括平直型、波紋形、矩形、H形、開縫型、螺旋型等。對(duì)于某一型式的翅片管換熱器，為了進(jìn)一步優(yōu)化其性能，可采取多種方法，如改變翅片間距、翅片厚度、管徑、管排數(shù)等［4-5］。文獻(xiàn)［6-8］對(duì)49種翅片管換熱器的空氣側(cè)流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了比較全面的試驗(yàn)研究，分析了不同翅片間距、縱橫向管間距、管外徑、翅片厚度及管排數(shù)等對(duì)換熱器性能的影響。Tang等［9］對(duì)螺旋型翅片、平直型翅片、開縫型翅片、縱向渦發(fā)生器和混合型翅片等5種翅片管換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，并對(duì)縱向渦發(fā)生器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。楊立軍等［10］對(duì)6種不同管束結(jié)構(gòu)的Forge型翅片管換熱器和橢圓形翅片管換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，并得到了相關(guān)特征數(shù)關(guān)聯(lián)式，研究結(jié)果對(duì)相關(guān)空冷系統(tǒng)的選型及運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。屈治國(guó)等［11］基于對(duì)普通平直翅片和開縫翅片傳熱特性的數(shù)值模擬分析指出，開縫翅片能有效實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的本質(zhì)是開縫改善了翅片間流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同性。衣志超等［12］對(duì)5種不同開縫翅片管換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了不同管間距對(duì)開縫翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響規(guī)律。屠琦瑯等［13］通過改變翅片間距和開縫高度對(duì)雙向開縫翅片管換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，研究成果可為雙向開縫翅片管換熱器的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化提供依據(jù)。

目前對(duì)各種翅片管換熱器傳熱與阻力特性的研究仍在不斷發(fā)展過程中，改變翅片間距會(huì)改變翅片管換熱器的換熱面積和氣側(cè)擾動(dòng)強(qiáng)度，故合理的翅片間距可使翅片管換熱器在阻力增加較小的情況下盡可能提高其傳熱性能，以達(dá)到強(qiáng)化傳熱和節(jié)能的目的。本文采用模化試驗(yàn)方法研究翅片間距對(duì)平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響，以便為此類換熱器在汽輪發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用及結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)包括空氣循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？諝庋h(huán)系統(tǒng)主要包括空氣電加熱器、整流格柵、試驗(yàn)段、噴嘴流量箱和引風(fēng)機(jī)等。在循環(huán)風(fēng)洞中空氣被電加熱器加熱到試驗(yàn)工況所需的溫度，經(jīng)過整流格柵整流，空氣流速均勻分布后，到達(dá)試驗(yàn)段，橫向沖刷平直翅片管換熱器（試件）。熱空氣與管內(nèi)冷卻水進(jìn)行換熱冷卻后進(jìn)入噴嘴流量箱，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)加壓后再次到達(dá)電加熱器形成空氣循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)主要包括穩(wěn)壓水箱、電加熱器、水泵、電磁流量計(jì)和試驗(yàn)段。冷卻水在穩(wěn)壓水箱中經(jīng)電加熱器加熱到試驗(yàn)工況要求的溫度后由水泵引出，經(jīng)過電磁流量計(jì)，進(jìn)入試驗(yàn)段從而冷卻通過試件的熱空氣。其中被加熱后的少量冷卻水直接排放到外界環(huán)境，大部分冷卻水回到穩(wěn)壓水箱，完成循環(huán)。被排放的熱水由外界的補(bǔ)給水在穩(wěn)壓水箱內(nèi)直接補(bǔ)充，以保證冷卻水系統(tǒng)的總水量穩(wěn)定。控制系統(tǒng)的功能主要是對(duì)試件進(jìn)口水溫、進(jìn)口風(fēng)溫、水速、風(fēng)速等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，以達(dá)到試驗(yàn)工況要求。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

在試驗(yàn)過程中，當(dāng)空氣放熱量與冷卻水吸熱量的誤差在± 2%內(nèi)時(shí)，即可認(rèn)為試驗(yàn)工況已穩(wěn)定，可開始采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)?？諝饬髁坑蓢娮鞙y(cè)量，試件進(jìn)、出口空氣溫度由經(jīng)標(biāo)定的銅?康銅熱電偶網(wǎng)測(cè)量，試件進(jìn)、出口空氣的壓降由精度為0.2級(jí)的EJA?120A型差壓變送器測(cè)量，進(jìn)、出口水溫由精度為A級(jí)的Pt100熱電阻測(cè)量，冷卻水流量由精度為0.2級(jí)的AXF040G型電磁流量計(jì)測(cè)量。測(cè)量?jī)x表的輸出信號(hào)由ADAM?4118型模塊進(jìn)行采集，經(jīng)過ADAM?4520型模塊轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行自動(dòng)采集、計(jì)算、動(dòng)態(tài)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1.2 試件

平直翅片管換熱器翅片結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中：S1、S2分別為橫向、縱向管間距；do為管外徑；δ為管子壁厚；δf為翅片厚度。試件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)段空氣迎風(fēng)面尺寸（高 × 寬）為 1 300 mm × 404 mm，沿空氣流動(dòng)方向錯(cuò)排布置4排管子，每排分別布置11根冷卻水管，共計(jì)44根。冷卻水流道為單排進(jìn)水，共計(jì)4個(gè)流程，與外側(cè)熱空氣呈逆流布置。翅片材料為8011鋁帶，基管管材為TP2紫銅管。

圖2 平直翅片管換熱器翅片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the fin structure in the plate fin-and-tube heat exchanger

表1 試件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structure parameters of the test elements

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

（1）試件傳熱系數(shù)K

總傳熱系數(shù)K為

式中：Ao為試件翅片側(cè)換熱總面積，m2；ΔTm為試件管外側(cè)熱空氣和管內(nèi)側(cè)冷卻水的對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

（2）翅片側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)ho

本試件管內(nèi)、外壁以及翅片表面清潔，故忽略試件的污垢熱阻，同時(shí)在數(shù)據(jù)處理時(shí)，取翅片效率ηf為1，則翅片側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)ho為

式中：l為管長(zhǎng)，m；λb為管子材料導(dǎo)熱系數(shù)，W·m–1·K–1；di為管內(nèi)徑，m；hi為管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)（按 Dittus?Boelter公式計(jì)算），W·m–2·K–1；Ai為管內(nèi)換熱面積，m2。

（3）空氣側(cè)努賽爾數(shù)Nua、雷諾數(shù)Rea、歐拉數(shù)Eua、摩擦因子f分別為

式中：λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W·m–1·K–1；為管束間最小流通截面空氣流速，m·s–1；va為管外空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2·s–1；ρa(bǔ)為空氣密度，kg·m–3；N為沿空氣流動(dòng)方向管排數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 翅片間距對(duì)平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響

不同試驗(yàn)工況下翅片間距Pf對(duì)平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響如圖3所示，其中試件除了翅片間距不同其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同（見表 1）。

由圖3（a）中可看出，對(duì)于不同Pf的翅片管換熱器，其空氣側(cè)Nua均隨Rea增大而增大，傳熱性能提高；在同一Rea下，隨著Pf的減小，空氣側(cè)Nua逐漸增大，但增大幅度不明顯。其原因?yàn)椋弘S著Rea的增大，Pf減小，氣流擾動(dòng)增強(qiáng)，傳熱性能提高。但是由于試件為平直翅片，翅片結(jié)構(gòu)平整，對(duì)空氣邊界層的破壞作用有限，所以在試驗(yàn)工況下，即Rea在4 000～8 000范圍內(nèi)，Pf減小對(duì)該翅片管換熱器傳熱性能的強(qiáng)化效果不明顯。

由圖3（b）中可看出，在Pf相同的情況下，空氣側(cè)Eua隨Rea的增大而減?。辉谕籖ea下，隨著Pf的減小，空氣側(cè)Eua逐漸增大。這是因?yàn)镻f越小，空氣側(cè)流通摩擦表面積越大，空氣流經(jīng)試件的擾動(dòng)越強(qiáng)，故空氣側(cè)流動(dòng)阻力越大。

圖3 翅片間距Pf對(duì)平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的影響Fig.3 Effect of the fin spacing on the heat transfer and flow resistance of plate fin-and-tube heat exchangers

2.2 翅片間距對(duì)平直翅片管換熱器綜合流動(dòng)傳熱性能的影響

為了比較不同Pf對(duì)平直翅片管換熱器的綜合流動(dòng)傳熱性能，本文采用作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。能夠反映流體經(jīng)過傳熱表面時(shí)單位功耗的對(duì)流換熱強(qiáng)弱，越大，說明換熱器的綜合流動(dòng)傳熱性能越優(yōu)［10］。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得三種Pf的換熱器的Pf對(duì)平直翅片管換熱器的影響如圖4所示。由圖中可看出，在Rea=4 000～8 000 范圍內(nèi)，隨著Rea的增大，增大，說明隨著Rea的增大，翅片管換熱器的綜合流動(dòng)傳熱性能不斷提高，這是因?yàn)镹ua隨Rea的增大而增大，f隨Rea的增大而減?。辉谕籖ea下，Pf越大，綜合流動(dòng)傳熱性能最優(yōu)，這是因?yàn)殡S著Pf減小，雖然空氣側(cè)氣流的擾動(dòng)加劇，換熱性能提高，但是效果并不明顯，而其阻力增大卻較為明顯。此外，雖然 Pf= 2.5 mm 時(shí)綜合流動(dòng)傳熱性能最佳。但當(dāng)換熱器外形尺寸一定時(shí)，Pf越大，其換熱面積越小，其傳熱能力未必最高，因此，在選擇換熱器翅片間距時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，選擇最優(yōu)的翅片間距。

圖4 Pf對(duì)平直翅片管換熱器綜合流動(dòng)傳熱性能的影響Fig.4 Effect of the fin spacing on the comprehensive flow and heat transfer performance of plate finand-tube heat exchangers

對(duì)于本文所研究的翅片管換熱器，當(dāng)應(yīng)用于通風(fēng)冷卻介質(zhì)溫升較低而通風(fēng)阻力要求較高的汽輪發(fā)電機(jī)時(shí)，可采用 Pf= 2.5 mm；當(dāng)應(yīng)用于冷卻介質(zhì)溫升較高而通風(fēng)阻力要求較低的汽輪發(fā)電機(jī)時(shí)，可采用 Pf= 2.2 mm，從而在較低的通風(fēng)損耗下盡可能提高換熱器的傳熱性能。

3 結(jié) 論

采用?；囼?yàn)方法研究了平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性，得出以下結(jié)論：

（1）空氣側(cè)Rea對(duì)平直翅片管換熱器的傳熱與阻力性能有明顯影響。由于翅片管換熱器的熱阻主要集中在空氣側(cè)，所以通過增大空氣側(cè)流速可以增加空氣擾動(dòng)，提高平直翅片管換熱器的傳熱性能，但空氣側(cè)流動(dòng)阻力也會(huì)增加。

（2）Pf在 1.8～2.5 mm 范圍內(nèi)，Rea在 4 000～8 000范圍內(nèi)時(shí)，在同一Rea下，翅片側(cè)Nua隨Pf的增大而增加，但增加幅度不明顯；翅片側(cè)Eua隨著Pf的增大而減小。

（3）Rea在 4 000～8 000 范圍內(nèi)，綜合性能指標(biāo)隨著Rea的增大而增大；Pf在1.8～2.5 mm范圍內(nèi)時(shí)，同一Rea下，翅片間距Pf= 2.5 mm 的綜合流動(dòng)傳熱性能最好，但換熱器外形尺寸一定時(shí)，此時(shí)換熱面積減小，換熱量可能減小，因此需綜合考慮。

（4）將該類型換熱器應(yīng)用于發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻介質(zhì)溫升較低而通風(fēng)阻力要求較高時(shí)，可采用 Pf= 2.5 mm 的翅片間距，以降低發(fā)電機(jī)的通風(fēng)損耗；當(dāng)發(fā)電機(jī)通風(fēng)冷卻介質(zhì)溫升較高而通風(fēng)阻力要求較低時(shí)，可采用 Pf= 2.2 mm的翅片間距，從而在較低的通風(fēng)損耗下盡可能提高換熱器的冷卻能力。