H 型鳍片管鳍片的温度分布及传热特性模拟研究

引言

省煤器的结构通常有光管式、螺旋翅片管式、H 型鳍片管式等结构，其中 H 型翅片管因其特殊的沟槽结构，且具有更强的传热性能和耐磨性能，吸引了许多学者的关注[1-2]。现有的研究大多集中在 H 型鳍片管束的流动与传热特性上，而对 H 型鳍片的温度分布及传热特性研究较少 [3-4]。此外，对于中小型锅炉而言，H 型鳍片管省煤器的进口温度越来越高，部分工况下甚至高达 600oC，远超 20 钢的峰值温度。因此，在这种高温条件下，深入研究 H 型鳍片的温度工况及传热特性显得尤为重要。本文基于 ANSYS Fluent 对错列布置下 H 型鳍片管的稳态传热过程进行了数值模拟计算，探究了鳍片高度、宽度及厚度等结构参数对鳍片表面温度场以及传热特性的作用规律，为燃煤电厂省煤器的结构优化提供理论支持与设计依据。

1 数值模拟

1.1 物理模型

错列布置 H 型鳍片管束的物理模型如图 1（a） 所示，横向节距 （s1） 为 90mm ，纵向节距 （s2） 为 81mm 。H 型鳍片管的结构如图 1（b） 所示，其主要结构参数为：基管管径 （d0） 为38mm ，其内径 （di） 为 30mm ， 鳍片高度（h1） 及鳍片宽度（h2） 的取值范围为 54mm～108mm ，鳍片厚度d 的取值范围为 1.2～3.6mm ，开缝宽度w 为14mm。

1.2 控制方程及边界条件设置

外部高温烟气沿着垂直于鳍片管轴线方向自上向下流动，在温差的作用下，烟气与鳍片管进行热交换。在模拟时，假定高温烟气具有恒定的物理性质，且其流动是三维不可压缩、稳定的湍流过程，流体的流动与传热过程满足连续性方程、动量方程和能量方程，如式 （1）～（3） 所示：

式中，ρ 为密度， μ 为流体的动力粘度， c_p 是比热容，λ 为导热系

本文根据模型的对称性进行了合理性简化，在计算过程中假设：鳍片与基管间的接触热阻可以忽略，基管内壁温度设为恒定温度，即为 239oC 。烟气入口处，采用速度入口边界条件，烟气流速设为 12m/s ，温度为510oC，出口处采用压力出口边界条件。

2 模拟结果与分析

本文通过改变H 型鳍片的高度、宽度及厚度，研究了鳍片的温度分布及传热特性。在数据处理时，引入鳍片效率 ηf 来表征当整个鳍片表面等于基管温度时，鳍片的实际传热量与给定传热量的比值，即：

其中，Ff 为H 型鳍片表面换热面积，m2；Tf 为周围烟气的温度， ^oC;T_jb 为肋基温度，^∘C ；T 为鳍片温度， ^oC ； a 为鳍片表面对流换热系数， W/（m²×K） ，可由下式计算得到：

上式中， c_p 是烟气的定压比热容， J/（kg×K） ；w 是烟气的进口流速，m/s；ρf 为烟气的密度， kg/m³ ；Fin、Fa 分别为计算域进口的面积及鳍片管的换热总面积，m2； ΔT_in 、T_out 分别为计算域进、出口烟气温度， ^∘C ；ΔT 为烟气与鳍片管壁间的对数平均温差 ，

努塞尔数 （Nusselt number，Nu） 用来描述流体在流动过程中对流换热强度和热传导强度之间的比值：

鳍片高度及宽度对传热特性的影响

鳍片高度 h1 对传热特性的影响如图 2 所示。在恒定的 h₂/d_i（=2.0） 、 δ/d_i（=0.1） 下，α和Nu 随着 h 的增加而减小，这是由于随着鳍片高度的增加导致热边界层的厚度变大，从而导致对流换热系数及努塞尔特数减小。随着鳍片高度的增加，其换热面积也在不断增大，从而提高了换热量，但是由于鳍片高度增大的同时也会增大传热热阻，因此，鳍片的传热效率会发生下降。

鳍片宽度 h₂ 对传热特性的影响如图3 所示。在恒定的 h₁/d_i（=2.0） 、 δ/d_i（=0.1） 下，由于鳍片宽度的增加，鳍片边缘的温度逐渐升高，导致边缘处的对流换热系数逐渐减小，从而使得整体的对流换热系数及Nu 降低。同时在保持不同管排的鳍片间距不变时，随着鳍片宽度的增加，流通域内最小截面处的流速降低，进而也会使得Nu 降低。

鳍片厚度对传热特性的影响

鳍片厚度δ 对传热特性的影响如图4 所示，鳍片厚度的变化范围在1.2 mm - 3.6 mm。可以看出，α 和 Nu 均随鳍片厚度的增加而增加，这主要是由于鳍片厚度的增加使得鳍片之间的流动截面积减小，从而增大了烟气的平均流速。此外，鳍片厚度的增加也使得烟气流经鳍片区域收缩程度加大，增大了扰流程度，进而提高了α 和Nu；随着鳍片厚度的增加，传热热阻减小，同时传热面积也会相应的增加，因此鳍片效率和传热量会随着鳍片厚度的增加而增加。

结论

本文基于 ANSYS Fluent 软件模拟了错列布置下不同结构参数的 H 型鳍片管换热过程，得到了以下结论：

1.H 型鳍片的最高温度出现在鳍片迎风面的两个角附近，在基管和鳍片的焊接处，温度较低且温度梯度最大。鳍片的最高温度及平均温度随着鳍片高度及宽度的增大而增加，而随着鳍片厚度的增大而减小。

2.H 型鳍片的对流换热系数、努塞尔数及换热量随着鳍片高度或宽度的增加而减小，但由于热传导路径的增加及传热热阻的增大，鳍片效率逐渐降低；

3.H 型鳍片的对流换热系数、努塞尔数及换热量随着鳍片厚度的增加而增大，且鳍片的传热热阻随着鳍片厚度的增大而减小，因此，鳍片效率也不断提高。

参考文献

[1] 孙钟平 ， 吴新 ， 王亚欧 . H 型鳍片管束传热及流阻特性的数值模拟 [J].动力工程学报 ， 2014， 34（5）： 382～389.

[2] Li X， Zhu D， Sun J， et al. Air side heat transfer and pressure drop of H type fin and tube bundles with in line layouts [J]. Experimental Thermal and Fluid Science， 2018， 96： 146-153.

[3] 牛天况 . H 型鳍片管的鳍片温度工况计算研究 [J]. 锅炉技术 ， 2014， 45（1）8～13.

[4] 刘彦丰 ， 付晓俊 . H 型鳍片管的鳍片温度工况模拟分析 [J]. 华北电力大学学报 ， 2017， 44（4）： 100～104.