管式空气预热器螺旋槽管数值优化探讨.pdf

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 AreheaterWANG 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,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;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，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，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、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-计算模型有较好的计算精度。在雷诺数6 00017 000 范围内，光管内烟气纵向流动的数值计算对流传热系数 hg与式（1）的偏差为9.85%+2.1%，流动阻力系数 Cfg与式（3）的偏差为+24%+30%，见图 3。图 3 光管内纵向流动传热与阻力系数图 4 光管间横向流动传热与阻力系数光管间空气横向流动的数值计算对流传热系数 ha与式（2）的偏差为1.3%0.9%，流动阻力系数Cfa与式（4）的偏差为+16%+23%，见图4。2内外螺旋槽管数值模拟计算内外螺旋槽管采用冷轧工艺，用光管在轧机上挤压出内外螺旋槽，加工成本低。D411.5 的光管加工内外螺旋槽管的工艺成熟，在工程上已有大量的应用。按工程经验需考虑螺旋槽管的加工工艺及金属的延展率等因素，对 1.5 mm 薄壁管子的挤压螺旋槽深度建议不超过 1.5 mm。内、外螺旋槽管扩展了管子内壁及外壁的传热面积，螺旋槽改善了管子壁面的流态，传热得到强化。螺旋槽管结构尺寸见图 5，P 为螺距（mm），W 为槽口宽度（mm），H 为翅片深度（mm）。图 5 螺旋槽管结构尺寸表 1 螺旋槽管结构尺寸mm编号节距 P槽宽 W槽深 H1261.51661.52061.51681.516101.5本文对管式空气预热器管子的内外螺旋槽管结构参数进行设定的改变，通过 ANSYS 数值模拟计算分析螺旋槽管的传热和流动阻力特性，为工程优化设计及工程应用提供方法及建议。采用 CROE 三维软件在光管上扫描螺旋沟槽，模拟螺旋槽管的轧制。本文设计了 5 种不同螺距、槽口宽度的螺旋槽管结构尺寸参数，见表 1。三维内螺旋槽扩展了传热面积，同时提高了流体在管壁的流速，气流沿螺旋槽的旋向流动增强了底层气流的扰动及与中心区域流体的混合，传热得到提升。气流的纵向流动受螺旋槽的影响与边界层分离，边界层厚度减薄，同时也增强了气流的扰动77及与中心区域流体的混合，传热得到提升，见图6图9。图 6 纵向速度矢量图图 7 横向速度矢量图图 8 横向温度云图图 9 传热系数云图图 10 螺旋槽管内纵向流动传热系数及阻力系数通过数值计算结果的对比分析，Realizable k-计算模型对内螺旋槽管内纵向流动有较好的计算精度，与工程实际数据有更好的一致性。在雷诺数8 00020 000 范围内，内螺旋槽管内流动传热系数h 相比光管上升 1.351.58 倍，阻力系数 Cf上升1.962.19 倍，见图 10。在槽口宽度 W 均为 6 mm的情况下（编号、），螺旋节距 P=16 mm的三维内螺旋槽管具有最大的传热系数，P=20 mm次之，P=12 mm 最小。螺旋节距 P=12 mm 的三维内螺旋槽管具有最大的阻力系数，P=16 mm 次之，P=20 mm 最小。在螺旋节距 P 均为 16 mm 的情况下（编号、），槽口宽度 W=6 mm 的三维内螺旋槽管具有最大的传热系数和阻力系数，W=8mm 次之，W=10mm 最小。图 11 纵向速度矢量图图 12 传热系数云图三维外螺旋槽扩展了管子外壁的传热面积，是传热强化的主要因素。壁面区域的外螺旋槽改变了部分的流体流向，对传热强化也有一定的促进作用，见图 11、图 12。图 13 螺旋槽管间横向流动传热系数及阻力系数通过数值计算结果的对比分析，Realizable k-数值计算模型对外螺旋槽的管间横向流动有较好的计算精度，与工程数据有更好的一致性。在雷诺数 5 00014 000 范围内，外螺旋槽的管间流动传热系数 h 相比光管上升 1.261.31 倍，阻力系数 Cf下降 1.0051.01 倍，见图 13。在槽口宽度均为 W=6 mm 的情况下（编号、），螺旋节距 P=16mm 的三维外螺旋槽管具有最大的传热系数及阻力系数，P=12 mm 次之，P=20 mm 最小。传热系数与内螺旋槽管趋势一致，而阻力系数与内螺旋槽管趋势不同。外螺旋槽管传热强化主要受扩展传热面积份额的影响，受流态变化的影响更小。在螺旋节距 P 均为 16 mm 的情况下（编号、），槽口宽度 W 越大，三维外螺旋槽管具有更小的传热系数和更小的阻力系数，与内螺旋槽管的趋势一致。3管式空气预热器的能效评价管式空气预热器的能效评价方法，通常对传热系数和压降进行分析和比较，有研究人员提出采用单位泵功率下的换热量指标(Q/N)，或者传热努谢尔数与阻力系数的比值(Nu/Cfn)，或者压降与传热单元数的比值（P/NTU）等11-12，上述方法简单直观，但不能全面反映管式空气预热器的能效指标。作为进一步的研究，有学者提出了基于热力学第二定律的评价方法，包括熵评价法和评价法，并在热交换器行业等到了广泛应用13-14。管式空气预热器的能效评价，除了考虑热效率和风机能耗等性能指标外，还应考虑制造成本、安装成本、检修维护成本等因素的影响。78本文分析计算的 5 种类型的螺旋槽管均采用D451.5 的光管轧制加工而成，其计算传热面积均采用光管的计算传热面积。5 种类型的螺旋槽管的管径、管长、管排数、横向节距、纵向节距等参数均相同，因此具有相同的计算传热面积、设备重量及设备成本。基于此，本文采用相同设备成本基础上的能量净收益的能效评价方法，即通过比较换热器单元的换热量与通风能耗的差值 EI 进行判定，EI 值越大表示换热器的能量净收益越大，因而具有更好的能效指标。相关的计算方法见式(5)式(8)。Q=MG CP t（5）或Q=h Tm A（6）N=P MG/（7）?（8）式（5）式（8）中：Q 为换热单元的换热量，W；MG 为空气或烟气的质量流量，kg/s；CP 为空气或烟气在定性温度下的比热，J（kg）；t为空气或烟气的进出口温度差，；h 为对流传热系数，W/（m2）；Tm 为传热对数温差，；A为对流传热面积，m2；N 为风机的泵功率，W；为风机系数，取值 0.870.88；P 为通风阻力，Pa；为空气或烟气的密度，kg/m3；EI 为能效指标，W。通过计算分析，表 1 中的型螺旋槽管具有最好的能效指标，EI 值对比见图 14，与工程实际中采用性能测试方法获得的优选型号一致。图 14 螺旋槽管换热器能效指标 EI 对比4结语本文基于 CAE 的数值模拟计算分析提供了螺旋槽管的一种优化设计方法，相对于试验研究可大幅度节约研究成本，并具有很高的数据可靠性和准确性。对于光管内纵向流动与光管间横向流动的数值分析计算，Standard k-计算模型有较好的计算精度。而对于螺旋槽管内纵向流动与管间横向流动的数值计算，Realizable k-计算模型有较好的计算精度。通过对 5 种不同螺旋节距及螺旋槽口尺寸的螺旋槽管的数值计算分析对比，并采用净能量收益的能效评价方法进行判定，结论为型螺旋槽管具有最好的能效指标，与工程实际中采用性能试验研究方法获得的优选型号一致。本文如有错误或不当之处敬请批评指正。参考文献：1 新华社.习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要 讲 话 EB/OL.(2020-9-22)2022-4-20.https:/ 冉燊铭,郑刚,邓坚等.基于升参数的亚临界 W 火焰锅炉整体提效改造方案研究J.热力发电,2022,51(1):79-863 辛胜伟.循环流化床锅炉典型共性问题攻关及展望J,洁净煤技术.2021,27(S2):18-224.莫强.锅炉设备空气动力计算M.杨文学,徐希平等译.唐宗炎校.北京:电力工业出版社,19815 应静良,李永华.电站锅炉空气预热器M.北京:中国电力出版社,20026 古尔维奇 A M,库兹涅佐夫 H B.锅炉机组热力计算标准方法M.杨文学,徐希平译.北京:机械工业出版社,19987 章成骏.空气预热器原理与计算M.上海:同济大学出版社,19958 何法江,曹伟武,匡江红等.螺旋翅片管束传热和阻力特性的试验研究J.动力工程,2009,29(5):460-4649 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