CN106874618A - 余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法，在鳍片管阵中，选取若干相邻鳍片管，形成规则形状的阻力单元，阻力单元形成供烟气流过的烟气通道，获取该烟气通道流通体积，以及与烟气有效接触的摩擦表面积，流通体积和摩擦表面积的计算中，计入鳍片管鳍片的厚度、高度、以及数量；根据流通体积和摩擦表面积获得容积水力直径，并根据阻力降公式计算该阻力单元的阻力，继而获得余热锅炉鳍片管阵的阻力。本方案选取形状规则的阻力单元进行计算，可简化计算方式。另外，在容积水力直径的计算过程中，计入鳍片管上鳍片的厚度、高度以及鳍片数量，使得占据鳍片管很重要一部分的鳍片被计入容积水力直径的计算当中，保证阻力计算结果更为精确。

Description

余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法

技术领域

本发明涉及余热锅炉技术领域，具体涉及一种余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法。

背景技术

电厂内通常配设有余热锅炉，烟气流经余热锅炉时，需要降温，回收热量。一般会在余热锅炉内部设置换热器，换热器包括若干排换热管，换热管带有鳍片，本领域也称为鳍片管10，若干排鳍片管10形成鳍片管阵100。

请参考图1，图1为将鳍片管阵布置于余热锅炉内的分布示意图。

鳍片管阵100具有换热效率高、传热温差小、均温性能好等优点，在余热锅炉中具有良好的应用前景。

烟气在流经鳍片管阵100时，会有阻力，该阻力对于烟气的流向，产生的噪音等均会产生影响，因此，鳍片管阵100所形成的流动阻力对于换热器乃至余热锅炉的研发、设计、应用，以及防腐措施等均具有重要意义。

然而，按照现有技术获取阻力的方式，由于鳍片管阵100结构复杂，难以进行等效模拟；采取阻力降经验公式实际计算时，同样由于鳍片管阵100结构复杂，等效计算时结果往往不够准确，根据实际反馈，计算的阻力值偏大，导致根据计算得出的数据进行的改进时，达不到预期的效果。

有鉴于此，如何更为准确地获得余热锅炉内鳍片管阵的阻力，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法，该方法获得的鳍片管阵的阻力更为精确。

本发明提供的余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法，

在鳍片管阵中，选取若干相邻鳍片管，形成规则形状的阻力单元，所述阻力单元形成供烟气流过的烟气通道，获取该烟气通道流通体积，以及与烟气有效接触的摩擦表面积，流通体积和摩擦表面积的计算中，计入鳍片管鳍片的厚度、高度、以及数量；

根据流通体积和摩擦表面积获得容积水力直径，并根据阻力降公式计算该阻力单元的阻力，继而获得余热锅炉鳍片管阵的阻力。

从以上描述可知，本方案一方面选取形状规则的阻力单元进行容积水力直径的计算，以简化计算方式。

尤为重要的是，本方案在进行容积水力直径计算时，打破了常规的获取方式。本领域技术人员可知，通常的容积水力直径(当量直径)理论公式为流通面的截面积除以该流通面对应的周长。本方案是在该理论公式基础之上，各乘以鳍片管的长度，从而转化为流通体积乘以摩擦表面积，这样可以在容积水力直径的计算过程中，计入鳍片管上鳍片的厚度、高度以及鳍片数量，从而使得占据鳍片管很重要一部分的鳍片被计入容积水力直径的计算当中，使其对烟气流动的阻力影响能够得以反馈，保证最终获得的鳍片管阵的阻力计算结果更为精确，对于换热器乃至余热锅炉的优化改进设计，能够提供可靠的依据。

可选地，对于前后相邻的两排鳍片管排，一排选取一个以上相邻的鳍片管、另一排选取两个以上相邻的鳍片管，建立阻力单元。

可选地，鳍片管阵中，相邻鳍片管排的鳍片管交错布置；

对于前后相邻的两排鳍片管排，一排选取一个鳍片管、另一排选取两个相邻的鳍片管，建立等边三角形的阻力单元；

按照下述公式获取所述阻力单元的容积水力直径：

其中，L为三角形阻力单元的高度、S_c为三角形阻力单元中相邻鳍片管的心距、d为鳍片管的裸管直径；b为鳍片管上鳍片的高度；δ为鳍片的厚度；n为管长h时所具有的鳍片数量。

可选地，鳍片管阵中，相邻鳍片管排的鳍片管交错布置；

对于前后相邻的两排鳍片管排，一排选取一个鳍片管、另一排选取两个相邻的鳍片管，建立等腰三角形的阻力单元；

按照下述公式获取所述阻力单元的容积水力直径：

其中，S_c1为等腰三角形阻力单元形成底边的相邻鳍片管的心距；L₁为等腰三角形阻力单元的高度；S_c为与等腰三角形等效的等边三角形的边长；d为鳍片管的裸管直径；b为鳍片管上鳍片的高度；δ为鳍片的厚度；n为管长h时所具有的鳍片数量。

可选地，根据阻力降公式计算时，阻力降公式中的所述粘度系数通过下述公式计算获得：

其中，μ_g—烟气粘度；T_g—温度；—烟气中二氧化碳体积含量；—烟气中氮气体积含量；—烟气中氩气体积含量；—烟气中氧气体积含量；—烟气中水蒸气体积含量；g_i—各个烟气质量成份含量；M_i—烟气个成份的分子量；M—烟气平均分子量。

附图说明

图1为将鳍片管阵布置于余热锅炉内的分布示意图；

图2为本发明所提供余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法一种具体实施例的流程图；

图3为在鳍片管阵中选取阻力单元的示意图，其中阻力单元以黑线边框示意，箭头方向表示烟气的流动方向；

图4为图3中等边三角形的阻力单元的模型示意图；

图5为若干图4中等边三角形阻力单元组合后的示意图；

图6为建立等腰三角形阻力单元的模型示意图。

图1-6中附图标记说明如下：

100鳍片管阵、10鳍片、101裸管、102鳍片、A阻力单元。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本发明所提供余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法一种具体实施例的流程图；图3为在鳍片管阵中选取阻力单元的示意图，其中阻力单元以黑线边框示意，箭头方向表示烟气的流动方向。

可以结合图1理解，余热锅炉中鳍片管阵100包括多排鳍片管10，每一排都有若干鳍片管10，整个鳍片管阵100结构较为复杂，难以建立仿真模型，通过阻力降公式计算时，得出的结果又与实际不符。

鉴于此，本方案中，阻力获取方法如下：

S1、在鳍片管阵100中，选取若干相邻的鳍片管10，形成形状规则的阻力单元A；

如图2所示，可以形成三角形、矩形等规则形状。之所以形成规则形状的阻力单元A，是使得鳍片管阵100可以包括若干组阻力单元A，这样，单个阻力单元A的阻力获取之后，即可通过简单的换算获得整个鳍片管阵100对于烟气的阻力。

具体在进行阻力单元A的建立时，可以在前后两排鳍片管10排中进行选取，以便形成合适的阻力单元A，简化计算难度。例如，可以对于前后相邻的两排鳍片管10排，一排选取一个以上(包括一个)相邻的鳍片管10、另一排选取两个以上(包括两个)相邻的鳍片管10，建立阻力单元A。图3中，在前后两排中选取三角形的阻力单元A，属于较佳的也是最小的形状规则的阻力单元A。

S2、阻力单元A形成供烟气流过的烟气通道(由于需要获取烟气通道，所以形状规则的阻力单元A不包括选取的鳍片管10全部沿同一直线分布的情形)，获取该烟气通道流通体积，以及与烟气有效接触的摩擦表面积；

在计算烟气通道的流通体积和摩擦表面积的计算中，需要计入鳍片管10鳍片10210的厚度、高度、以及数量。这里在计算与烟气有效接触的摩擦表面积时，由于鳍片管10上的鳍片10210是用于阻挡烟气流动，烟气与鳍片10210接触的面积需要予以扣除。

S3、根据流通体积和摩擦表面积获得容积水力直径，并根据阻力降公式计算该阻力单元A的阻力，继而获得余热锅炉鳍片管阵100的阻力。

阻力降公式①是流体领域的已知公式，

式中，f—摩擦系数；D—鳍片管10具有鳍片102处的外径(鳍片102和裸管101的整体外径)；系数常数b₁＝0.372、b₂＝-0.123、b₃＝7.00、b₄＝0.50；

L—烟气通过管排的高度，m；

D_V—容积水力直径，m；G_g—烟气质量流速，kg/m²·s；T₀是大气环境温度，ρ_g—平均烟气密度，在T_g锅炉内换热管处的烟气温度)温度下，kg/m³；R_e—雷诺系数；μ_g—烟气粘度，kg/(m·s)；P_t—管束节距，即前后两排相邻两个鳍片管的间距，m；ρ—标况下烟气密度；N_C—鳍片管排的管排数；—烟气中二氧化碳体积含量；—烟气中氮气体积含量；—烟气中氩气体积含量；—烟气中氧气体积含量；—烟气中水蒸气体积含量。

从以上描述可知，本方案一方面选取形状规则的阻力单元A进行容积水力直径的计算，以简化计算方式。

尤为重要的是，本方案在进行容积水力直径计算时，打破了常规的获取方式。本领域技术人员可知，通常的容积水力直径(当量直径)理论公式为流通面的截面积除以该流通面对应的周长。本方案是在该理论公式基础之上，各乘以鳍片管10的长度，从而转化为流通体积乘以摩擦表面积，这样可以在容积水力直径的计算过程中，计入鳍片管10上鳍片102的厚度、高度以及鳍片102数量，从而使得占据鳍片管10很重要一部分的鳍片102被计入容积水力直径的计算当中，使其对烟气流动的阻力影响能够得以反馈，保证最终获得的鳍片管阵100的阻力计算结果更为精确，对于换热器乃至余热锅炉的优化改进设计，能够提供可靠的依据。

请继续参考图4，图4为图3中等边三角形的阻力单元A的模型示意图；图5为若干图4中等边三角形阻力单元A组合后的示意图。

图3中，鳍片管阵100中，相邻鳍片管排的鳍片管10交错布置，如此可以达到较好的换热效果，针对该种布置方式，下面以三角形阻力单元A的阻力计算为例对本发明的方案进行具体阐释。

图3中，对于前后相邻的两排鳍片管排，一排选取一个鳍片管10、另一排选取两个相邻的鳍片管10，建立形成图4中等边三角形的阻力单元A。

形成的等边三角形单元，以各鳍片管10的中心为点，进行三点连线形成三角形，三角形区域内去除鳍片管10纹路阴影区域后形成的黑色阴影区域即为烟气通道。从图5可以理解，虽然三个鳍片管10只选取三点中心连线形成的三角形，但鳍片管阵100整体上是由若干这样的三角形组成。

三角形区域内，三个鳍片管10均具有60度的扇形区域(纹路阴影区域)，减除该扇形区域，即可获得阴影区域的烟气通道面积，再根据鳍片管10的长度获得流通体积，计算公式如下：

获取烟气流道与烟气接触的摩擦表面积时，如之前所述，基于鳍片102的阻挡特性，需要扣除鳍片102与烟气接触的摩擦表面积，则摩擦表面积的计算如下：

则可以按照下述公式获取所述三角单元的容积水力直径：

其中，L为三角形阻力单元A的高度、S_c为三角形阻力单元A中相邻鳍片管10的心距、d为鳍片管10的裸管101直径；b为鳍片管10上鳍片102的高度；δ为鳍片102的厚度；n为管长h时所具有的鳍片102数量。

请继续参考图6，图6为建立等腰三角形阻力单元A的模型示意图。

在进行鳍片管10布置时，理论上，每一排相邻鳍片管10间距(间距均指相邻鳍片管10的心距)、相邻排相邻鳍片管10间距布置相等，则选取阻力单元A时会形成图4中所示的等边三角形阻力单元A。但实际操作中，前后排之间的鳍片管10间距未必相等，这样建立的阻力单元A模型很有可能为等腰三角形，如图6所示。

这样在计算过程中，等腰三角形之间的阴影区域面积难以计算。本方案中，针对此种情形，可以将等腰三角形等效为等边三角形，然后再按照上述等边三角形的方式进行计算。

即，可按照下述公式获取等腰三角单元的容积水力直径：

其中，S_c1为等腰三角形阻力单元A形成底边的相邻鳍片管10的心距；L₁为等腰三角形阻力单元A的高度；S_c为与等腰三角形等效的等边三角形的边长；d为鳍片管10的裸管102直径；b为鳍片管10上鳍片102的高度；δ为鳍片102的厚度；n为管长h时所具有的鳍片102数量。

以上给出了三角形阻力单元A的计算方式，当阻力单元A为其他规则形状时，计算的原理相似，均可以获得对应的烟气通道的流通体积和摩擦表面积，继而获得容积水力直径，并最终计算获得所需的鳍片管阵100的阻力。

针对上述实施例，还可以作出进一步改进。在根据阻力降公式计算时，阻力降公式中的所述粘度系数通过下述公式计算获得：

其中，μ_g—烟气粘度；T_g—温度；—烟气中二氧化碳体积含量；—烟气中氮气体积含量；—烟气中氩气体积含量；—烟气中氧气体积含量；—烟气中水蒸气体积含量；g_i—各个烟气质量成份含量；M_i—烟气个成份的分子量；M—烟气平均分子量。

现有技术中对于烟气粘度，往往是提供一常数，即经验值，然而，余热锅炉中烟气的成分较为复杂，常数值不能全面、精确地反应烟气的实际粘度，而且锅炉内温度温差变化大(比如可能从570度左右降到100度左右)，粘度系数变化也大，这样在计算阻力时，按照常数值可能会产生较大的误差。本方案中，将烟气中多种成分气体的体积含量以及温度参与在计算过程中，获得更为精确的烟气粘度，从而使得最终获得的鳍片管阵100的阻力计算更为精确，更接近实际情况。

以下是根据本方案进行实际鳍片管阵100阻力的实例计算。

已知9F燃气轮机组排气参数，大气压101.7kPa，环境温度在15.7℃，相对湿度82％，烟气流量为2583.6t/h，烟气温度为576.1℃，鳍片管10的裸管直径为38.1mm，鳍片102高度16mm，厚度1mm，每米换热管数为12个，卧式余热锅炉高20.83m，宽11.41m，烟气成份见表1所示。

表1烟气成份体积百分比

成份						Ar
							体积比(％)	3.76	74.18	12.55	8.65	0	0.87

选取的等腰三角形阻力单元A参数为：

S_c＝0.16，L＝0.0905，D＝0.0541，

________

1)计算烟气密度

2)计算雷诺数

①将等腰三角形转化为等边三角形：

②每米长的净自由体积为：

③摩擦表面积为：

④容积水力直径为：

⑤烟气的粘度计算：

⑥计算雷诺系数：

G_g＝33.22kg/m²·s；

3)计算阻力

①计算摩擦系数

常数b₁＝0.372、b₂＝-0.123、b₃＝7.00、b₄＝0.50。

②计算阻力

目前，为了计算鳍片管阵100的阻力，常用的经验公式为：

式中，D—管束外径；η-烟气流动粘度，属于经验定值；仍以三角形的阻力单元为例，L₁-横向节距(三角形底边长)，L₂-三角形的斜边长；N-鳍片管排的管排数；G_max-最窄截面处质量流量；ρ-烟气密度；

仍进行实例计算，与以上实例计算采取相同数值的参数：烟气流量为2583.6t/h，烟气温度为576.1℃，裸管直径为38.1mm，鳍片高度16mm，厚度1mm，每米换热管数为12个。L2＝186mm，L1＝161mm，G_max＝8.6kg/m²·s；密度ρ＝0.4072kg/m³；粘度系数η＝3.706×10^{- 5}kg/(m·s)。

按照上述经验公式计算得到阻力为96.72Pa。

而按照本发明的计算公式，计算得到阻力为83.87，可见，目前采用的计算方式获得阻力值偏高，比本发明获得阻力值高出15.3％。这也与现有技术中计算的阻力值往往偏高对应，本方案使得计算的阻力值更接近于实际阻力，结果更为精确，能够为改进设计提供精确的理论依据。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法，其特征在于，

在鳍片管阵(100)中，选取若干相邻鳍片管(10)，形成规则形状的阻力单元(A)，所述阻力单元(A)形成供烟气流过的烟气通道，获取该烟气通道流通体积，以及与烟气有效接触的摩擦表面积，流通体积和摩擦表面积的计算中，计入鳍片管(10)鳍片(102)的厚度、高度、以及数量；

根据流通体积和摩擦表面积获得容积水力直径，并根据阻力降公式计算该阻力单元(A)的阻力，继而获得余热锅炉鳍片管阵(100)的阻力。

2.如权利要求1所述的余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法，其特征在于：

对于前后相邻的两排鳍片管排，一排选取一个以上相邻的鳍片管(10)、另一排选取两个以上相邻的鳍片管(10)，建立阻力单元(A)。

3.如权利要求2所述的余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法，其特征在于，

鳍片管阵(100)中，相邻鳍片管排的鳍片管(10)交错布置；

对于前后相邻的两排鳍片管排，一排选取一个鳍片管(10)、另一排选取两个相邻的鳍片管(10)，建立等边三角形的阻力单元(A)；

按照下述公式获取所述阻力单元(A)的容积水力直径：

$V_f=0.25\·S_C\×L\×h-\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{8}\×h-\frac{\mathrm{\π}}{8}\[{(d+2b)}^2-d^2\]\×\mathrm{\δ}\×n;$

$S_f=\mathrm{\π}d\×h-\frac{\mathrm{\π}}{8}\[{(d+2b)}^2-d^2\]\×2\×n;$

$D_V=\frac{4V_f}{S_f};$

其中，L为三角形阻力单元(A)的高度、S_c为三角形阻力单元(A)中相邻鳍片管(10)的心距、d为鳍片管(10)的裸管(101)直径；b为鳍片管(10)上鳍片(102)的高度；δ为鳍片(102)的厚度；n为管长h时所具有的鳍片(102)数量。

4.如权利要求2所述的余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法，其特征在于，

鳍片管阵(100)中，相邻鳍片管排的鳍片管(10)交错布置；

对于前后相邻的两排鳍片管排，一排选取一个鳍片管(10)、另一排选取两个相邻的鳍片管(10)，建立等腰三角形的阻力单元(A)；

按照下述公式获取所述阻力单元(A)的容积水力直径：

$S_C=1.075\sqrt{S_{C1}\×L_1};$

$V_f=0.25\·S_C\×L\×h-\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{8}\×h-\frac{\mathrm{\π}}{8}\[{(d+2b)}^2-d^2\]\×\mathrm{\δ}\×n;$

$S_f=\mathrm{\π}d\×h-\frac{\mathrm{\π}}{8}\[{(d+2b)}^2-d^2\]\×2\×n;$

$D_V=\frac{4V_f}{S_f};$

其中，S_c1为等腰三角形阻力单元(A)形成底边的相邻鳍片管(10)的心距；L₁为等腰三角形阻力单元(A)的高度；S_c为与等腰三角形等效的等边三角形的边长；d为鳍片管(10)的裸管(101)直径；b为鳍片管(10)上鳍片(102)的高度；δ为鳍片(102)的厚度；n为管长h时所具有的鳍片(102)数量。

5.如权利要求1-4任一项所述的余热锅炉鳍片管阵的阻力获取方法，其特征在于，根据阻力降公式计算时，阻力降公式中的所述粘度系数通过下述公式计算获得：

${\mathrm{\μ}}_g=1.388(\frac{1.0385g_{N_2}}{T_g+118}+\frac{1.1394g_{{\mathrm{CO}}_2}}{T_g+252}+\frac{1.2622g_{O_2}}{T_g+138}+\frac{1.8875g_{H_{2}O}}{T_g+1191})\×{10}^{-6}{T}_g^{1.5};$

$g_i=r_i\frac{M_i}{M};$

$M=44.01r_{{\mathrm{co}}_2}+28.01r_{N_2}+39.94r_{{\mathrm{Ar}}_2}+32.00r_{o_2}+18.02r_{H_{2}O};$

其中，μ_g—烟气粘度；T_g—温度；—烟气中二氧化碳体积含量；—烟气中氮气体积含量；—烟气中氩气体积含量；—烟气中氧气体积含量；—烟气中水蒸气体积含量；g_i—各个烟气质量成份含量；M_i—烟气个成份的分子量；M—烟气平均分子量。