管式空气预热器螺旋槽管数值优化探讨.pdf
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1、74管式空气预热器螺旋槽管数值优化探讨王筱箴黄雪飞东方电气集团东方锅炉股份有限公司,成都 611731摘要:本文讨论了管式空气预热器螺旋槽管的数值优化及能效评价。CREO 软件建立螺旋槽管的三维模型,通过 ANSYS 分析其传热系数和阻力系数。应用能效评价方法优化螺旋槽管的结构参数,为工程设计人员提供参考。关键词:螺旋槽管;数值计算;能效评价中图分类号:TM621;TK124文献标识码:A文章编号:1001-9006(2023)02-0074-05Discussion on Numerical Optimization of Spiral Groove Tubeof Tubular Pir A
2、reheaterWANG Xiaozhen,HUANG Xuefei(Dongfang Boiler Co.,Ltd.,611731,Chengdu,China)Abstract:The paper discusses the numerical optimization and energy efficiency evaluation of spiral grooved tubes oftubular air preheater.The three-dimensional model of spiral grooved tube is established by CREO software
3、,the heattransfer coefficient and resistance coefficient are analyzed by ANSYS.The optimal structural parameter of spiral groovedtube is considered by means of energy efficiency evaluation method.The paper provides reference for engineeringdesigners.Key words:spiral grooved tube;numerical simulation
4、;energy efficiency evaluation1收稿日期:2022-11-01作者简介:王筱箴(1972),女,2012 年毕业于四川理工学院机械设计专业,大学本科,工程师。现任东方锅炉股份有限公司技术中心设计员,主要从事机械设计与电站锅炉研究等工作。2020 年 9 月,我国明确提出 2030 年“碳达峰”与 2060 年“碳中和”目标1,促进绿色技术和节能减排技术的发展。2021 年 11 月,国家发改委、国家能源局印发全国煤电机组改造升级实施方案,深入推动煤电领域的超低排放改造,灵活性改造及供热改造。在此背景下,各科研单位、电力企业与设备制造商纷纷开展节能降耗新技术的研究及应
5、用。通过应用管式空气预热器与回转式空气预热器联合设计的 GAH 防堵技术方案的研究及改造应用2,可使 300 MW 亚临界 W 火焰锅炉的排烟热损失降低 1.45%。通过对某公司 CFB 锅炉在解决腐蚀、磨损、漏风等问题的技术方案进行总结3,为 CFB机组的经济煤种惨烧、宽负荷适应性提供了经验。管式空气预热器的性能提升研究再度引起工程技术人员的关注。管式空气预热器传热强化技术在国内外均有大量的研究,在标准4及文献出版物5-7中总结了关于传热和流动阻力计算的准则关联式。H 型外翅片、高频焊接外螺旋翅片、内外螺旋槽管等在工程上已有较多的应用,其强化传热效果得到了广泛认同及工程实际验证。翅片管的大规
6、模的市场应用受到制造工艺、质量、使用寿命及制作成本等因素的制约。H 型外翅片管和高频焊接外螺旋翅片管采用焊接的方法将外螺旋翅片与基管焊接在一起,可减少翅片与基管的接触热阻,但加工难度较大且成型精度较低。通过实验装置对高频焊接外螺旋翅片的传热和流动阻力特性进行研究8,总结了传热系数与翅片间距、翅片高度、横向管间距、纵向管间距等因子的准则关联式,得到横75向管间距及翅片间距越大,传热系数越大的结论。整体锯齿型螺旋翅片管采用热轧定制批量生产或者车削工艺加工方式,制作成本适中,产品质量可靠,使用寿命长,在工程中也得到了较多的应用。通过对整体齿型翅片管束的传热及阻力特性的实验研究9,得出了其传热及阻力特
7、性关联式,结论为锯齿型翅片管束的翅基面积及翅片密度比外螺旋翅片更大,传热系数高出约 11%。本文的研究对象为内外螺旋槽管,采用冷轧工艺,用光管在轧机上滚压出内外螺旋槽,具有一次滚压成型,不需要人工矫直,产品精度高,加工成本低等特点。螺旋槽管已有试验测试数据作为支撑并在大量的工程应用中得到了性能验证。1光管式空气预热器的数值模拟计算本文统计了100余个实际工程项目CFB锅炉管式空气预热器的数据,平均进口烟气温度 283、平均出口烟气温度 134、平均进口空气温度31、平均出口空气温度 225,见图 1。图 1 工程实际的烟气、空气温度统计以上述平均温度值作为研究对象管式空气预热器的设计参数参考值
8、,以更接近于工程实际。依据取样工程项目的烟气、空气参数,得到平均的烟气、空气的组分份额,作为管式空气预热器的设计烟气参数,用于性能计算程序分析及数值模拟分析。详细的烟气、空气成份如下:烟 气 成 份(摩 尔 份 额):O2=3.25%,RO2=14.21%,N2=73.33%,H2O=9.20%。空气成份(摩尔份额):O2=20.67%,N2=77.75%,H2O=1.58%。采用多组分气体物性参数的计算方法计算出烟气与空气的导热系数、动力粘度、定压比热、密度等参数10,并拟合为温度的多项式,用以计算管式空气预热器的性能及数值模拟计算流体介质的物性参数设定。研究对象为某管式空气预热器,错列布置
9、,烟气自上而下通过管内,空气横向通过管间。管箱单列布置,共有 3 级。管子直径均为 D411.5 mm,横向节距 S1 均为 70 mm,纵向节距 S2 均为 40 mm。每级管箱的横向管子排数 Z1 均为 40,纵向管子排数 Z2 均为 40。用管式空气预热器性能程序计算各工况下烟气和空气的进、出口温度数据及管子壁温,作为数值模拟计算的温度边界条件。烟气纵向流经管内,水力直径为管子内径 37 mm,烟气定性温度为烟气进、出口平均温度 202.5。空气横向流经管间,水力直径为 46.12 mm,空气定性温度为空气进、出口的平均温度 119.2。管子的壁面温度为金属的平均温度 159.5。烟气、
10、空气对管壁的对流放热系数计算准则式分别为式(1)5及式(2)5。光管式空气预热器的管内烟气纵向流动阻力采用 Merker 公式计算,见式(3)。光管式空气预热器的空气管间横向流动阻力计算准则方程见式(4)6。式(1)式(4)中:hg,ha分别为烟气、空气的对流传热系数,W/(mK);?为烟气、空气的导热系数,W/(m2K);De 为水力直径5,mm;?为烟气、空气的流速5,m/s;?为烟气、空气的运动粘度,m2/s;Pr 为烟气、空气的普朗特数;CS为修正系数,计算值为 1.1635;Ck为修正系数,查线算图 1.165;Cz为修正系数,计算值为 1.2436:Cfg、Cfa分别为烟气、空气的
11、流动阻力系数,0.5PDe/(LV2)。选取与整个管式空气预热器流体平均温度近似相等的中温段管组进行数值分析计算,烟气流经统计样本数量76管内,烟气入口温度为 229.05,出口温度为173.7。空气流经管间,空气入口温度为 85.4,出口温度为 149.9。壁面平均温度 159.5。数值分析的计算模型选择 k-双方程,采用速度入口,压力出口,恒壁温等边界条件。烟气与空气的导热系数、动力粘度、定压比热、密度采用拟合多项式计算。数值计算的管内及管间流体域见图 2,其中管间流体域的纵向管排数应不小于 10。图 2 数值计算流体域通过对光管的数值计算的结果进行分析比较,Standard k-计算模型
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