电站空冷凝汽器新型翅片管流动传热性能的数值研究

郭永红，刘志刚，宋晓皎，李丰亮

（1.山西能源学院，山西 晋中 030600；2.华能渑池热电有限责任公司，河南 三门峡 472400）

0 引言

直接空冷系统因其在节约水资源方面的巨大优势而被广泛应用在中国内陆富煤缺水的火电机组中。直接空冷系统通常由阵列布置的几十个空冷凝汽器单元构成，其中空冷凝汽器单元主要是由A型布置的翅片管束和位于A型架下方的轴流风机构成。翅片管束作为汽轮机排汽的主要换热部件，其流动传热性能直接关系到机组的经济高效运行，因此研究构成空冷凝汽器换热部件的翅片管流动传热性能及其强化传热具有重要意义。

国内外学者在翅片管的强化传热方面具有广泛的研究。Chi-Wen Lu，Jeng-Min Huang等采用数值方法研究了翅片管的几何结构参数对两排翅片管换热器流动传热性能的影响，包括翅片间距、基管间距、翅片厚度、基管直径。结果表明，随着横向基管间距的增大或基管直径和翅片厚度的减小，翅片管换热器性能逐渐增强[1]。Harun Bilirgen等对环形翅片管在不同翅片高度、厚度、间距和材质下的流动传热性能进行了数值研究。结果表明，翅片间距越小，翅片高度越高，翅片管换热能力越强[2]。Cathal T.O Cleirigh，William J. Smith通过对三排管螺旋翅片管束传热和压降性能的研究，验证了数值方法在模拟翅片管方面的可靠性。结果表明，管外努赛尔数和压降的数值模拟结果与已发表的经验公式相吻合[3]。Xiaoze Du，Lili Feng等采用实验和数值模拟的方法对直接空冷系统扁平管矩形翅片管束空气侧的流动传热性能进行了研究，同时研究了在翅片表面布置三角小翅后，翅片管束的流动传热性能变化，结果表明，在布置某一数量的三角小翅后，翅片管束的换热性能具有大幅提高[4]。W.M. Song等采用数值方法研究了在单排矩形翅片扁平管翅片上布置交叉斜肋后的流动传热性能变化情况，包括不同肋结构、肋间距和肋攻角。结果表明，努赛尔数和摩擦因子随着肋高度和间距增加而增加，同时入口到第一个交叉斜肋前沿的距离存在一个最优值，使得翅片管流动换热性能最佳[5]。Lijun Yang等通过数值模拟提出了一种新型的翅片布置形式，即改变翅片在扁平管外的布置角度，以适应空冷单元A型布置模式，防止翅片表面积灰，并得出了该结构翅片管的流动换热性能[6]。杨立军等对间冷系统不同形式的翅片管束进行了数值研究，得到了空冷散热器冷却空气流动阻力和对流换热系数在不同迎面风速下的变化规律。结果表明，随着迎面风速增加，换热系数增加幅度小于压降增加的幅度[7]。

1 计算模型

1.1 物理模型

直接空冷系统常用翅片管基管的结构为扁平管，翅片为波浪形矩形翅片，本文将常规翅片管定义为A型，翅片分割为2个锯齿的翅片管定义为B型，翅片分割为5个锯齿的翅片管定义为C型，翅片分割为10个锯齿的翅片管定义为D型。图1给出了各型号翅片管的结构示意图。由于沿管长方向翅片具有周期重复的结构，几何建模时只考虑一个翅片。翅片管宽度方向呈左右对称，取翅片管一半作为研究对象即可。

图1 翅片管模型结构示意图

翅片管结构参数如图2所示。其中，相邻翅片间距为2.3mm，翅片厚度为0.26mm，扁平管壁厚为1.3mm，翅片长度为200mm，翅片宽度为19mm。

图2 翅片管结构参数/mm

1.2 数学模型及数值方法

针对空冷凝汽器翅片管空气侧物理模型，建立简化数学模型。根据空气穿过翅片间的流动与换热问题，采用(realizable)k-ε模型，控制方程如式（1）所示。

其中，ρ为密度；uj为xj方向的速度分量；φ、Гφ、Sφ代表控制变量、扩散系数及源项[7]。

采用商业软件Gambit进行几何建模和网格划分，在基管和翅片表面进行边界层网格划分，对计算域入口段、中间段和出口段分块进行网格划分。如图3所示，给出了边界条件设定方法。空气入口流速控制在0.25~2.75m/s之间变化，入口空气温度取288.15K，基管壁温取324.19K。利用商业软件ANSYS Fluent进行求解计算。采用simple算法，双精度计算。能量方程残差小于10-6，其他方程残差小于10-4时，认为计算收敛。

图3 计算域及边界条件

2 结果及讨论

2.1 数据整理方法

采用数值模拟的方法计算翅片管在不同入口空气流速的情况下，冷却空气压降和进出口温度，由公式（3）、（5）可得到压降和对流换热系数随迎面风速的关系，进而拟合得到努赛尔数和摩擦因子的特征数关联式。其整理方法如下。

雷诺数Re定义为：

其中，ρ为空气密度，kg m-3；μ为空气动力粘度，Pa s；u为翅片间最小流通截面上的空气流速，m s-1；D为对应流通截面的水力直径，m。

空气在翅片管中的流动压差Δp定义为：

其中，p1为空气入口压力，Pa；p2为空气出口压力，Pa。

目前，酿酒过程中高效利用低压二次蒸汽已成为国内外节能的重点研究和攻关方向，酿酒工业二次蒸汽的汽化热如都可以回收利用，则生产汽耗、耗标煤量均能在原基础上大幅度地降低。该系统工艺流程简单，设备性能可靠，配上自动控制，与工艺自控系统联网，可确保节能效果。目前酿酒过程二次蒸汽回收这一节能降耗的新技术已被多家酒厂采用，取得了预期的节能效果，具有一定的推广应用价值。

摩擦因子f定义为：

其中，L为空气流程，m。

对流换热系数h定义为：

其中Q为翅片管对流换热量，W；A为翅片管换热面积，m2；Δtm为对数平均温差，K。

努赛尔数Nu定义为：

其中，λ为空气的导热系数，W（m·K）-1。所有的定性温度取空气进出口温度的算术平均值。

2.2 结果及分析

图4、5分别给出了不同锯齿数翅片管的翅片表面温度分布和沿流动方向中心截面内温度场分布图。由图可知，翅片管入口温度梯度较大，沿着流动方向，空气温度升高，换热强度变弱，翅片温度逐渐升高，在翅片管出口达到最高。和连续翅片相比，翅片的间断破坏了热边界层的持续发展，边界层沿短翅片长度方向上周期性地形成，使整个翅片换热面的边界层具有起始段较薄，热阻较小的特点，从而强化了换热。因此，当锯齿数越多，其换热性能越好。

图4 翅片温度分布/K

图6 压降随迎面风速的变化关系

不同翅片管空气侧对流换热系数h随迎面风速uf变化规律如图7所示。由图可知，对流换热系数随迎面风速的增大而增大，翅片锯齿数越多，对流换热系数越高，对流换热效果越好。说明随着锯齿数增加，锯齿所带来的扰流作用可以起到强化传热的目的。

图7 对流换热系数随迎面风速的变化关系

由公式（2）、（4）和（6）可以整理计算得到摩擦因子f和努赛尔数Nu随雷诺数Re的变化关系，如图8和图9所示。可以看出，摩擦因子f随雷诺数Re的增大而减小，在低雷诺数时，其减小趋势较大，与此同时，在相同雷诺数的情况下，锯齿数越多，摩擦因子f越大。努赛尔数Nu随雷诺数Re的增大而增大，低雷诺数时，努赛尔数Nu变化明显，并且在雷诺数相同时，锯齿数越多，努赛尔数Nu越大，翅片管综合换热性能越强。

图5 中心截面温度分布/K

图8 摩擦因子随雷诺数的变化关系

图9 努赛尔数随雷诺数的变化关系

2.3 特征关联式

通过模拟可以得到对流换热系数随迎面风速的变化关系、摩擦因子和努赛尔数随雷诺数的变化关系，采用最小二乘拟合原理，可以拟合得到其幂函数关系式，如表1所示。可以为直接空冷系统空冷凝汽器翅片管的性能计算和设计提供参考。其中，0.5≤uf≤2.75m/s，550≤Re≤3000。

表1 特征数关联式

3 结论

本文采用数值模拟方法，对直接空冷系统空冷凝汽器常用翅片管以及不同锯齿数的翅片管的流动传热性能进行了数值研究，并得到了压降和对流换热系数随迎面

风速的变化关系，同时得到了摩擦因子和努赛尔数随雷诺数的变化关系。最终拟合得到对流换热系数与迎面风速的幂函数关联式，以及摩擦因子和努赛尔数与雷诺数的特征数关联式，用以评价不同锯齿数翅片管流动换热综合性能。

结果表明，随着迎面风速的增加，翅片管进出口压降增加，空气对流换热性能增强，对流换热系数随之增高，摩擦因子降低。在低雷诺数时，翅片管的流动换热性能变化较为明显。相比于连续翅片，间断的翅片结构对边界层的扰动作用明显，可以有效提高翅片表面传热系数。随着锯齿数的增加，翅片管的流动换热性能增强，说明采用锯齿形翅片可以有效地对翅片管处冷却空气的流动进行扰动，强化换热。