本實用新型屬于強化傳熱與減阻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有弧形過渡截面肋片的寬負荷鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管。

背景技術(shù)：

我國的一次能源以煤炭為主，燃煤發(fā)電是電力生產(chǎn)的主要形式。高參數(shù)、大型化、大容量是燃煤發(fā)電機組的重要發(fā)展方向，電站鍋爐已發(fā)展到超超臨界參數(shù)水平。迄今為止，國內(nèi)已有600MW和1000MW等級的超超臨界機組投入運行。近年來，隨著電網(wǎng)負荷峰谷差逐漸增大，已投運的超超臨界機組也不得不在低負荷下運行，導(dǎo)致超超臨界機組效率低下、喪失了自身優(yōu)勢。安全可靠的水冷壁技術(shù)是超超臨界鍋爐變壓運行的關(guān)鍵。日益突出的調(diào)峰需求要求超超臨界鍋爐水冷壁在較寬的運行負荷范圍內(nèi)具有優(yōu)良的流動傳熱特性。因此，研發(fā)寬負荷超超臨界鍋爐成為我國潔凈煤燃燒技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。而開發(fā)適用于寬負荷超超臨界鍋爐的內(nèi)螺紋管則是研發(fā)寬負荷超超臨界鍋爐的必要組成部分。同時，發(fā)展優(yōu)化內(nèi)螺紋管也是改善水冷壁流動傳熱特性、保障鍋爐安全運行的一種重要手段。

變壓運行超超臨界鍋爐水冷壁的設(shè)計和選型，關(guān)鍵是要確保鍋爐在可能的運行負荷范圍內(nèi)水循環(huán)的安全性，防止水動力多值性和膜態(tài)沸騰，減小熱偏差和流量偏差等。三菱公司開發(fā)了變壓運行超臨界內(nèi)螺紋管垂直管圈鍋爐后，結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修便捷的內(nèi)螺紋管垂直管圈水冷壁的應(yīng)用越來越廣泛。為確保鍋爐水循環(huán)的安全性及控制熱偏差和流量偏差，內(nèi)螺紋管垂直管圈普遍采用了較高的質(zhì)量流速和加裝節(jié)流孔圈。這導(dǎo)致超臨界內(nèi)螺紋管垂直管圈鍋爐流動阻力增加，給水泵能耗隨之增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

由于調(diào)峰需求，超超臨界機組長期處于低負荷運行，導(dǎo)致機組熱效率降低，為改善超超臨界鍋爐低負荷下的傳熱特性，本實用新型的目的是：開發(fā)一種具有弧形過渡截面肋片的寬負荷鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管，進一步強化內(nèi)螺紋管的傳熱能力，特別是在中低質(zhì)量流速下的傳熱能力，使超超臨界鍋爐低負荷下的傳熱特性得到改善；同時，降低鍋爐的流動阻力，減小給水泵的耗功，促進電廠節(jié)能降耗。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供的技術(shù)方案為：

一種具有弧形過渡截面肋片的寬負荷鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管，包括管體，及在管體內(nèi)壁面呈螺旋狀布置的內(nèi)螺紋肋片，所述內(nèi)螺紋肋片的橫截面形狀為等腰梯形，其側(cè)面與頂面和底面的連接面為弧形截面；所述內(nèi)螺紋管可以用于設(shè)計制造寬負荷鍋爐所需的垂直管圈水冷壁，水冷壁管圈進口不需要布置節(jié)流孔圈，鍋爐質(zhì)量流速范圍為中低質(zhì)量流速300～1300kg/(m2·s)。

所述內(nèi)螺紋肋片側(cè)面的頂部弧面和底部弧面的高度均不超過肋片高度的30％，頂部弧面為凸弧形面，底部弧面為凹弧形面。

進一步，頂部弧面分別與肋片的頂面和側(cè)面平滑連接；底部弧面分別與肋片的側(cè)面和管體平滑連接。

所述內(nèi)螺紋管的外徑D為29～42mm；所述內(nèi)螺紋管的壁厚t為4.65～7.20mm；所述內(nèi)螺紋肋片等間距布置，肋片頭數(shù)為4～6頭；所述內(nèi)螺紋肋片的軸頂寬w為4.5～6.5mm；所述內(nèi)螺紋肋片的高度h為1.09～1.55mm。

所述內(nèi)螺紋肋片的側(cè)面與與管軸線方向的夾角β為45°～60°；所述內(nèi)螺紋肋片的螺旋方向與管軸線方向的夾角α為30°～65°。

所述內(nèi)螺紋管可以用于設(shè)計制造寬負荷鍋爐所需的垂直管圈水冷壁，水冷壁管圈進口不需要布置節(jié)流孔圈，鍋爐質(zhì)量流速范圍為中低質(zhì)量流速300～1300kg/(m2·s)。

本實用新型的有益效果：與光管相比，內(nèi)螺紋管不僅增加了換熱面積，而且能夠在管內(nèi)形成螺旋流動，破環(huán)流動邊界層，增強管內(nèi)湍流強度。在汽水兩相流動中，螺旋流動產(chǎn)生的離心力可以將密度較大的液滴持續(xù)甩到管內(nèi)壁面上，顯著增強液膜潤濕管壁的能力。當(dāng)液膜蒸干時，內(nèi)螺紋管能夠控制管壁溫度的飛升程度。當(dāng)鍋爐接近滿負荷運行時，管內(nèi)工質(zhì)為超臨界流體，近壁面的螺旋流動能夠增強管內(nèi)橫截面上的湍流混合，有效抑制超臨界傳熱惡化的發(fā)生。所涉及的寬負荷鍋爐內(nèi)螺紋管，能夠進一步增強內(nèi)螺紋管的傳熱能力，特別是在中低質(zhì)量流速下的傳熱能力，使超超臨界鍋爐低負荷下的傳熱特性得到改善。

進一步，所涉及的寬負荷鍋爐內(nèi)螺紋管能夠在中低質(zhì)量流速下保證良好的傳熱效果，則管內(nèi)的流動阻力降低，取消節(jié)流孔圈，水冷壁流動阻力進一步降低，超超臨界鍋爐的流動阻力也就隨之減小，因此，給水泵耗功減小，有利于節(jié)能降耗。

進一步，中低質(zhì)量流速下，超超臨界鍋爐水冷壁具有正流量響應(yīng)特性，即吸熱越強的管子，管內(nèi)質(zhì)量流速也越大。正流量相應(yīng)特性使超超臨界內(nèi)螺紋管垂直管圈鍋爐水冷壁具有自動控制管間流量偏差和熱偏差的能力，有利于提高水冷壁管組的吸熱均勻性，確保超超臨界內(nèi)螺紋管垂直管圈鍋爐的安全運行。

附圖說明

圖1為本實用新型一種具有弧形過渡截面肋片的寬負荷鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中內(nèi)螺紋肋片的軸向剖面示意圖。

圖3為圖1中內(nèi)螺紋肋片的結(jié)構(gòu)示意圖，

圖3(a)為等腰梯形肋片；

圖3(b)為具有弧形過渡截面的肋片；

圖3(c)為肋高增大的具有弧形過渡截面的肋片。

圖4為圖1所述內(nèi)螺紋管與下爐膛水冷壁進口集箱連接示意圖，4-1為下爐膛水冷壁進口集箱，4-2表示所述內(nèi)螺紋管與下爐膛水冷壁進口集箱4-1的連接管段，為光管且不需要安裝節(jié)流孔圈，4-3表示由所述內(nèi)螺紋管組成的水冷壁管組。

圖1、2中，1為管體；2為內(nèi)螺紋肋片；D為管外徑；d_m為最大內(nèi)徑；H為肋高；R為肋頂部和底部過渡圓弧半徑；w為肋片軸頂寬；t為內(nèi)螺紋管壁本體厚度；α為內(nèi)螺紋肋片的螺旋方向與管軸線方向的夾角；β為內(nèi)螺紋肋片的側(cè)面與與管軸線方向的夾角。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型進一步說明。

如圖1所示，一種具有弧形過渡截面肋片的寬負荷鍋爐水冷壁內(nèi)螺紋管，包括管體1，及在管體1內(nèi)壁面呈螺旋狀布置的內(nèi)螺紋肋片2，所述內(nèi)螺紋肋片2的螺旋方向與管軸線方向的夾角α為30°～65°；所述內(nèi)螺紋肋片2的側(cè)面與與管軸線方向的夾角β為45°～60°；所述內(nèi)螺紋肋片2等間距布置，肋片頭數(shù)為4～6頭。

如圖2、3所示，本實用新型所述內(nèi)螺紋肋片2的橫截面形狀為等腰梯形，其側(cè)面2-3與肋片頂面2-1和管體1的連接面為弧形截面，頂部弧面2-2和底部弧面2-3的高度均不超過肋片高度的30％；頂部弧面2-2為凸弧形面，分別與肋片頂面2-1和側(cè)面2-3平滑連接；底部弧面2-3為凹弧形面，分別與肋片側(cè)面2-3和管體1平滑連接；而所述內(nèi)螺紋肋片2的軸頂寬w為4.5～6.5mm，肋高h為1.09～1.55mm。

如圖4所示，本實用新型所述內(nèi)螺紋管可以用于設(shè)計制造寬負荷鍋爐所需的垂直管圈水冷壁，水冷壁采用中低質(zhì)量流速300～1300kg/(m2·s)，即可具有良好的傳熱效果；所述水冷壁管組4-3與水下爐膛冷壁進口集箱通過三叉管4-2連接，三叉管4-2為不受熱的光管，并且管內(nèi)沒有加裝節(jié)流孔圈。

本實用新型以下述內(nèi)螺紋管為例：內(nèi)螺紋管材料為15CrMoG，肋片頭數(shù)為6，外徑35mm，管壁厚5.67mm，最大內(nèi)徑22.41mm，內(nèi)螺紋肋片的螺旋方向與管軸線方向的夾角40°，內(nèi)螺紋肋片的側(cè)面與與管軸線方向的夾角55°，內(nèi)螺紋肋片的軸頂寬5.6mm，內(nèi)螺紋肋片的高度1.2mm。如圖4所示，鍋爐下爐膛水冷壁進口集箱與水冷壁管組一般采用三叉管連接方式。第一組三叉管4-2與水冷壁進口集箱4-1連接，由于不受熱，可以使用光管。以往的鍋爐水冷壁為控制流量偏差和熱偏差，采用高質(zhì)量流速，并在三叉管4-2中加裝節(jié)流孔圈。所述內(nèi)螺紋管在中低質(zhì)量流速下就能保證良好的傳熱效果，因此，采用所述內(nèi)螺紋管制造的水冷壁管組4-3，能夠降低鍋爐水冷壁的質(zhì)量流速，進而減小鍋爐的流動阻力。另外，在中低質(zhì)量流速條件下，鍋爐水冷壁具有正流量響應(yīng)特性，即吸熱越強的水冷壁管，管內(nèi)質(zhì)量流速也就越大，鍋爐水冷壁具有自主控制管間流量偏差與熱偏差的能力，因而第一組三叉管4-2內(nèi)不需要安裝節(jié)流孔圈。這與中低質(zhì)量流速條件形成疊加效應(yīng)，可以進一步減小鍋爐的流動阻力，有利于節(jié)約給水泵的耗功。由于實際使用的要求不同，本實用新型不局限于以上所述的內(nèi)螺紋管。