强化受热面的传热计算

9.3.7　强化受热面的传热计算

在烟气管外横向冲刷管束的对流受热面中，一般说来，管外热阻比管内热阻大得多，因此可采用扩展受热面，增加相对于基本面单位面积的传热量，达到强化传热的效果，此外还可以调整受热面的壁温，某些结构形式的扩展受热面还能使通风阻力和工质的流动阻力有所降低，改善受热面的外部工作条件。因此，在锅炉的对流受热面中广泛采用扩展受热面。

扩展受热面的型式很多，在锅炉中常见的有肋片管、鳍片管及膜式对流受热面等。肋片的截面形状有圆形、方形及更复杂的形状。鳍片管是指沿管子轴向扩展表面的受热面，鳍片的形状有矩形、梯形等。膜式对流受热面是将沿烟气流动方向相邻两排管子用薄钢板焊接成膜式屏的受热面。与鳍片管相比较，膜式管具有自支承作用、受热均匀、积灰和磨损现象有所改善等特点。鳍片管和膜式管扩展的受热面面积与肋片管相比较都是有限的，但它们不易堵灰，因而在燃煤锅炉的对流受热面中广泛应用。而肋片管和销钉管表面扩展程度比较大，但容易堵灰，适用于燃用重油或天然气锅炉的对流受热面。图9.20示出了几种扩展对流受热面。

对火管式锅炉烟管，管式空气预热器等，烟气在管内纵向冲刷，放热系数较低可以采用螺旋槽纹管，管内扰流子等结构强化传热。

螺旋槽纹管的结构是在圆管表面滚轧出螺旋形的凹槽，管内则形成螺旋形的凸起，如图9.21所示。根据轧制时的螺纹头数可分为单头和多头的螺旋槽纹管。烟气在管内流动时，由于受螺旋槽纹的导引，靠近壁面部分的烟气由于受螺旋槽纹的导引，靠近壁面部分的烟气顺槽旋转，而螺旋形的凸起，使烟气产生周期性的扰动，这样可使流体边界层减薄，并增强流体的扰动，使传热强化。根据在工业锅炉上实际应用的经验，可使传热量提高约40%～50%，具有很好的效果。为使流动阻力不致增加太大，螺旋槽不宜太深。

图9.20　几种扩展对流受热面

（a）肋片管；（b）鳍片管；（c）错列膜式管；（d）顺列膜式管

横槽纹管是在管壁上滚轧出与管子轴线成90°的槽纹，在管壁内形成一圈圈突出的圆环，如图9.22所示。其强化传热的作用是，流体经过圆环时在管壁上形成轴向的旋涡，使流体边界层扰动增加，因而使传热得到强化。

图9.21　单头螺旋槽纹管

d—内径；s—槽距；e—槽深；β—槽与管轴线夹角

图9.22　横槽纹管

在管内加入某种元件，使流体发生旋转，从而增大流体的湍流程度而使传热强化，这种元件称为扰流子。扰流子可有各种型式，如扭片、螺旋片、螺旋线圈等。显然，由于在管内增加了元件，流体的阻力也会增加。所以，对于各种型式的扰流子，都要具体研究加装了扰流子后传热强化与阻力增加之间的关系，即增加的传热量与因阻力增加而多消耗的能量之间的合理比值。图9.23所示为螺旋型扭片的结构型式。

图9.23　螺旋型扭片

各种型式的强化受热面可总结如下：

事实上，强化传热技术被誉为第二代传热技术，随着传热理论和技术的发展，锅炉各种受热面上将会采用越来越多的强化传热技术。各种强化传热受热面的放热系数的计算仍然主要依赖于实验。这里对几种常见的扩展受热面的传热系数的计算略加介绍，其它强化受热面的传热系数的计算需要参阅有关文献。

符合下列几何特性的鳍片式省煤器的传热系数，可按下式计算：

这里

公式的适用范围为

式中：ξ为利用系数；α_1dl为气体冷却时错列清洁鳍片的当量放热系数，可按式（9.224）计算或按线算图9.24查取，当加热气体时，须乘上系数1.25；d为未镶焊鳍片前管子的直径，m；s₁、s₂为管子的横向及纵向节距，m；h_q为鳍片的高度，m；δ_q为鳍片的厚度，m。

对于一般非标准的肋片元件的传热系数，可按下列方法计算。

当一侧或两侧镶有肋片的管子，其对烟气侧的总表面积的传热系数可按下式计算：

式中：为烟气侧及工质侧总表面积之比；α_1dl、α_2dl为外侧（烟气侧）及内侧的当量放热系数，W/（m²·K）。

如果仅仅烟气侧有肋片，则可以用管内表面对受热介质的放热系数α₂代替α_2dl。α_1dl取决于冲刷介质对管壁的放热系数以及肋片和污垢层的热阻，计算式为

对镶有圆形肋片的圆形管为

对镶有正方形肋片的圆形管为

图9.24　错列鳍片管管束的放热系数

式中：H_q/H为肋片表面积与烟气侧总表面积之比；E为肋片的有效系数，根据肋片的形状和参数值βh_q及按图9.25计算，其中β按下式计算：

式中：λ_js为为肋片金属的热导率，W/（m·K）；D为圆形肋片的直径或正方形肋片的边长，m；d为未镶焊肋片前的管子直径，m；h_q、δ_q为肋片高度、肋片的平均厚度，m；s_q为肋片节距，m；

μ为考虑肋片朝向根部逐渐加厚产生影响的系数，按图9.26计算，与βh_q及有关，δ_q2及δ_q1为肋端及肋根的厚度；μ为考虑α_d沿肋片表面分布不均匀系数，对直线形底线的肋片，取ψ＝0.9，对圆形底线的肋片，取ψ＝0.85；ε为污染系数，同前。

管内侧放热系数系相对于内侧表面积而言，当管内侧有肋片时，也可按式（9.226）计算，取污染系数ε等于零。

当烟气冲刷横向肋片管的管束时，放热系数可按下式计算。

对于镶有圆形肋片的顺列管束为

图9.25　肋片的有效系数

图9.26　肋片的均流系数

对于镶有圆形肋片的错列管束为

如果肋片是正方形的，上述计算公式均可使用，圆形肋片的直径等于正方形肋片的边长，对流放热系数公式中的系数0.104和0.223，分别用0.0956和0.205代替。