翅片管及翅片管換熱器

1、翅片管翅片管 和和 翅片管換熱器翅片管換熱器 翅片管是一種帶肋的壁面，在動(dòng)力、化工等工業(yè)中有廣 泛的應(yīng)用，許多螺旋型換熱面或螺紋管也都可看作是翅片管。 它對(duì)擴(kuò)展換熱面積擴(kuò)展換熱面積和促進(jìn)湍流促進(jìn)湍流有顯著作用，無論對(duì)單相對(duì)流 換熱還是相變對(duì)流換熱都具有很大作用。翅片管換熱器的結(jié) 構(gòu)與一般管殼式換熱器基本相同。只是用翅片管代替了光管 作為傳熱面，由于傳熱加強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊，故可做成緊湊式換 熱器；翅片管換熱器也經(jīng)常用于加熱或冷卻管外氣體，而在 管內(nèi)通以蒸汽或水，例如空冷器、鍋爐省煤器、暖氣片等。 一、翅片管的結(jié)構(gòu)一、翅片管的結(jié)構(gòu) 有縱向和徑向(橫向)兩類翅片，其它類型都是這兩類 的變形，例如大螺旋角

2、翅片管、螺紋管等，前者接近縱向， 后者接近橫向。肋片可在管內(nèi)、管外或內(nèi)外兼有。肋片管按 制造方法不同可分為整體翅片、焊接翅片和機(jī)械連接翅片。 幾種帶縱向肋片和徑向肋片的翅片管如圖所示。 橫橫 向向 縱縱 向向 整體翅片由鑄造、機(jī)械加工或軋制而成，肋片與管子一 體，無接觸熱阻，強(qiáng)度高，耐熱震和機(jī)械震動(dòng)，因而傳熱、 機(jī)械和熱膨脹等性能較好，但制造成本提高，對(duì)低翅片比較 適用；焊接翅片用釬焊或氬弧焊等工藝制造，現(xiàn)代焊接技術(shù) 可使不同材料的翅片與母體管連接在一起并將其扭彎成各種 形狀。焊接翅片管由于制造簡易、經(jīng)濟(jì)且具有較好的傳熱性 能和機(jī)械性能，已在工業(yè)上廣為應(yīng)用。 焊接肋片主要問題是焊接工藝質(zhì)量、焊

3、縫中殘?jiān)焕?傳熱甚至引起斷裂，高頻焊常被采用，效果較好；機(jī)械連接 翅片管通常有繞片式、鑲嵌式、熱套或脹接式三種類型。機(jī) 械連接翅片管的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、肋片和管子材料可任意組合， 翅化比可大到30，其缺點(diǎn)是接觸熱阻可能因膨脹不均勻引起 松動(dòng)而加大，故繞片式的工作溫度多不超過200250，鑲 嵌式耐熱性能較好，常用于250350的場(chǎng)合，但制造費(fèi)高， 強(qiáng)度較低。 翅片管的材料范圍很廣，有碳鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金、 錫及銅合金、鈦、蒙乃爾合金等，有時(shí)還采用雙金屬翅片以 節(jié)約貴重金屬，同時(shí)又能適應(yīng)耐腐蝕性等工藝要求。 翅片管換熱器中管束兩端沒有翅片且外徑較大，故與光 管一樣可與管板焊接或脹接，必要時(shí)也可裝

4、設(shè)折流扳，裝折 流板處應(yīng)制成沒有翅片的平直段。由于翅片管應(yīng)用廣、材料 和制造方法多樣，工業(yè)發(fā)達(dá)國家都已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，并有 專門的研究機(jī)構(gòu)和制造廠。 二二 、翅片管的優(yōu)點(diǎn)主要是：、翅片管的優(yōu)點(diǎn)主要是： (1)傳熱能力強(qiáng) 與光管相比，傳熱面積可增大230倍，傳熱系數(shù)可提 高12倍； (2)結(jié)構(gòu)緊湊 由于單位體積傳熱面加大，傳熱能力增強(qiáng)，同樣熱負(fù)荷 下與光管相比，翅片管換熱器管子少，筒體直徑或高度可減 小，因而結(jié)構(gòu)緊湊且便于布置； (3)可以更有效和合理地利用材料 不僅因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)緊湊使材料用量減少，而且有可能針對(duì)傳 熱和工藝要求來靈活選用材料，例如不同材料制成的鑲嵌或 焊接翅片管等； (4)當(dāng)介質(zhì)被

5、加熱時(shí)，與光管相比，同樣熱負(fù)荷下的翅片管 管壁溫度有所降低，這對(duì)減輕金屬面的高溫腐蝕和超溫破壞 是有利的。 不管介質(zhì)是被加熱或冷卻，傳熱溫差都比光管時(shí)小，這 對(duì)減輕管外表面結(jié)垢是有利的。結(jié)垢減輕的另一重要原因是 翅片管不會(huì)象光管那樣沿圓周或軸向結(jié)成均勻的整體垢層， 沿翅片和管子表面結(jié)成的垢片在脹縮的作用下，會(huì)在翅片根 處斷裂，促使硬垢自行脫落； (5)對(duì)于相變換熱，可使換熱系數(shù)或臨界熱流密度增高。 翅片管的主要缺點(diǎn)是造價(jià)高和流阻大。例如空冷器的翅 片管由于工藝復(fù)雜，其造價(jià)達(dá)設(shè)備費(fèi)用的50一60；阻力大， 導(dǎo)致動(dòng)力消耗大。但如造型得當(dāng)，可使動(dòng)力消耗減少，與傳 熱加強(qiáng)的得益相比合算就行。 翅片管的

6、應(yīng)用翅片管的應(yīng)用 徑向翅片管表面積擴(kuò)展程度大于縱向翅片管，工業(yè)上 利用廣泛。前已闡明，強(qiáng)化對(duì)流換熱的措施加在換熱能力較 弱的一側(cè)，方能有效地提高傳熱系數(shù)K，因此，翅片管的翅 片一般應(yīng)加在換熱系數(shù)較小的一側(cè)方為合理。值相差3倍以 上者效果更加顯著。例如空冷器，故翅片多設(shè)在氣側(cè)，以彌 補(bǔ)氣側(cè)值低的缺陷，當(dāng)兩側(cè)值相近時(shí)，則適宜于內(nèi)外加切 片或外翅管內(nèi)加麻花鐵、螺旋線擾流器。 一般情況，兩邊換熱系數(shù)相差很大時(shí)才采用高翅片，低 翅內(nèi)螺紋管對(duì)于防止管內(nèi)的傳熱危機(jī)甚為有效；鑒于翅片管 的優(yōu)良防結(jié)垢能力，故對(duì)有嚴(yán)重污垢工況的重沸器等換熱設(shè) 備有利。 三、翅片管的傳熱計(jì)算三、翅片管的傳熱計(jì)算 翅片管或帶肋壁的傳

7、熱計(jì)算包括單個(gè)翅(肋)片的計(jì)算和 整個(gè)肋壁面的傳熱計(jì)算 單個(gè)肋片的計(jì)算包括沿肋高的溫度分布、肋片的傳熱量 和肋效率，肋化后的傳熱面積、重量、價(jià)格的計(jì)算以及肋片 形狀和參數(shù)的決定，在決定肋片形式和尺寸時(shí)，應(yīng)根據(jù)肋片 溫度所產(chǎn)生的熱應(yīng)力來核定。 整個(gè)肋壁的傳熱計(jì)算是在肋化情況和換熱系數(shù)等己知的 條件下計(jì)算整個(gè)肋壁的傳熱量，它并不直接涉及單個(gè)肋片的 計(jì)算而只與肋片和管子的總體結(jié)構(gòu)有關(guān)，與光管壁面的傳熱 計(jì)算基本相同，區(qū)別僅在于帶肋壁面的傳熱面積和換熱系數(shù) 或傳熱系數(shù)是不相同的。 1. 單個(gè)翅(肋)片的傳熱計(jì)算 翅片傳熱的特點(diǎn)是同時(shí)存在翅片的導(dǎo)熱和與周圍介質(zhì)的 對(duì)流換熱。 (1)厚度不變的直肋 (2)

8、可變厚度的直肋 (3)厚度不變的圓肋 2. 翅(肋)片的效率及翅化比 (1)翅(肋)片的效率 是翅片管的實(shí)際傳熱量與假定肋片的溫度都處于肋基溫 度時(shí)傳熱量的比值。 (2)翅化比 是翅片管的傳熱面積與光管（不帶翅片）時(shí)面積的比值。 四、翅片設(shè)計(jì)中有關(guān)參數(shù)的確定四、翅片設(shè)計(jì)中有關(guān)參數(shù)的確定 1.肋片高度h 前已提到，并非任何條件下加高翅片部是有利的，理論 上可以證明，各種形狀翅片都存在一個(gè)最佳高度。經(jīng)驗(yàn)表明： 當(dāng)傳熱壁面兩側(cè)的值相差25倍時(shí)，采用低翅型螺紋管比 較合適，造價(jià)比光管只增加2530；當(dāng)兩側(cè)值相差十倍 以上時(shí)可考慮用高翅片，此時(shí)翅片傳熱面積較大。 2. 翅距s 如果考慮的不是單個(gè)翅片，而

9、是整個(gè)翅片管，則翅距越 小，翅片管的翅側(cè)傳熱面積越大。但不同流速下，翅距應(yīng)保 證幾毫米至幾十毫米，以使s值大于相鄰兩翅面的邊界層之 和，因?yàn)檫吔鐚拥膹?fù)迭將不利于對(duì)流換熱，故一般自然對(duì)流 時(shí)翅距應(yīng)大于強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的翅距，因后者的邊界層較簿，對(duì) 于縱向翅片，應(yīng)使縱向長度不太長，以免層流底層厚度發(fā)展 變厚，故有些設(shè)計(jì)采用不連貫的斷續(xù)縱翅，阻止了層流底層 的發(fā)展。 3.翅厚 根據(jù)研究，翅厚與翅高保持下列關(guān)系比較合理： 24mm時(shí) h1216 mm 五、整個(gè)翅片管五、整個(gè)翅片管(或肋壁或肋壁)的傳熱計(jì)算的傳熱計(jì)算 (1)傳熱方程式 在穩(wěn)定傳熱時(shí)，翅片管的傳熱量和傳熱系數(shù)的計(jì)算可采 取與光管傳熱計(jì)算同樣形式

10、 式中： K代表以光管外表總面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)， K為以翅管總外表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)， T管內(nèi)外流體的有效平均溫差， F光管的外表面積， F翅片管總的外表面積。 QKF TK FT (2) 傳熱系數(shù)的計(jì)算(以F為基準(zhǔn)) 當(dāng)壁面溫度與換熱系數(shù)均一定時(shí)，翅片管的傳熱系數(shù)除 多了翅片熱阻外，翅片管傳熱系數(shù)計(jì)算式子完全一致。 (3) 翅片管傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值(以F為基準(zhǔn)) (4) 壓降計(jì)算 翅片管空氣冷卻器的傳熱系數(shù) 被冷卻介質(zhì)被冷卻介質(zhì)傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)W/(mW/(m2 2) 燃料油116159 輕質(zhì)汽油337395 輕質(zhì)烴類430535 殘?jiān)?8116 焦油2958 空氣（燃?xì)猓篜=3.43bar58 空氣（燃?xì)猓篜=6.87bar116 烴類氣體：P=13.43bar169227 機(jī)械夾套用水674733 工藝過程用水593674 翅片管空氣