直接空冷扁平翅片管束散热性能的实验研究

席新铭，董泽文，贺威，徐明，杨立军，杜小泽

(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)



直接空冷扁平翅片管束散热性能的实验研究

席新铭，董泽文，贺威，徐明，杨立军，杜小泽

(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，北京市 102206)

扁平翅片管束是电站直接空冷系统的基本散热元件，研究其结构特点和流动换热特性，对于电站空冷系统的优化设计与高效运行具有重要意义。以直接空冷系统典型的连续蛇形翅片扁平管束为研究对象，通过实验研究不同的翅片间距对翅片间冷却空气的流动换热特性的影响，以及垂直进风和倾斜进风工况下，翅片散热性能的变化。结果表明，在相同的风速下，随着翅片间距的减小，翅片的换热系数增大，而阻力系数的变化相对复杂。实验条件下，翅片间距为56.8 mm时整体性能较优。翅片间距一定时，随着风速的增大，换热系数逐渐增大，阻力系数逐渐减小。但随着风速的增加，两者变化趋势渐缓。研究结果为扁平管连续翅片结构的进一步优化提供了基础数据。

直接空冷；扁平管蛇形翅片；翅片间距；流动与传热

0 引 言

直接空冷系统由于其优良的节水特性在我国富煤缺水地区得到了广泛的应用。为强化作为冷却介质的空气侧传热，目前直接空冷凝汽器普遍采用连续蛇形翅片扁平管束作为基本传热单元，优化其流动和传热性能对空冷系统性能提高具有重要意义。

针对各种形式翅片管散热器流动传热特性的研究已有很多成果。其中，Kim等[1]对22种平翅片管换热器在不同翅片间距、管排数和排列方式下的换热特性进行了研究；Yan和Sheen[2]实验研究了平翅片、波形翅片和百叶窗翅片管束换热器的压降和传热特性，得到了对流换热系数和压降与迎面风速的关系。杜小泽等[3]针对目前我国600 MW直接空冷机组冷端系统的典型结构，通过试验方法得到了凝汽器翅片侧无量纲努塞尔数随空气流动雷诺数的变化曲线，拟合出相应的准则关联式。张凯峰等[4]通过计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)模拟，以60°空冷管束夹角为翅片入口模型，在不同的翅片间距和翅片高度的情况下，对翅片管束的流动换热特性进行了研究，结果表明：不同风速下存在对应的换热最强的翅片间距，随着翅片高度的增加，对流换热系数减小。温娟[5-6]采用大涡模拟方法((large eddy simulation，LES)模型，对翅片管的流动换热特性从涡的发展机理上进行分析研究。其他研究者[7]也采用数值模拟方法，研究了用于空冷散热器的翅片管束流动换热特性。

张树国等[9]建立了蛇形翅片扁平管及直翅片扁平管的三维物理模型和数学模型，利用Fluent软件进行数值计算，进行对流换热系数、流动损失、散热量的对比分析，结果表明：蛇形翅片扁平管翅片的物理结构存在进一步优化空间的可能性，直翅片扁平管具有更优越的冷凝效率。为进一步优化翅片的性能，张璟[10]等针对波浪翅片开展了数值模拟研究，对比分析表明，波浪翅片扁管的性能在一定程度上优于蛇形翅片。Dong[11-12]通过实验与数值模拟相结合，对比探究16组波纹翅片的流动换热特性，结果表明，波纹翅片的振幅和翅片长度是影响翅片性能的主要因素，翅片的振幅越小，长度越短，综合性能越好。冯丽丽等[13-14]采用数值模拟的方法，对扁平管交错蛇形短翅片结构进行研究，结果表明：随着短翅片交错排数的增加，强化传热的效果更为明显，在n=5时，强化传热综合性能评价准则数可达1.05～1.09。

尽管已有众多研究针对翅片流动传热性能的优化开展了系统的研究，但把翅片管束作为研究对象，探索翅片间距对于整体流动传热特性影响的研究较少。本文基于实际应用的连续蛇形翅片扁平管束，利用热态风洞实验，研究翅片间距对翅片散热器性能的影响，并进行性能评价。

1 实验设计及实验系统

1.1 实验目的

通过风洞试验台，分垂直进风与倾斜进风2种情况，研究5组不同翅片间距的翅片管束在不同风速下的流动换热特性，分别做出5组工况下管束的性能曲线，并进行性能对比，指导优化方案。

1.2 实验设备

1.2.1 实验样品

图1为某厂提供的扁平管散热器，几何参数见表1，其中A为扁平管长轴长，B为短轴长，δt为管壁厚度，W为翅片长度，Hf为翅片高度，δf为翅片厚度，t为翅片空隙，S1～S5为5组不同的翅片间距。

1.2.2 水循环系统

风洞实验台由水侧循环和空气侧开式流动组成。

图1 扁平管蛇形翅片Fig.1 Serpentine fin flat tube表1 扁平管蛇形翅片几何参数Table 1 Geometric parameters of serpentine fin flat tube mm

水循环系统由恒温水浴，水泵，流量计和入口联箱组成。恒温水浴用以保证进入翅片管束的水温恒定不变。热水经水泵加压进入与扁平管相连的入口联箱，之后进入扁平管散热器被冷却，冷却后的水通过出口水管流回恒温水浴，形成闭式循环。

1.2.3 空气循环系统

空气系统由变频柜、风机和风洞构成。变频柜与风机相连，调节风量。风洞整体包括送风机、扩散段、稳流段、收缩段、稳定段、实验段和扩散段，风洞系统如图2所示。空气由风机引入，经整流后进入实验段，最终通过扩散段进入大气，形成开式风洞系统。风道材料为亚克力玻璃，实验段外部用保温棉包裹，增强绝热效果。垂直进风实验段长1 000 mm，倾斜进风实验段长2 000 mm，宽约为360 mm。垂直进风时，以1 m长翅片管垂直放置于风道，倾斜进风时，以2 m长翅片管与风道流通方向倾斜30°放置。

1.3 实验方法

本实验采用倾斜式微压计配合皮托管测量翅片管进出口压差，测量范围为0～50 Pa，精度为0.2 Pa。实验采用测温范围为-200～300 ℃的铜-康铜(T型)热电偶测量水的进出口温度、基管温度以及空气进出口温度，标定后精度为0.1 ℃。以垂直进风为例，每根管的进出口布置1支热电偶，共12支，测量热水的进出口温度。实验段入口放置1支热电偶，基管背风面均匀布置12支热电偶，用以测量空气的进出口温度。沿6根基管管长方向，均匀布置24支热电偶，测量结果取平均值，作为基管的壁面温度。水的体积流量采用精度为0.5%、量程为0.2～1.2 m3/h的涡轮流量计测量。空气流速采用型号VT50、精度为3%、量程为0.15～30.0 m/s的热球风速仪测量。风速仪置于距翅片管入口几何中心20 cm处。实验过程中，水侧流量保持在1 m3/h左右，空气侧调节变频柜，以0.2 m/s为间隔，采集11组风速下的数据。每组数据待工况稳定后进行测量，稳定时间约为15 min。

图2 风洞实验系统图Fig.2 Wind tunnel experiment system

1.4 数据处理

1.4.1 空气侧阻力系数与对流换热系数的计算

管外空气侧的流动阻力系数和换热系数为

(1)

(2)

(3)

式中ta1和ta2分别为工质的进出口温度。

1.4.2 无量纲准则数

扁平管蛇形翅片空气侧特征尺寸d[15]为

(4)

以实验段内空气侧进出口温度的平均值作为特征温度，以翅片管束最小截面处的空气流速ua作为特征速度，可计算得出翅片管空气侧的雷诺数Re、努赛尔数Nu以及综合评价准则数NPEC

(5)

(6)

(7)

式中：ν为空气的运动粘度；λa为空气的导热率。文中综合评价准则数的无量纲数Nu0、f0在垂直进风与倾斜进风工况下，均取56.5 mm所对应的值作为基准值，便于比较。

1.5 误差分析

采用T型热电偶，测量温度的最小值为42 ℃，热电偶自身的最大测量相对误差为0.1%，标定热电偶用的恒温水浴精度为±0.1 ℃；涡轮流量计测量的相对误差εG=0.5%；VT50热球风速仪误差εa=3%；测量实验件尺寸的卷尺可精确到1 mm。

采用平方根误差公式来计算实验结果的不确定度

(8)

(9)

2 结果与讨论

本次实验所测风速为1.0～3.0m/s，每隔0.2m/s测量1组数据。将所得11组数据转换为无量纲因数，综合分析5种间距翅片管束在垂直进风和倾斜进风这2种工况下的特性。

2.1 实验结果

对实验数据进行整理，得出5种间距翅片管束在垂直进风和倾斜进风这2种条件下的流动换热特性曲线，并整理出相应的实验关联式。流动压降ΔP、对流换热系数h与迎面风速v(v规定为风道流量与翅片管束迎风面积的比值)的关系如图3、4所示。

由图3、4可以看出，不论在垂直进风、倾斜进风工况下，同一翅片管的流动压降均随风速的增大而增大，且增大的趋势渐快，换热系数随风速的增大而增大，且减小与增大的趋势渐缓。垂直进风工况下，翅片间距分别为56.5 mm与56.8 mm的翅片换热系数较高，56.5 mm相应的流动压损较高；倾斜进风工况下，呈现出相同的变化趋势。对比同一管型在不同工况下的性能可得，垂直进风工况下，翅片管的换热性能较优，这是由于倾斜进风时，迎面空气流动发生折转，进入翅片通道中的空气流速大大降低造成的。

图3 流动压降随迎面风速的变化关系Fig.3 Pressure drop versus windward air velocity

图4 对流换热系数随迎面风速的变化关系Fig.4 Convection heat transfer coefficient versus windward air velocity

由实验结果分析可知，翅片管的换热系数与流动损失均随着翅片间距的减小而增大。这是由于处于翅片间隙中的冷却气流，在间隙减小时，流速增加，冷却能力增强，因而换热系数较大，而流道的减小使得流通面积减小，翅片管束阻力增大，因此气流的流动损失增大。

2.2 性能评价指标及无量纲数关联式

图5～7所示为阻力系数f、努赛尔数Nu及综合评价指标NPEC与雷诺数Re的关系。由图可以看出，阻力系数f随着Re的增大而减小，且减小趋势渐缓；与阻力系数f相反，努赛尔数Nu随着Re数的增大而增大，在Re较高时趋于平缓；综合评价指标NPEC在垂直进风时变化较为平缓，在倾斜进风时，随着风速的增加，呈现出先增大后减小的趋势。总体来看，垂直进风工况下翅片管的阻力系数较小，换热系数较大，表现出的性能优于倾斜进风工况。

图5 f与Re的关系Fig.5 Relationship between f and Re

当翅片管束处于垂直进风工况时，空气来流与翅片流道方向一致，流动顺畅且流速较大，换热系数较高；当管束处于倾斜进风工况时，空气来流受到倾斜管束的阻挡与偏折，使得气流进口阻力损失增大，且进入翅片间隙的流速降低至原来的一半，从而较大程度上增加了空气侧的流动损失，降低了空气侧的换热能力。因此翅片管束在垂直进风工况下的性能明显优于相同来流风速的倾斜进风工况。

图6 Nu与Re的关系Fig.6 Relationship between Nu and Re

图7 NPEC与Re的关系Fig.7 Relationship between NPEC and Re

由图7可以看出，垂直进风工况下，间距为56.8、56.5 mm的翅片管综合评价指标NPEC较高，其中56.8 mm的翅片管总体性能最优。倾斜进风工况下，间距为56.8、57 mm的翅片管综合评价指标NPEC较高，在高风速区，57 mm的性能较优，整体看来，56.8 mm的翅片管表现出较好的综合性能。

采用最小二乘拟合原理，对实验得到的阻力系数f、努赛尔数Nu随雷诺数Re的变化关系，拟合为幂函数形式，分垂直进风与倾斜进风2种工况列于表2中，可用于直接空冷系统蛇形翅片管散热器热力性能计算，为空冷系统散热器的选型和直接空冷系统优化设计提供理论依据。表2中垂直进风方式下关联式的适用范围为260≤Re≤800，倾斜进风方式下关联式的适用范围为220≤Re≤690。

表2 用雷诺数表示的翅片管束特征关联式

Table 2 Correlating equations of finned tubes expressed by Reynolds number (vertical flow)

3 结 论

本文通过风洞试验台，对10组不同尺寸的蛇形翅片扁平管散热器的流动换热特性进行了实验对比研究，得出了5种不同翅片间距的翅片，分别在垂直进风与倾斜进风这2种工况下，阻力系数f、努赛尔数Nu及综合评价指标NPEC与雷诺数Re的关系，并用幂函数的形式拟合出他们之间的特征关联式，可用于指导空冷散热器的选型和直接空冷系统的设计和运行。

实验研究结果表明，垂直进风工况下翅片的综合性能明显优于倾斜进风工况，这是由于翅片流道的倾斜布置对进口风的折转作用造成的。垂直进风工况下，间距为56.8、56.5 mm的翅片管综合评价指标NPEC较高；倾斜进风工况下，间距为56.8、57 mm的翅片管综合评价指标NPEC较高；在高风速区，57 mm的性能较优。整体看来，间距为56.8 mm的翅片管表现出较好的综合性能。

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(编辑：蒋毅恒)

Experimental Study on Heat Transfer Property of Direct Air-Cooling Flat Finned Tube Bundle

XI Xinming, DONG Zewen, HE Wei, XU Ming, YANG Lijun, DU Xiaoze

(Key Laboratory of Power Plant Equipment Condition Monitoring and Control,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Flat finned tube bundle is the basic radiating element of direct air-cooling system in thermal plant, so the study on its structure feature, flow and heat transfer property has important significance to the optimization design and efficient operation of air-cooling system in power plant.Taking the typical continuous serpentine fin flat tubes of direct air-cooling system as examples, this paper studied the impact of different fin spacings on the flow and heat transfer property of the cooling air and the changes of fin’s heat transfer performance under vertical and tilt flow conditions.The result shows that the heat transfer coefficient of fin grows up with the decrease of its spacing at the constant wind speed, while its resistance coefficient varies complexly.Under the experimental conditions, the flat tube with fin spacing of 56.8 mm has the best property.When the fin spacing is constant, with the growth of wind speed, the heat transfer coefficient increases and the resistance coefficient decreases gradually.However, the trends become gentle at high wind speed.The research results can provide basic datas for the further optimization of the structure of continuous flat tube fin.

direct air-cooling; serpentine fin flat tube; fin spacing; flow and heat transfer

国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(2015CB251503)。

TK 124; TM 621

A

1000-7229(2015)03-0021-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.004

2014-12-01

2015-01-08

席新铭(1979)，男，硕士，工程师，主要从事电站节能及空冷技术研究工作；

董泽文(1990)，男，硕士研究生，主要从事电站空冷技术研究工作；

贺威(1990)，男，硕士研究生，主要从事电站空冷技术研究工作；

徐明(1989)，男，硕士研究生，主要从事电站空冷技术研究工作；

杨立军(1970)，男，博士，教授，主要从事强化传热基础理论及应用技术、火电站空冷系统设计与运行关键技术、燃料电池内的流动与传热特性等研究工作；

杜小泽(1970)，男，博士，教授，主要从事强化传热与节能、电站空冷技术、新能源发电等研究工作。

Project Supported by National Basic Research Program of China (973 Program)(2015CB251503).