H型鳍片管束传热特性实验研究

吴 新 商宇薇 王军龙 任钢炼

(1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096)

(2东南大学能源与环境学院，南京 210096)

(3江苏申港锅炉有限公司，张家港 215600)

H型鳍片管束传热特性实验研究

吴 新1，2商宇薇1，2王军龙1，2任钢炼3

(1东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096)

(2东南大学能源与环境学院，南京 210096)

(3江苏申港锅炉有限公司，张家港 215600)

在传热风洞实验台上对5组不同结构参数的H型鳍片管束气侧的传热与阻力特性进行了实验研究.实验中考虑了管径、鳍片净高度、鳍片节距以及管排横纵向间距等影响因素，并将实验结果与前苏联锅炉热力计算标准进行了比较.根据实验结果拟合得到了管径φ38 mm、管排纵向间距变化的H型鳍片管束的传热及阻力系数关联式和适用于不同结构参数下H型鳍片管束的传热总关联式;96.5%的实验数据与H型鳍片管束传热关联式计算数值误差小于±15%.同时，将关联式计算值与现有两文献中的实验数据进行了比较，结果表明，传热准则数的最大误差分别为11%和17.7%.该研究为H型鳍片管束的设计提供了可靠的依据.

H型鳍片管束;传热;阻力系数;关联式

换热设备在CFB等锅炉中占有重要的地位，其传热性能对机组节能有着重要的意义.H型鳍片管束除了具有增大管外传热面积、实现强化传热的优点外，还具有如下优良特性:① 不积灰性能.H型鳍片焊在管子不易积灰的两侧，鳍片中间留有一定距离的间隙，鳍片与气流方向平行，因此气流可以吹扫管子鳍片上积灰，从而起到很好的防止积灰、减小流动阻力的作用.② 提高传热性能.鳍片表面特殊的沟槽结构使烟气易于吹扫管束表面进口和尾部分离区中的积灰，从而降低了积灰对整个鳍片换热的影响，达到强化传热的目的.

“创投”项目的实施，涉及政府、债权人(现在主要是银行和担保机构)、新型农业经营主体和农民，各方利益诉求不同，影响因素也不一样。

鉴于H型鳍片管具有的上述优点，有关鳍片管传热特性的研究日益增多［1－10］.刘聿拯等［2］对某结构参数H型鳍片管束进行了传热与阻力实验研究，最终得到适用于其结构参数的H型鳍片管束的传热与阻力关联式.张知翔等［3］基于Fluent计算平台对特定结构参数H型鳍片管的传热特性、阻力特性和综合性能进行了数值研究，得到结构参数对传热及阻力的影响规律.Ay等［4］使用红外线测温仪测得鳍片管换热器上鳍片的温度分布，并通过获得鳍片温度分布推导出鳍片局部换热系数.

由于不同学者所研究的H型鳍片管束的结构差异与研究条件的限制，迄今为止H型鳍片管束的传热与阻力特性的各种计算方法(包括有关计算标准中推荐的计算方法)的结果差异较大，不能满足实际需要.本文针对5组不同结构，3种管径的H型鳍片管束进行传热与阻力实验，对φ38 mm管径H型鳍片管束单独拟合出精度较高的传热与阻力关联式;并通过5组实验数据，拟合出考虑各结构参数影响且适用范围较广的传热总关联式.

1 实验系统及元件

1.1 实验系统

H型鳍片管束传热与阻力实验系统由空气系统和热水系统组成，如图1所示.其中，空气系统包括引风机、0.5 m的过渡段、1.3 m的实验段以及1.2 m的稳定段等，热水系统由锅炉、水泵、流量计及实验段组成.给水经锅炉加热后进入H型鳍片管束换热器，被引入的空气沿稳定段到达实验段，横向冲刷H型鳍片管束，空气与水成逆流布置，被鳍片管束内热水加热后回到风机.热水被管外空气冷却后流回锅炉循环使用.

在实验过程中，通过实验管束的进出口风温以及换热器保温层外壁温均采用经标定的精度为0.5级的铜－康铜热电堆精确测量，温度范围为20～50℃;进出口水温使用铂电阻测量，温度范围为80～60℃;空气进出口压差采用CYR-ID差压变送器测量;空气侧流量使用旋涡流量计和笛形管流量计串联测量，水侧流量则采用涡轮流量计与浮子流量计串联测量.上述测量数据均采用计算机采集.

图1 传热风洞实验台示意图

1.2 实验元件

由于文献［11］中所采用的特征长度为鳍片节距，因此在比较前将NuH和ReH的特征长度［11］转化为与本文一致的管外径，即

图2 H型鳍片管结构示意图

表1 H型鳍片管结构参数表 mm

2 实验原理及数据处理方法

2.1 实验原理

对图2中的H型鳍片管，冷空气横掠鳍片管时从管内热水中吸收热量.热水与冷空气之间总的换热量、鳍片管热传导热量以及鳍片管内侧热水与管壁的换热量三者相等，即

本文分别对4个矩形空心墩进行了拟静力试验，试件编号分别为 201、603、704、706，其截面相同，几何尺寸见图1；混凝土采用C40，纵筋及箍筋均为Ⅱ级钢筋见图2；各试件的参数见表1[5]。试件分为两个组，分别研究分析不同剪跨比和配箍率的影响。

式中，tw1为管内侧壁面温度，℃;tw2为管外侧壁面温度，℃;t1为鳍片管外侧冷空气温度，℃;t2为管内热水温度，℃;Q为热水与冷空气换热量，W;h1为鳍片管外侧冷空气对流换热系数，W/(m2·K);h2为管内热水对流换热系数，W/(m2·K);ηf为鳍片效率;Ff为鳍片表面积，m2;Fb为鳍片管外侧光壁面积，m2;d为管外径，m;di为管内径，m;l为管束总长度，m;λw为管壁导热系数，W/(m·℃).

翻译是一种跨语际的交流活动，语言的差异造成了社会、文化的等方面的差异。有时，某些差异是可以通过直接在目的语中找到适当的替代予以解决，而也有些则是无法直接逾越的鸿沟，需要译者花费更多精力才能达到最大限度地贴近目的语的效果。

式中，k为总传热系数，W/(m2·K);F1为管外侧流体传热总面积(Fb+Ff)，m2.

由式(1)及(2)可得

果然，我爬到窗户口看到了刘佳，他来送昨天我妈塞在他手里的钱，我妈拼命说我不懂事，又拼命把刘佳夸成了一朵花，让他跟我一块玩，好让我也变得听话些。

从而有

养殖生产实践证明，青虾与小龙虾混养是可行的。在饲养期间要注意以下的问题：①要合理控制青虾与小龙虾的放养密度，密度过大时小龙虾可能摄食青虾，青虾也可以摄食小龙虾。②混养池塘水体的溶解氧应当保持在5.0mg/L以上，最低也不能低于3.0mg/L。③要保证充足的饲料供应，以防青虾与小龙虾之间，或青虾内部间，或小龙虾内部间相互残杀。④青虾与小龙虾一旦达到商品规格，即捕捞出售。

式中，H型鳍片效率按方形翅片公式计算，鳍片效率与鳍片几何尺寸和h1有关，在计算中应进行迭代求解［11－12］.

2.2 数据处理方法

2.2.1 传热准则数的计算

式中，Δpj为空气沿工作段总压降，Pa;u为换热段最小截面处空气流速，m/s;ρ为空气密度，kg/m3;z为纵向管束排数.

1.配送线路的选择无序。嘉兴A配送中心的产品主要是家电产品，其销售具有非常明显的季节性特点，进入销售旺季时公司的物流配送就没有了系统的调配与管理，中心站点既缺乏了合理的路线选择，也没有了合理的时间安排，出现了物流配送路线选择与车辆搭配的无序性问题。

最后通过式(4)与(5)计算出H型鳍片管束的传热准则数.

2.2.2 流动阻力的计算

鳍片管的阻力特性可由阻力系数ξ表示.阻力系数ξ计算式为

在实验中，首先根据水侧与空气侧热量平衡，减去实验过程中换热段存在的对流与辐射热量损失(在实验过程中该热量损失实测不大于2%)得到实际传热量，然后根据式(2)和(4)计算得到空气侧对流换热系数.但要得到鳍片管束的传热关联式，则必须获得不同Re所对应的Nu值(其中Re以管外径为特征长度)，即

3 实验结果及分析

3.1 H型鳍片管束传热特性分析

将实验中5组H型鳍片管束的传热实验结果与前苏联1973年锅炉热力计算标准［11］推荐的方法所得的计算结果进行比较，其计算公式如下:

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目前从笔者指导学生参加大赛的情况来说，主要分为两种，一种是自主命题，学生自由组队完成自主命题的作品，最后提交作品进行评比；另一种是题目固定，由组委将题目和主要功能需求列出，然后学生组队参赛，在指定的时间内提交作品进行评比。不管哪一种类型的大赛，其主要特点有以下几点，以中国“软件杯”软件设计大赛为例进行说明。

式中，NuH为以鳍片节距为特征长度的努塞尔数;Cz为空气行程方向上管排修正系数;Cs为管束几何布置方式的修正系数;ReH为以鳍片节距为特征长度的雷诺数.

从2017年度艺术民族志个案研究的综合分析来看，研究者能够主动地使用人类学的理论来阐释民族民间艺术，田野研究的质量也有了不同程度的提升。虽然这些研究者多为具有艺术学学科背景的学者，但是敢于打破固有的“就艺术而论艺术”的研究范式，并且能够在深入的田野调查基础上呈现出有独到见解的艺术民族志，是值得肯定的。主要关注的问题集中于艺术形态、艺术功能、文化变迁、文化生态、审美认同、文化身份、艺术家与传承人等方面。

本文研究的实验元件结构如图2所示，沿空气流程方向顺列布置3×10排管束，整个管束的水路相串联，H型鳍片管结构参数如表1所示.单根鳍片管总长度为320 mm.

按照式(8)进行特征长度转化后，仅以φ 38 mm管径、管排纵向间距88 mm的H型鳍片管束为例，对比结果如图3所示.

图3 φ38 mm管径实验数据与计算值［11］的比较

从图中可见，实验得到的H型鳍片管束传热准则数趋势与文献［11］的结果相同，且计算值［11］均比实验数据低1.2% ～6.9%，主要原因:① 文献［11］中所研究的是方形翅片，而本实验研究的为H型鳍片，H型鳍片迎风面具有特殊的沟槽结构，减小了传热恶化部分，因此传热性能较方形翅片管要高.② 文献［11］中关联式是在400℃烟气下实验得到的经验公式，而本实验采用40℃左右的空气，二者Pr的差异，使文献［11］计算值较低.

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3.2 φ38 mm管径H型鳍片管束传热与阻力关联式

图5(a)为传热准则数实验数据与关联式计算值之间的对比图.如图中所示，95.1%的实验数据与关联式计算数值之间误差在±5%以内.当Re＜2.0×104时，两者相差较小，随着Re的增大，误差增加，最大误差为5.81%，最小误差为0.12%.

图4 φ38 mm管径H型鳍片管束传热准则数与阻力系数曲线

根据上述实验数据处理方法，可得到流体横向冲刷φ38 mm管径H型鳍片管束时的传热与阻力关联式分别为

式中，特征长度为管外径d;定性温度为管外流体进出口平均温度;实验Re范围为3.0×103～3.0×104.

图4(a)、(b)分别为φ38 mm管径下，3组不同管排纵向间距的H型鳍片管束的Nu-Re以及ξ-Re关系曲线.如图中所示，随着Re的增大，传热性能增强，阻力系数减小.在相同Re下，随着鳍片管束管排纵向间距增加，传热性能增强，阻力系数增大.这主要是因为管排纵向间距减小时，后排管对前排管的扰流起到抑制作用，从而使空气流经前排管时的湍流强度减小，导致传热能力降低，阻力系数下降.

图5 φ38 mm管径H型鳍片管束传热准则数及阻力系数实验数据与关联式计算值比较

图5(b)为阻力系数实验数据与关联式计算值之间的对比.如图中所示，94.8%的实验数据与关联式计算数值之间误差在±10%以内，最大误差为10.51%，最小误差为0.31%.

管内热水与管外冷空气之间的传热系数为

3.3 H型鳍片管束传热总关联式

通过5组不同结构参数H型鳍片管束传热实验后，将实验所得数据进行整理，综合考虑管径、鳍片净高度、鳍片节距以及管排横纵向间距等影响因素，拟合出如下公式:

式中，特征长度为管外径d;定性温度为管外流体进出口平均温度;Re范围为3.0×103～3.0×104.

实验证明，管排间距对传热性能影响较大，关联式(11)在文献［11］的基础上，考虑了管排横纵向间距对传热准则数的影响.因此该关联式考虑的影响因素更加全面.

图6为传热实验数据与关联式计算值之间的对比图.如图中所示，96.5%的实验数据与关联式计算数值之间误差在 ±15%以内.最大误差为15.4%，最小误差为0.21%.

图6 H型鳍片管束实验值与总关联式计算值的比较

3.4 H型鳍片管束传热关联式验证

本文通过对5组管径H型鳍片管束进行实验，分别拟合出φ38 mm管径H型鳍片管束传热关联式(9)以及适用范围更广的总传热关联式(11)，为对关联式验证，本文采用关联式(9)和(11)分别计算文献［1－2］中φ38 mm管径H型鳍片管束的实验值，并将计算值与实验数据［1－2］进行对比，结果如图7所示.

图7 实验数据与关联式计算值的比较

图7(a)为文献［1］中实验数据与本文关联式(9)和(11)计算值对比图，其特征长度为管外径，Re范围为5.0 ×103～1.6 ×104.从图中可以看出，φ38 mm管径H型鳍片管束传热关联式(9)的计算值与文献［1］实验数据相比，在小Re下相差较小，最小相差0.7%.当用总关联式(11)进行计算时，最大相差17.7%，最小相差2.6%.这主要是由于文献［1］中的实验为半工业性实验，其实验段置于锅炉尾部通道中，数据动态变化较大，实验结果的精确度受到影响.

图7(b)为文献［2］中实验数据与本文关联式(9)和(11)计算值对比图，其特征长度为管外径，Re范围为2.3 ×103～2.3 ×104.从图中可以看出，本文φ38 mm管径H型鳍片管束传热关联式(9)与总关联式(11)的计算值和文献［2］实验数据趋势相同，且相差较小，对于φ38 mm管径H型鳍片管束传热关联式(9)，最大相差7.1%，最小相差1.5%.当用总关联式(11)进行计算时，最大相差11%，最小相差3%.

对于结构参数与φ38 mm管径相同的H型鳍片管束，可直接应用关联式(9)，该式参数少，公式简洁.对于结构参数与φ38 mm管径H型鳍片管存在较大差异时，可参考总关联式(11)，该式的使用范围较广.

4 结论

1)H型鳍片管束的传热准则数和阻力系数与气体的雷诺数有关.随着气体Re的增大，气侧Nu不断增大，ξ不断减小.

此外，在限幅机构与探测器一同飞行工作阶段以及钻取采样作业全工作过程中，限幅机构将受到随机的振动载荷以及钻具的横向负载：

2)通过多元线性回归，得到φ38 mm管径H型鳍片管束在一定范围内的传热与阻力系数的关联式:

3)通过多元线性回归，得到H型鳍片管束在一定范围内的传热总关联式:

式中，特征长度为管外径d，定性温度为管外流体进出口平均温度，Re范围为3.0×103～3×104.

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Experimental research heat transfer characteristics of H-type finned tube bundles

Wu Xin1，2Shang Yuwei1，2Wang Junlong1，2Ren Ganglian3

(1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China)(3Jiangsu SUNCO Boiler Co.，Ltd，Zhangjiagang 215600，China)

Extensive experiments on the heat transfer and pressure drop characteristics of H-type finned tube bundles were carried out.In the present study，5 samples of H-type finned tube bundles with different geometrical parameters，including the tube diameter，fin height，fin pitch，transverse tube pitch and longitudinal tube pith were tested in a wind tunnel.Test results are compared with results calculated from the correlation in Soviet thermodynamic calculation standard of boilers.The corresponding correlations of heat transfer and friction factor for H-type finned tube bundles with the tube diameter of 38 mm are proposed based on the experimental results.The comprehensive heat transfer correlation for H-type finned tube bundles with different geometrical parameters is also established and the correlation can describe 96.5%of the database with an error of±15%.Comparisons between two groups of existing experimental data in literature and results calculated from the correlations are shown.The maximum differences of the Nusselt number are 11%and 17.7%，respectively.The present investigation provides a reliable basis for the design of H-type finned tube bundles.

H-type finned tube bundles;heat transfer;friction factor;correlations

TK172

A

1001－0505(2013)01-0088-06

10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.017

2012-09-13.

吴新(1969—)，男，副教授，wuxin@seu.edu.cn.

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAA02B01-02).

吴新，商宇薇，王军龙，等.H型鳍片管束传热特性实验研究［J］.东南大学学报:自然科学版，2013，43(1):88－93.［doi:10.3969/j.issn.1001－0505.2013.01.017］