翅片管及翅片管换热器

翅片管和翅片管换热器翅片管是一种带肋的壁面，在动力、化工等工业中有广泛的应用，许多螺旋型换热面或螺纹管也都可看作是翅片管。它对扩展换热面积和促进湍流有显著作用，无论对单相对流换热还是相变对流换热都具有很大作用。翅片管换热器的结构与一般管壳式换热器基本相同。只是用翅片管代替了光管作为传热面，由于传热加强、结构紧凑，故可做成紧凑式换热器；翅片管换热器也经常用于加热或冷却管外气体，而在管内通以蒸汽或水，例如空冷器、锅炉省煤器、暖气片等。一、翅片管的结构有纵向和径向(横向)两类翅片，其它类型都是这两类的变形，例如大螺旋角翅片管、螺纹管等，前者接近纵向，后者接近横向。肋片可在管内、管外或内外兼有。肋片管按制造方法不同可分为整体翅片、焊接翅片和机械连接翅片。几种带纵向肋片和径向肋片的翅片管如图所示。横向纵向整体翅片由铸造、机械加工或轧制而成，肋片与管子一体，无接触热阻，强度高，耐热震和机械震动，因而传热、机械和热膨胀等性能较好，但制造成本提高，对低翅片比较适用；焊接翅片用钎焊或氩弧焊等工艺制造，现代焊接技术可使不同材料的翅片与母体管连接在一起并将其扭弯成各种形状。焊接翅片管由于制造简易、经济且具有较好的传热性能和机械性能，已在工业上广为应用。焊接肋片主要问题是焊接工艺质量、焊缝中残渣不利传热甚至引起断裂，高频焊常被采用，效果较好；机械连接翅片管通常有绕片式、镶嵌式、热套或胀接式三种类型。机械连接翅片管的优点是经济、肋片和管子材料可任意组合，翅化比可大到30，其缺点是接触热阻可能因膨胀不均匀引起松动而加大，故绕片式的工作温度多不超过200～250℃，镶嵌式耐热性能较好，常用于250~350℃的场合，但制造费高，强度较低。翅片管的材料范围很广，有碳钢、不锈钢、铝及铝合金、锡及铜合金、钛、蒙乃尔合金等，有时还采用双金属翅片以节约贵重金属，同时又能适应耐腐蚀性等工艺要求。翅片管换热器中管束两端没有翅片且外径较大，故与光管一样可与管板焊接或胀接，必要时也可装设折流扳，装折流板处应制成没有翅片的平直段。由于翅片管应用广、材料和制造方法多样，工业发达国家都已标准化、系列化，并有专门的研究机构和制造厂。二、翅片管的优点主要是：(1)传热能力强与光管相比，传热面积可增大2～30倍，传热系数可提高1～2倍；(2)结构紧凑由于单位体积传热面加大，传热能力增强，同样热负荷下与光管相比，翅片管换热器管子少，筒体直径或高度可减小，因而结构紧凑且便于布置；(3)可以更有效和合理地利用材料不仅因为结构紧凑使材料用量减少，而且有可能针对传热和工艺要求来灵活选用材料，例如不同材料制成的镶嵌或焊接翅片管等；(4)当介质被加热时，与光管相比，同样热负荷下的翅片管管壁温度有所降低，这对减轻金属面的高温腐蚀和超温破坏是有利的。不管介质是被加热或冷却，传热温差都比光管时小，这对减轻管外表面结垢是有利的。结垢减轻的另一重要原因是翅片管不会象光管那样沿圆周或轴向结成均匀的整体垢层，沿翅片和管子表面结成的垢片在胀缩的作用下，会在翅片根处断裂，促使硬垢自行脱落；(5)对于相变换热，可使换热系数或临界热流密度增高。翅片管的主要缺点是造价高和流阻大。例如空冷器的翅片管由于工艺复杂，其造价达设备费用的50一60％；阻力大，导致动力消耗大。但如造型得当，可使动力消耗减少，与传热加强的得益相比合算就行。翅片管的应用径向翅片管表面积扩展程度大于纵向翅片管，工业上利用广泛。前已阐明，强化对流换热的措施加在换热能力较弱的一侧，方能有效地提高传热系数K，因此，翅片管的翅片一般应加在换热系数较小的一侧方为合理。α值相差3倍以上者效果更加显著。例如空冷器，故翅片多设在气侧，以弥补气侧α值低的缺陷，当两侧α值相近时，则适宜于内外加切片或外翅管内加麻花铁、螺旋线扰流器。一般情况，两边换热系数相差很大时才采用高翅片，低翅内螺纹管对于防止管内的传热危机甚为有效；鉴于翅片管的优良防结垢能力，故对有严重污垢工况的重沸器等换热设备有利。三、翅片管的传热计算翅片管或带肋壁的传热计算包括单个翅(肋)片的计算和整个肋壁面的传热计算．单个肋片的计算包括沿肋高的温度分布、肋片的传热量和肋效率，肋化后的传热面积、重量、价格的计算以及肋片形状和参数的决定，在决定肋片形式和尺寸时，应根据肋片温度所产生的热应力来核定。整个肋壁的传热计算是在肋化情况和换热系数等己知的条件下计算整个肋壁的传热量，它并不直接涉及单个肋片的计算而只与肋片和管子的总体结构有关，与光管壁面的传热计算基本相同，区别仅在于带肋壁面的传热面积和换热系数或传热系数是不相同的。1.单个翅(肋)片的传热计算翅片传热的特点是同时存在翅片的导热和与周围介质的对流换热。(1)厚度不变的直肋(2)可变厚度的直肋(3)厚度不变的圆肋2.翅(肋)片的效率及翅化比(1)翅(肋)片的效率是翅片管的实际传热量与假定肋片的温度都处于肋基温度时传热量的比值。(2)翅化比是翅片管的传热面积与光管（不带翅片）时面积的比值。四、翅片设计中有关参数的确定1.肋片高度h前已提到，并非任何条件下加高翅片部是有利的，理论上可以证明，各种形状翅片都存在一个最佳高度。经验表明：当传热壁面两侧的α值相差2～5倍时，采用低翅型螺纹管比较合适，造价比光管只增加25～30％；当两侧α值相差十倍以上时可考虑用高翅片，此时翅片传热面积较大。2.翅距s如果考虑的不是单个翅片，而是整个翅片管，则翅距越小，翅片管的翅侧传热面积越大。但不同流速下，翅距应保证几毫米至几十毫米，以使s值大于相邻两翅面的边界层之和，因为边界层的复迭将不利于对流换热，故一般自然对流时翅距应大于强制对流时的翅距，因后者的边界层较簿，对于纵向翅片，应使纵向长度不太长，以免层流底层厚度发展变厚，故有些设计采用不连贯的断续纵翅，阻止了层流底层的发展。3.翅厚δ根据研究，翅厚δ与翅高保持下列关系比较合理：δ＝2～4mm时h＝12～16mm五、整个翅片管(或肋壁)的传热计算(1)传热方程式在稳定传热时，翅片管的传热量和传热系数的计算可采取与光管传热计算同样形式式中：K′——代表以光管外表总面积为基准的总传热系数，K——为以翅管总外表面积为基准的传热系数，ΔT——管内外流体的有效平均温差，F′——光管的外表面积，F——翅片管总的外表面积。QKFTKFT(2)传热系数的计算(以F′为基准)当壁面温度与换热系数均一定时，翅片管的传热系数除多了翅片热阻外，翅片管传热系数计算式子完全一致。(3)翅片管传热系数的经验值(以F′为基准)(4)压降计算翅片管空气冷却器的传热系数被冷却介质传热系数W/(m2℃)燃料油116～159轻质汽油337～395轻质烃类430～535残渣油58～116焦油29～58空气（燃气）：P=3.43bar58空气（燃气）：P=6.87bar116烃类气体：P=1~3.43bar169～227机械夹套用水674～733工艺过程用水593～674翅片管空气冷凝器的传热系数被冷却介质传热系数W/(m2℃)水蒸气773～790氨570～688氟利昂337～454轻汽油454煤油372注：以光管外表面积为基准，翅化比为16.9六、结构布置根据传热计算所得的换热面积、流量、流速，确定管子的数量。