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，例如大螺旋角翅片管、螺紋管等，前者

2、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(jiǎn)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、焊縫中殘?jiān)焕麄鳠嵘踔烈饠嗔?，高頻焊常被采用，效

3、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

4、制造方法多樣，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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

5、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

6、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

7、、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)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

8、。(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)

9、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(zhǎng)度不太長(zhǎng)，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 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