王思洋， 王文毓， 沈 植， 聶 鑫， 楊 冬， 宋寶軍， 賈培英

(1.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049；2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150046)

高效寬負(fù)荷率超超臨界鍋爐垂直管圈水冷壁在低質(zhì)量流速下的傳熱特性

王思洋1， 王文毓1， 沈 植1， 聶 鑫1， 楊 冬1， 宋寶軍2， 賈培英2

(1.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049；2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150046)

在壓力p=21～29.8 MPa、質(zhì)量流速G=600～1 100 kg/(m2·s)、熱負(fù)荷q=330～793 kW/m2工況范圍內(nèi)，對低質(zhì)量流速優(yōu)化內(nèi)螺紋管的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了近臨界壓力區(qū)和超臨界壓力區(qū)的傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.結(jié)果表明:在近臨界壓力區(qū)，亞臨界部分的傳熱特性好于超臨界部分的傳熱特性，質(zhì)量流速增大能推遲傳熱惡化，熱負(fù)荷增大則使傳熱惡化提前發(fā)生，內(nèi)螺紋管抑制膜態(tài)沸騰(DNB)的能力有所減弱；在超臨界壓力區(qū)，壓力越低，大比熱容區(qū)內(nèi)強(qiáng)化傳熱作用越顯著，在其他條件一定時，超臨界水的熱物性變化對管內(nèi)傳熱的作用由質(zhì)量流速和熱負(fù)荷共同決定；質(zhì)量流速不變，繼續(xù)增大熱負(fù)荷，大比熱容區(qū)內(nèi)的傳熱將由強(qiáng)化轉(zhuǎn)變?yōu)閻夯?

高效寬負(fù)荷率； 超超臨界鍋爐； 內(nèi)螺紋管； 傳熱特性； 低質(zhì)量流速； 熱負(fù)荷

由于低質(zhì)量流速垂直上升內(nèi)螺紋管水冷壁技術(shù)的成功應(yīng)用，超臨界循環(huán)流化床(CFB)鍋爐自投運(yùn)以來就表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。當(dāng)下，超超臨界參數(shù)的CFB鍋爐已成為主要的發(fā)展方向[1-3]。低質(zhì)量流速垂直上升內(nèi)螺紋管水冷壁技術(shù)也可以廣泛應(yīng)用到超超臨界CFB鍋爐和超超臨界煤粉鍋爐中.

近年來，超臨界、超超臨界機(jī)組也面臨很大的調(diào)峰任務(wù).運(yùn)行實(shí)踐表明，調(diào)峰深度越大，超臨界、超超臨界機(jī)組的效率和經(jīng)濟(jì)性下降越多，抵消甚至削弱了超臨界、超超臨界參數(shù)機(jī)組優(yōu)點(diǎn).因此，開發(fā)高效寬負(fù)荷率的超超臨界機(jī)組成為當(dāng)前新能源科技亟待解決的問題.我國電網(wǎng)負(fù)荷的現(xiàn)狀表明，低質(zhì)量流速垂直上升內(nèi)螺紋管水冷壁技術(shù)是高效寬負(fù)荷率的超超臨界鍋爐水冷壁受熱面優(yōu)化設(shè)計的一個重要選擇.但是，將該技術(shù)應(yīng)用到超臨界、超超臨界鍋爐中，尤其是煤粉鍋爐中，則可能帶來諸多不利影響，隨著質(zhì)量流速減小，浮力作用顯著，增大了傳熱惡化發(fā)生的可能性，單管吸熱能力減弱，在熱負(fù)荷高的局部管壁處容易引發(fā)超溫問題[4-5].因此，需要在更寬廣的負(fù)荷范圍內(nèi)對低質(zhì)量流速垂直內(nèi)螺紋管的傳熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以確定其臨界熱負(fù)荷與界限質(zhì)量流速的大小，保證超臨界、超超臨界鍋爐的安全運(yùn)行，為高效寬負(fù)荷率的超超臨界鍋爐水冷壁受熱面優(yōu)化設(shè)計提供參考.

與光管相比，內(nèi)螺紋管能夠有效抑制膜態(tài)沸騰(DNB)，維持核態(tài)沸騰達(dá)到更高的干度.但隨著壓力逐漸升高至臨界值，內(nèi)螺紋管抑制DNB的能力不再顯著[6-8].另外，內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如螺紋高度、管徑和螺旋升角等)在很大程度上決定了其強(qiáng)化傳熱能力[8-9].在超臨界壓力下，大比熱容區(qū)內(nèi)發(fā)生傳熱強(qiáng)化還是傳熱惡化往往隨實(shí)驗(yàn)條件變化.目前得到普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)是超臨界壓力下傳熱強(qiáng)化(或傳熱惡化)主要是由于超臨界水的熱物性在大比熱容區(qū)內(nèi)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致超臨界水的密度和黏度等在徑向產(chǎn)生很大的梯度變化而引起異常傳熱現(xiàn)象[9-11].但目前仍沒有普遍適用且有足夠精度的傳熱系數(shù)計算關(guān)聯(lián)式.

綜上可知，在近臨界壓力區(qū)，內(nèi)螺紋管抑制DNB的能力減弱.不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)螺紋管需要通過實(shí)驗(yàn)來確定其強(qiáng)化傳熱特性以及抑制DNB的效果.在超臨界壓力區(qū)，大比熱容區(qū)內(nèi)傳熱系數(shù)的計算仍需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合關(guān)聯(lián)式來完成.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到臨界熱負(fù)荷與傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，可以作為超超臨界鍋爐優(yōu)化設(shè)計與運(yùn)行的參照.筆者以高效寬負(fù)荷率超超臨界鍋爐為研究對象，對優(yōu)化內(nèi)螺紋管在低質(zhì)量流速下的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

實(shí)驗(yàn)的回路系統(tǒng)如圖1所示.采用電加熱方式，工質(zhì)為去離子水.實(shí)驗(yàn)段為優(yōu)化的六頭內(nèi)螺紋管，外徑為35 mm，壁厚為5.67 mm，平均內(nèi)徑為21.1 mm，長2 000 mm，材質(zhì)為15CrMoG.表1為該內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù).實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)與溫度、壓力測點(diǎn)的布置如圖2所示.

圖1 垂直上升內(nèi)螺紋管傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用固定實(shí)驗(yàn)段的壓力、質(zhì)量流量和熱負(fù)荷，不斷增加預(yù)熱段加熱功率的方法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即不斷提高實(shí)驗(yàn)段進(jìn)口的工質(zhì)溫度和增大比焓，直到實(shí)驗(yàn)段某個截面處發(fā)生傳熱惡化或?qū)嶒?yàn)段出口的工質(zhì)達(dá)到一定的過熱度，可認(rèn)為完成了一個實(shí)驗(yàn)工況.每完成一個實(shí)驗(yàn)工況就改變參數(shù)，即可獲得不同參數(shù)條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

表1 內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)布置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 近臨界壓力區(qū)的傳熱特性

2.1.1 壓力影響

圖3給出了近臨界壓力區(qū)壓力p對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度twi和傳熱系數(shù)α的影響，其中h為工質(zhì)的比焓，G為工質(zhì)的質(zhì)量流速，q為熱負(fù)荷.內(nèi)螺紋管的內(nèi)壁溫度按照馬可羅林級數(shù)法[12]由外壁溫度計算得到.從圖3可以看出，在低焓值區(qū)和高焓值區(qū)，2個工況下內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)十分接近，而在1 600～2 400 kJ/kg比焓區(qū)間，近臨界壓力區(qū)亞臨界部分的傳熱特性好于其超臨界部分的傳熱特性，前者的內(nèi)壁溫度比后者低10 K左右，傳熱系數(shù)比后者大13 kW/(m2·K)左右.由此可見，在近臨界壓力區(qū)，亞臨界部分的兩相沸騰傳熱特性好于超臨界部分的變物性強(qiáng)制對流傳熱特性.

圖3 近臨界壓力區(qū)壓力對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響

2.1.2 質(zhì)量流速影響

圖4給出了近臨界壓力區(qū)質(zhì)量流速對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響，其中tb為工質(zhì)的溫度,x為干度.從圖4可以看出，當(dāng)工質(zhì)比焓小于1 400 kJ/kg或大于2 400 kJ/kg時，質(zhì)量流速增大，內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度顯著下降，傳熱系數(shù)明顯增大，如當(dāng)工質(zhì)比焓分別為1 150.9 kJ/kg和2 722 kJ/kg時，內(nèi)壁溫度分別降低了23.8 K和40.3 K，傳熱系數(shù)分別增大了2.4 kW/(m2·K)和1.1 kW/(m2·K).在兩相區(qū)，由于內(nèi)螺紋管的旋流作用，2個工況下均未發(fā)生DNB，而是在較高干度下發(fā)生了干涸.隨著質(zhì)量流速增大，臨界干度值從0.65增大為0.72，表明增大質(zhì)量流速推遲了干涸的發(fā)生.

圖4 近臨界壓力區(qū)質(zhì)量流速對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響

2.1.3 熱負(fù)荷影響

圖5給出了近臨界壓力區(qū)熱負(fù)荷對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響.從圖5可以看出，當(dāng)熱負(fù)荷為580 kW/m2時，內(nèi)螺紋管在干度為0.68時發(fā)生干涸，傳熱系數(shù)的變化規(guī)律為幾字形.隨著熱負(fù)荷增大為705 kW/m2，在干度為0.08時，內(nèi)壁溫度出現(xiàn)了較小的峰值，而當(dāng)熱負(fù)荷為793 kW/m2時，低干度下內(nèi)壁溫度飛升的現(xiàn)象更加明顯，表明內(nèi)螺紋管內(nèi)發(fā)生了DNB.這是因?yàn)楫?dāng)熱負(fù)荷較高時，在過冷沸騰區(qū)或低干度的核態(tài)沸騰區(qū)，由于管內(nèi)壁面上的汽化核心密集，汽泡的脫離速度小于其生長速度，導(dǎo)致管壁上形成密集的汽泡層甚至形成連續(xù)的汽膜，阻礙了管內(nèi)壁面與液態(tài)工質(zhì)間的傳熱，使管內(nèi)壁面得不到液態(tài)工質(zhì)的冷卻，從而導(dǎo)致內(nèi)壁溫度飛升，傳熱系數(shù)急劇減小.當(dāng)熱負(fù)荷從705 kW/m2增大到793 kW/m2時，發(fā)生DNB后的內(nèi)壁溫度飛升值也隨之升高.從圖5還可以看出，發(fā)生DNB后，內(nèi)螺紋管的內(nèi)壁溫度開始下降，這說明近壁面處的密集汽泡層已被主流帶走，使得壁面重新得到液態(tài)工質(zhì)的潤濕，內(nèi)壁溫度下降，傳熱系數(shù)有所回升.伴隨著干涸的發(fā)生，內(nèi)壁溫度發(fā)生階躍性升高，其上升速率隨熱負(fù)荷增大而加快.

圖5 近臨界壓力區(qū)熱負(fù)荷對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響

2.2 超臨界壓力區(qū)的傳熱特性

2.2.1 壓力影響

圖6給出了超臨界壓力區(qū)壓力對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響，其中hpc為擬臨界點(diǎn)處對應(yīng)的工質(zhì)焓值.從圖6(b)可以看出，當(dāng)工質(zhì)比焓為1 402.3 kJ/kg、p=26 MPa時，內(nèi)螺紋管的內(nèi)壁溫度為313.6 ℃，傳熱系數(shù)為9.9 kW/(m2·K)，p=29.8 MPa時內(nèi)螺紋管的內(nèi)壁溫度為314 ℃，傳熱系數(shù)為10 kW/(m2·K)，說明壓力對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響很微弱.當(dāng)工質(zhì)比焓為2 115.8 kJ/kg、p=26 MPa時內(nèi)螺紋管的內(nèi)壁溫度為437.1 ℃，傳熱系數(shù)為12.5 kW/(m2·K)，p=29.8 MPa時內(nèi)螺紋管的內(nèi)壁溫度升高為455.8 ℃，傳熱系數(shù)減小為10.7 kW/(m2·K)，即在相同的質(zhì)量流速和熱負(fù)荷下，壓力升高削弱了大比熱容區(qū)內(nèi)的傳熱能力，造成內(nèi)壁溫度升高.此外，在遠(yuǎn)離擬臨界點(diǎn)的高焓值區(qū)，內(nèi)螺紋管的內(nèi)壁溫度隨工質(zhì)比焓增加而顯著升高，傳熱系數(shù)迅速減小至5 kW/(m2·K)左右，小于低焓值區(qū)的傳熱系數(shù)，說明擬臨界點(diǎn)前的傳熱特性好于擬臨界點(diǎn)后的傳熱特性.

對比圖6中的內(nèi)壁溫度曲線，不難發(fā)現(xiàn)壓力越低，擬臨界點(diǎn)附近的內(nèi)壁溫度越低，曲線越平緩，傳熱系數(shù)越大.這是因?yàn)楫?dāng)壓力升高并逐漸遠(yuǎn)離臨界壓力時，超臨界水的熱物性隨溫度變化的劇烈程度逐漸減緩，對管內(nèi)傳熱的影響也隨之減弱.

(a)G=1 000 kg/(m2·s)，q=605 kW/m2

(b)G=1 100 kg/(m2·s)，q=620 kW/m2

2.2.2 質(zhì)量流速影響

圖7給出了超臨界壓力區(qū)質(zhì)量流速對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響.從圖7可以看出，增大質(zhì)量流速能夠降低內(nèi)壁溫度、增大傳熱系數(shù)，有效改善管內(nèi)傳熱特性.隨著質(zhì)量流速由1 000 kg/(m2·s)增大到1 100 kg/(m2·s)，在工質(zhì)比焓分別為914.2 kJ/kg、1 903.3 kJ/kg和2 592.8 kJ/kg時，內(nèi)壁溫度分別從299.2 ℃、463.3 ℃和559.9 ℃降低到287.8 ℃、447.1 ℃和525.5 ℃，分別降低了11.4 K、16.2 K和34.4 K，傳熱系數(shù)則分別由8.3 kW/(m2·K)、8.7 kW/(m2·K)和4.7 kW/(m2·

圖7 超臨界壓力區(qū)質(zhì)量流速對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響

K)增大到9.6 kW/(m2·K)、10.9 kW/(m2·K)和5.7 kW/(m2·K).這主要是因?yàn)楣軆?nèi)工質(zhì)的湍流強(qiáng)度隨質(zhì)量流速增大而增強(qiáng)，再加上管內(nèi)凹槽對邊界層的破壞作用和螺旋槽道對近壁面工質(zhì)的旋流作用，提高了邊界層對數(shù)湍流區(qū)工質(zhì)的湍流強(qiáng)度，因而強(qiáng)化了內(nèi)螺紋管內(nèi)壁面與工質(zhì)之間的傳熱.

2.2.3 熱負(fù)荷影響

圖8給出了超臨界壓力區(qū)熱負(fù)荷對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響.從圖8可以看出，隨著熱負(fù)荷由620 kW/m2增大到745 kW/m2，在擬臨界點(diǎn)附近的焓值區(qū)，內(nèi)壁溫度升高了25.8 K，傳熱系數(shù)峰值減小了2.3 kW/(m2·K).因此，假如熱負(fù)荷繼續(xù)增大，內(nèi)螺紋管內(nèi)將發(fā)生顯著的傳熱惡化.對于管內(nèi)垂直上升流動形式，邊界層內(nèi)工質(zhì)的熱加速方向與浮力方向相同導(dǎo)致的邊界層層流化是引起傳熱惡化的主要原因.在一定的壓力和管徑條件下，當(dāng)熱負(fù)荷高、質(zhì)量流速低時，近壁面工質(zhì)的溫度達(dá)到擬臨界溫度后，工質(zhì)的密度會急劇減小，導(dǎo)致邊界層內(nèi)的工質(zhì)膨脹加速，形成很強(qiáng)的浮力作用，造成管內(nèi)徑向速度梯度降低，部分湍動能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的動能，徑向湍流強(qiáng)度減弱，管內(nèi)壁面得不到中心低溫流體的冷卻，傳熱被削弱，直至發(fā)生惡化.因此，減小壁面熱負(fù)荷是改善管內(nèi)傳熱特性的一個有效途徑.對于超臨界CFB鍋爐，由于爐內(nèi)熱負(fù)荷低且分布更均勻，其安全性比煤粉鍋爐高.對于煤粉鍋爐，由于爐內(nèi)熱負(fù)荷較高，應(yīng)避免管壁超溫的情況.

圖8 超臨界壓力區(qū)熱負(fù)荷對內(nèi)螺紋管內(nèi)壁溫度和傳熱系數(shù)的影響

3 傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

3.1 近臨界壓力區(qū)的傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

參照文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分別得到單相水、兩相正常傳熱區(qū)和干涸后的傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

Nu=0.089 41Re0.681 06Pr0.967 41

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)；Xtt為Martinelli數(shù)；x為蒸汽干度；ρ為工質(zhì)的密度，kg/m3；μ為工質(zhì)的動力黏度，Pa·s；λ為工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；λcr為熱力學(xué)臨界點(diǎn)處的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.914 W/(m·K)；下標(biāo)g表示汽相，l表示液相，tp表示汽液兩相，w表示以內(nèi)壁溫度為定性溫度.

式(1)、式(4)中Nu和式(2)中αtp/αl的平均相對誤差分別為3.9%、8%和9.3%，適用范圍為p=21～21.5 MPa，G=600～1 000 kg/(m2·s)，q=330～793 kW/m2.

在近臨界壓力區(qū)，內(nèi)螺紋管分別發(fā)生了第一類和第二類傳熱惡化，通過整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到臨界干度xcr和臨界熱負(fù)荷qcr的計算關(guān)聯(lián)式：

xcr=846.467 1q-0.382 19G0.240 92e-6.728(p/pcr)

(5)

qcr=8.654 87(pcr-p)0.259 04×G0.643 86(1-x)0.229 85

(6)

式(5)和式(6)中，xcr和qcr的平均相對誤差分別為6.8%和7.9%，適用范圍為p=21～21.5 MPa，G=600～1 000 kg/(m2·s)，q=330～793 kW/m2.

3.2 超臨界壓力區(qū)的傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

由上文可知，內(nèi)螺紋管在擬臨界溫度前后的傳熱情況有所不同，擬臨界溫度前的傳熱特性要好于擬臨界溫度后的傳熱特性，因此需要針對低焓值區(qū)和高焓值區(qū)的傳熱情況分別進(jìn)行擬合.在大比熱容區(qū)，由于超臨界水的熱物性發(fā)生劇烈變化，需要對其進(jìn)行物性修正.

低焓值區(qū)(即擬臨界溫度前)的傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為

(7)

高焓值區(qū)(即擬臨界溫度后)的傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式為

(8)

式中：v為工質(zhì)的比體積，m3/kg；下標(biāo)b表示工質(zhì).

式(7)和式(8)中，Nuw的平均相對誤差分別為14.5%和6.2%，適用范圍為p=22.5～32 MPa，G=600～1 300 kg/(m2·s)，q=330～745 kW/m2.

4 結(jié) 論

(1)在近臨界壓力區(qū)，亞臨界部分的傳熱特性好于超臨界部分的傳熱特性.質(zhì)量流速增大能夠改善傳熱特性，推遲傳熱惡化的發(fā)生.熱負(fù)荷增大則使傳熱惡化提前.內(nèi)螺紋管強(qiáng)化傳熱、抑制DNB的能力有所減弱，特別是高熱負(fù)荷、低質(zhì)量流速工況，極易在低干度區(qū)甚至過冷沸騰區(qū)發(fā)生DNB，此時熱負(fù)荷越高，內(nèi)壁溫度飛升越高.但惡化后管內(nèi)傳熱又發(fā)生好轉(zhuǎn)，內(nèi)壁溫度降低，傳熱系數(shù)回升.

(2)超臨界壓力下，若發(fā)生傳熱強(qiáng)化，則壓力越低，大比熱容區(qū)內(nèi)強(qiáng)化作用越顯著，內(nèi)壁溫度曲線越平緩，傳熱系數(shù)峰值越大.在其他條件一定時，大比熱容區(qū)內(nèi)超臨界水的熱物性變化對管內(nèi)傳熱的作用由質(zhì)量流速和熱負(fù)荷共同決定.質(zhì)量流速增大可以改善管內(nèi)傳熱特性.質(zhì)量流速不變，繼續(xù)增大熱負(fù)荷，大比熱容區(qū)內(nèi)強(qiáng)化傳熱現(xiàn)象消失，傳熱系數(shù)逐漸減小，管內(nèi)發(fā)生傳熱惡化.

(3)基于近臨界壓力區(qū)的數(shù)據(jù)，擬合得到了單相水、汽液兩相常規(guī)換熱、干涸后換熱的傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式以及臨界干度和臨界熱負(fù)荷的計算關(guān)聯(lián)式.基于超臨界壓力區(qū)的數(shù)據(jù)，擬合得到了低焓值區(qū)和高焓值區(qū)的傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.

[1] 呂俊復(fù), 張縵, 楊海瑞, 等. 簡約型660 MW超超臨界循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計開發(fā)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(5): 741-747.

Lü Junfu, ZHANG Man, YANG Hairui, et al. Conceptual design of a simplified 660 MW ultra-supercritical circulating fluidized bed boiler[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(5): 741-747.

[2] PAN Jie, YANG Dong, DONG Zichun, et al. Experimental investigation on heat transfer characteristics of low mass flux rifled tube with upward flow[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, 54: 2952-2961.

[3] SHEN Zhi, YANG Dong, MAO Kaiyun, et al. Heat transfer characteristics of water flowing in a vertical upward rifled tube with low mass flux[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2016, 70: 341-353.

[4] 李舟航, 張大龍, 吳玉新, 等. 垂直上升光管內(nèi)超臨界水的傳熱惡化分析和判據(jù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(35): 6304-6310.

LI Zhouhang, ZHANG Dalong, WU Yuxin, et al. A new criterion for predicting deterioration of heat transfer to supercritical water in smooth tubes[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(35): 6304-6310.

[5] 張大龍, 吳玉新, 張海, 等. 低質(zhì)量流率垂直管圈超臨界煤粉鍋爐的水動力特性分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(32): 5693-5700.

ZHANG Dalong, WU Yuxin, ZHANG Hai, et al. Hydrodynamic characteristics of vertical tubes with low mass flux in supercritical pulverized coal boiler[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(32): 5693-5700.

[6] 王為術(shù), 徐維暉, 畢勤成, 等. 垂直上升內(nèi)螺紋管內(nèi)流動沸騰傳熱特性[J]. 化工學(xué)報, 2014, 65(3): 884-889.

WANG Weishu, XU Weihui, BI Qincheng, et al. Flow boiling heat transfer characteristics in vertical upward internally ribbed tube[J]. CIESC Journal, 2014, 65(3): 884-889.

[7] 于猛, 俞谷穎, 張富祥, 等. 超臨界變壓運(yùn)行鍋爐垂直上升內(nèi)螺紋管的傳熱特性[J]. 動力工程學(xué)報, 2011, 31(5): 321-324.

YU Meng, YU Guying, ZHANG Fuxiang, et al. Heat transfer characteristics of vertical upward internally ribbed tube in supercritical sliding-pressure operation boilers[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2011, 31(5): 321-324.

[8] 王建國, 李會雄. 垂直上升管內(nèi)臨界壓力區(qū)水的傳熱惡化研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2011, 31(23): 67-73.

WANG Jianguo, LI Huixiong. Investigation on heat transfer deterioration of water in near critical pressure region in vertically upward tubes[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(23): 67-73.

[9] 趙振興, 鄧?yán)? 王祥雨, 等. 內(nèi)螺紋管內(nèi)超臨界水傳熱和阻力特性的數(shù)值研究[J]. 熱力發(fā)電, 2015, 44(2): 24-30.

ZHAO Zhenxing, DENG Lei, WANG Xiangyu, et al. Numerical study on heat transfer and flow resistant characteristics of supercritical water in internally ribbed tubes[J]. Thermal Power Generation, 2015, 44(2): 24-30.

[10] GU H Y, ZHAO M, CHENG X. Experimental studies on heat transfer to supercritical water in circular tubes at high heat fluxes[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2015, 65: 22-32.

[11] CHEN Weiwei, FANG Xiande. A new heat transfer correlation for supercritical water flowing in vertical tubes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 78: 156-160.

[12] 潘杰. 超臨界循環(huán)流化床鍋爐低質(zhì)量流速水冷壁傳熱及水動力研究[D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2011.

Heat-transfer Performance of Vertical Water Wall in an Ultra-supercritical Pressure Boiler with High Efficiency and Wide Regulation Load at Low Mass Flux

WANGSiyang1,WANGWenyu1,SHENZhi1,NIEXin1,YANGDong1,SONGBaojun2,JIAPeiying2

(1.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, School of Energy and Power Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 2. State Key Laboratory of Efficient and Clean Coal-fired Utility Boilers, Harbin Boiler Co., Ltd., Harbin 150046, China)

Heat-transfer performance of an internally ribbed tube was experimentally studied at low mass flux under the condition ofp=21-29.8 MPa,G=600-1 100 kg/(m2·s) andq=330-793 kW/m2, following which relative heat-transfer correlations were derived by sorting out the experimental data in the near and super critical pressure region. Results show that in the near critical pressure region, where the capacity to restrain the DNB of rifled tube is weakened, heat-transfer performance in the subcritical part behaves better than that in the supercritical part; heat-transfer deterioration can be delayed by increasing the mass flux and lowering the heat flux. In the supercritical pressure region, the lower the pressure is, the stronger the heat-transfer enhancement would be in the large specific heat region; keeping all other parameters constant, the influence of thermal physical properties of supercritical water on the heat-transfer process would be significantly affected by both the mass flux and heat flux; continuously increasing the heat flux while keeping the mass flux unchanged, heat-transfer reduction would take the place of heat-transfer improvement in the large specific heat region.

high efficiency and wide regulation load; ultra supercritical pressure boiler; internally ribbed tube; heat-transfer characteristic; low mass flux; heat flux

2016-03-21

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0600201)

王思洋(1989-)，男，山東濟(jì)寧人，博士研究生，研究方向?yàn)槎嘞嗔鲃优c傳熱.電話(Tel.)：029-82668393； E-mail：1414581226@qq.com.

1674-7607(2017)02-0085-06

TK229.2

A 學(xué)科分類號：470.10