三维变形管用于燃气轮机进气加热器上的传热特性研究

文_郝洪亮 林城迪 朱鸿飞 朱冬生 严志远 涂爱民

1.国电环境保护研究院有限公司 2.中国科学院广州能源研究所

燃气轮机进气加热器对换热器防积灰、防结垢、防积水等性能要求比较严格，相对于翅片管换热器，三维变形性管在这方面具有较大的优势。本文对翅片管换热器及三维变形管换热器进行研究，探究管侧及壳侧传热与流阻性能，用于指导工程设计。

1 三维变形管

三维变形管由圆管压扁扭曲而成，沿管长方向呈螺旋状，流体在管内外流动时，会在垂直于主流的方向产生二次流，从而加强流体对壁面边界层的扰动，提高流体的湍流度，增强流体的换热性能。三维变形管每半个扭矩在长轴处都会紧靠在一起，经过钢带捆扎或者点焊后便可形成一体化的管排，从而大大提升其抗震动性能。

2 管侧流体传热及流阻性能

对管侧流体在相同雷诺数下进行数值模拟，采用的管型分别为三维变形管及圆管，其结构参数如表1所示。

表1 三维变形管与圆管结构参数

将圆管的模拟结果与经验公式的计算结果进行比较可以看出，模拟值与经验值存在一定的误差，但误差波动范围小于6%，在误差所允许的范围之内；随着雷诺数的增大，无论是圆管还是三维变形管的传热系数都在增大；在所研究的雷诺数范围内，三维变形管管内平均传热系数为2660W·m-2℃-1，比圆管的2022 W·m-2·℃-1高31.6%。

3 壳侧流体传热及流阻性能

3.1 实验系统图

对壳侧的流体进行实验研究，采用与实际工程相同的工况对三维变形管换热器和H型翅片管换热器进行测试，换热器壳侧流体为空气，入口温度为21℃，管侧流体为热水，入口温度为65.5℃。图1是测试系统示意图。

3.2 数据处理

为对换热器的传热性能及压降性能进行分析，需要对测量出来的数据进行处理，总换热量Q计算如下：

式中qm为质量流量，kg/s；Cp为定压比热，kJ/(kg·K)；Δt为进出口温差，℃。

总传热系数K满足：

式中A为空气侧总换热面积，m2；ΔTm为对数平均温差，℃；hw为水侧传热系数，W·m-2·℃-1；Aw为水侧换热面积，m2；di和do分别为基管内外径，m；λwall为管壁导热系数，W/（m·K）；l为基管长度，m；ha为空气侧传热系数，W·m-2·℃-1；Aa-t为管外壁和空气的接触面积，m2；Af为翅片面积，m2；η为翅片效率。

无量纲努塞尔数Nu和欧拉数Eu用于表征流体的传热及压降特性，其计算如下：

式中d为壳侧当量直径，m；λ为空气的导热系数，W/（m·K）；ΔP为空气侧压降，Pa；ρ为空气的密度，kg/m3；u为空气的速度，m/s。

图1 测试系统示意图

3.3 结果分析

随着空气流速的增加，三维变形管换热器及H型翅片管换热器的壳侧传热系数都在增大，但H型翅片管换热器壳侧传热系数的增加幅度不大，变动范围为35～55 W/（m2·℃），而三维变形管换热器壳侧传热系数从70W/（m2·℃）增大到135W/（m2·℃）。相同的空气流速下，三维变形管换热器壳侧传热系数的变动范围为H型翅片管换热器壳侧传热系数2～2.45倍，且空气流速越高，三维变形管换热器壳侧传热系数与翅片管换热器壳侧传热系数的比值越大。空气在三维管管束间流动的湍动性会比翅片管的高，从而提高了传热效率。

随着空气流速的增大，三维变形管换热器及H型翅片管换热器的壳侧压降都逐渐增大，H型翅片管换热器壳侧压降变动范围为28～230Pa，三维变形管换热器壳侧压降变动范围为52～370Pa，相同的空气流速下，三维变形管换热器壳侧压降与H型翅片管换热器壳侧压降比值的变动范围为1.55～2。

4 结论

模拟燃气轮机进气加热器实际运行的工况，对三维变形管换热器进行研究，得到的结论如下。

三维变形管替代传统翅片管作为燃机进气换热器的换热元件，由于管子之间可形成自支撑结构，提升了换热器整体抗震性能，同时克服了表面积灰和腐蚀风险。

对三维变形管及圆管管内流场进行数值模拟，相对于圆管，三维变形管管内传热系数可提高31.6%，且二次流的出现加强了速度场与温度场的协同性，但削弱了速度场与压力场的协同性。

对采用三维变形管和H型翅片管的换热器进行了试验研究，在测试工况范围内，三维变形管换热器壳侧的传热系数及压降分别为H型翅片管的换热器的2～2.45倍和1.55～2倍，表明了三维变形管换热器良好的换热性能。