三維變形管用于燃氣輪機進氣加熱器上的傳熱特性研究

文_郝洪亮 林城迪 朱鴻飛 朱冬生 嚴志遠 涂愛民

1.國電環境保護研究院有限公司 2.中國科學院廣州能源研究所

燃氣輪機進氣加熱器對換熱器防積灰、防結垢、防積水等性能要求比較嚴格，相對于翅片管換熱器，三維變形性管在這方面具有較大的優勢。本文對翅片管換熱器及三維變形管換熱器進行研究，探究管側及殼側傳熱與流阻性能，用于指導工程設計。

1 三維變形管

三維變形管由圓管壓扁扭曲而成，沿管長方向呈螺旋狀，流體在管內外流動時，會在垂直于主流的方向產生二次流，從而加強流體對壁面邊界層的擾動，提高流體的湍流度，增強流體的換熱性能。三維變形管每半個扭矩在長軸處都會緊靠在一起，經過鋼帶捆扎或者點焊后便可形成一體化的管排，從而大大提升其抗震動性能。

2 管側流體傳熱及流阻性能

對管側流體在相同雷諾數下進行數值模擬，采用的管型分別為三維變形管及圓管，其結構參數如表1所示。

表1 三維變形管與圓管結構參數

將圓管的模擬結果與經驗公式的計算結果進行比較可以看出，模擬值與經驗值存在一定的誤差，但誤差波動范圍小于6%，在誤差所允許的范圍之內；隨著雷諾數的增大，無論是圓管還是三維變形管的傳熱系數都在增大；在所研究的雷諾數范圍內，三維變形管管內平均傳熱系數為2660W·m-2℃-1，比圓管的2022 W·m-2·℃-1高31.6%。

3 殼側流體傳熱及流阻性能

3.1 實驗系統圖

對殼側的流體進行實驗研究，采用與實際工程相同的工況對三維變形管換熱器和H型翅片管換熱器進行測試，換熱器殼側流體為空氣，入口溫度為21℃，管側流體為熱水，入口溫度為65.5℃。圖1是測試系統示意圖。

3.2 數據處理

為對換熱器的傳熱性能及壓降性能進行分析，需要對測量出來的數據進行處理，總換熱量Q計算如下：

式中qm為質量流量，kg/s；Cp為定壓比熱，kJ/(kg·K)；Δt為進出口溫差，℃。

總傳熱系數K滿足：

式中A為空氣側總換熱面積，m2；ΔTm為對數平均溫差，℃；hw為水側傳熱系數，W·m-2·℃-1；Aw為水側換熱面積，m2；di和do分別為基管內外徑，m；λwall為管壁導熱系數，W/（m·K）；l為基管長度，m；ha為空氣側傳熱系數，W·m-2·℃-1；Aa-t為管外壁和空氣的接觸面積，m2；Af為翅片面積，m2；η為翅片效率。

無量綱努塞爾數Nu和歐拉數Eu用于表征流體的傳熱及壓降特性，其計算如下：

式中d為殼側當量直徑，m；λ為空氣的導熱系數，W/（m·K）；ΔP為空氣側壓降，Pa；ρ為空氣的密度，kg/m3；u為空氣的速度，m/s。

圖1 測試系統示意圖

3.3 結果分析

隨著空氣流速的增加，三維變形管換熱器及H型翅片管換熱器的殼側傳熱系數都在增大，但H型翅片管換熱器殼側傳熱系數的增加幅度不大，變動范圍為35～55 W/（m2·℃），而三維變形管換熱器殼側傳熱系數從70W/（m2·℃）增大到135W/（m2·℃）。相同的空氣流速下，三維變形管換熱器殼側傳熱系數的變動范圍為H型翅片管換熱器殼側傳熱系數2～2.45倍，且空氣流速越高，三維變形管換熱器殼側傳熱系數與翅片管換熱器殼側傳熱系數的比值越大。空氣在三維管管束間流動的湍動性會比翅片管的高，從而提高了傳熱效率。

隨著空氣流速的增大，三維變形管換熱器及H型翅片管換熱器的殼側壓降都逐漸增大，H型翅片管換熱器殼側壓降變動范圍為28～230Pa，三維變形管換熱器殼側壓降變動范圍為52～370Pa，相同的空氣流速下，三維變形管換熱器殼側壓降與H型翅片管換熱器殼側壓降比值的變動范圍為1.55～2。

4 結論

模擬燃氣輪機進氣加熱器實際運行的工況，對三維變形管換熱器進行研究，得到的結論如下。

三維變形管替代傳統翅片管作為燃機進氣換熱器的換熱元件，由于管子之間可形成自支撐結構，提升了換熱器整體抗震性能，同時克服了表面積灰和腐蝕風險。

對三維變形管及圓管管內流場進行數值模擬，相對于圓管，三維變形管管內傳熱系數可提高31.6%，且二次流的出現加強了速度場與溫度場的協同性，但削弱了速度場與壓力場的協同性。

對采用三維變形管和H型翅片管的換熱器進行了試驗研究，在測試工況范圍內，三維變形管換熱器殼側的傳熱系數及壓降分別為H型翅片管的換熱器的2～2.45倍和1.55～2倍，表明了三維變形管換熱器良好的換熱性能。