翅片管和热管系列讲座.docx

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翅片管和热管系列讲座

翅片管和热管系列讲座

主讲人：

哈尔滨工业大学能源学院刘纪福教授

第一讲：

翅片管的传热原理和选用原则

翅片管，又叫鳍片管或肋片管，英文名字叫“FinTube”或”FinnedTube”,也有时叫做“ExtendedSurfaceTube”,即扩展表面管。

顾名思义，翅片管就是在原有的管子表面上（不论外表面还是内表面）加工上了很多翅片，使原有的表面得到扩展，而形成一种独特的传热元件。

下面展示的是两张翅片管的照片。

为什么要采用翅片管？

在原有表面上加工上翅片能起到什么作用？

要回答这一问题，还需要从传热过程的某些基本原理说起。

首先，要介绍一个传热学上的定义：

固体表面与和它接触的流体之间的换热称为对流换热。

我们最熟悉的对流换热就是暖气片外表面和空气之间的换热。

生活经验告诉我们：

暖气片面积越大，表面温度越高（即表面温度和空气间的温差越大），供热时间越长，则换热量越大，房间越暖和。

这说明对流换热量和换热面积成正比，和温度差成正比，和时间成正比。

为了比较不同情况下对流换热的强弱，我们需定义一个物理量：

叫做“换热系数”。

换热系数是指单位面积，单位温差（壁面和流体之间的温差），单位时间的对流换热量。

其单位是J/（s.㎡.℃）或W/（㎡.℃）.对流换热系数常用符号h表示。

换热系数的大小主要取决于下面几个因素：

1.流体的种类和物理性质：

例如水和空气是截然不同的，其换热系数相差甚大；

2.流体在换热过程中是否发生相变，即是否发生沸腾或凝结。

若有相变发生，则其换热系数将大大提高；

3.还和流体的流速和固体表面的形状有关。

等等。

4.对流换热系数的大小主要是通过实验研究来确定，下面给出一组常用情况下的数值范围：

水蒸汽的凝结：

h=10000---20000W/（㎡*℃）

水的沸腾：

h=7000---10000W/（㎡*℃）

水的对流：

h=3000---5000W/（㎡*℃）

空气或烟气的强制对流：

h=30---50W/（㎡*℃）

空气或烟气的自然对流：

h=3—5W/（㎡*℃）

由此可见，不同情况下其换热系数的差别是非常巨大的。

请记住上述换热系数的数值范围，这对以后翅片管的理解和选用是大有用处的。

下面将讨论一个具体的传热设备的实例：

有一台用热水加热空气的换热器，热水在管内流动，空气在管外流动。

例如采暖用的热风幕或汽车上的散热器（radiator）都属于这一种传热类型，即热水的热量经过管壁传給管外的冷流体—空气。

由此可见，传热过程是与间壁两侧的两个对流换热过程紧紧地联系在一起的。

对于上述实例：

管内水侧对流换热系数约为5000，而管外空气侧的对流换热系数约为50，二者相差100倍。

由于空气侧的换热“能力”远远低于水侧，限制了水侧换热“能力”的发挥，使得空气侧成为传热过程的“瓶颈”，限制了传热量的增加。

为了克服空气侧的“瓶颈”效应，在空气侧外表面加装翅片将是一个最明智的选择。

加装了翅片以后，使空气侧原有的传热面积得到了极大的扩展，禰补了空气侧换热系数低的缺点，使传热量大大提高，如下面的附图所示。

关于加装翅片的作用还可以用下面更形象的例子来说明：

在一个边境口岸的出入境处，假定甲方口岸有十个检验口，每小时能放行5000人，而乙方口岸只有一个检票口，且办的很慢，每小时只能放行50人。

这样，乙方侧就成了旅客通关的瓶颈，使得甲方的“能力”不能发挥。

为了提高通关流量，最有效的办法就是在乙方侧多开几个检验口。

这与加装翅片的原理是一样的。

在了解了翅片管的原理和作用以后，在甚么场合选用翅片管，有下面几个原则：

（1）管子两侧的换热系数如果相差很大，则应该在换热系数小的一侧加装翅片。

例1：

锅炉省煤器，管内走水，管外流烟气，烟气侧应采用翅片。

例2：

空气冷却器，管内走液体，管外流空气，翅片应加在空气侧。

例3：

蒸汽发生器，管内是水的沸腾，管外走烟气，翅片应加在烟气侧。

应注意，在设计时，应尽量将换热系数小的一侧放在管外，以便于加装翅片。

（2）如管子两侧的换热系数都很小，为了强化传热，应在两侧同时加装翅片，若结构上有困难，则两侧可都不加翅片。

在这种情况下，若只在一边加翅片，对传热量的增加是不会有明显效果的。

例1：

传统的管式空气预热器，管内走空气，管外走烟气。

因为是气体对气体的换热，两侧的换热系数都很低，管内加翅片又很困难，只好用光管了。

例2：

热管式空气预热器，虽然仍是烟气加热空气，但因烟气和空气都是在管外流动，故烟气侧和空气侧都可方便地采用翅片管，使传热量大大增加。

（3）如果管子两侧的换热系数都很大，则没有必要采用翅片管。

例1：

水/水换热器，用热水加热冷水时，两侧换热系数都足够高，就没有必要采用翅片管了。

但为了进一步增强传热，可采用螺纹管或波纹管代替光管。

例2：

发电厂冷凝器，管外是水蒸汽的凝结，管内走水。

两侧的换热系数都很高，一般情况下，无需采用翅片管。

第二讲翅化比，翅片效率和翅片参数选择

上一节讲了翅片管的传热原理和选用原则，本节讲述翅片管的两个重要概念：

翅化比和翅片效率，并指出在选择翅片参数时应考虑的问题。

不过，首先须对翅片管和翅片本身结构参数的标注方法提出如下的建议：

（1）翅片管和翅片结构的标注方法

首先，用CPG代表翅片管（CHIPIANGUAN）的缩写，翅片管的结构特性，材质，及加工方法可用下面的系列数字或符号表示：

CPG（φDb×δ/Df/P/T–X/Y–A）

其中：

CPG：

翅片管；φDb×δ：

基管外径和厚度；Df:

翅片外径，mm;P:

翅片节距，mm;

T:

翅片厚度，mm;X：

基管材质；Y:

翅片材质；其中：

Fe:

铁；Al:

铝；Cu:

铜

A:

加工方法：

I：

高频焊（不标出即默认）；其它待定。

见下图之标示。

例如：

CPG（φ32×3.5/64/8/1–Fe/Fe）说明该翅片管的基管外径为32mm,壁厚为3.5mm,翅片外径为64mm,（即翅片高度为16mm）,

翅片节距为8mm，翅片厚度为1mm，基管和翅片皆为碳钢，为高频焊管。

此外，有时需要单独对翅片本身的结构参数进行标注，标注方法如下所示：

CP（Db/Df/P/T–Y）

各符号所代表的意义与翅片管的表示方法相同。

举例如下：

例如：

CP（32/62/8/1–Fe）说明该翅片的基管外径为32mm，翅片外径为62mm（翅片高度为15mm），

翅片节距为8mm，翅片厚度为1mm，材质为碳钢。

（2）翅化比

翅化比是指光管表面（基管表面）在加装翅片以后表面积扩大的倍数，可用“β”来表示，即

β=（原光管外表面积）/（翅片管总的外表面积）

计算举例：

有一翅片管，CPG（φ25×2.5/50/4/1–Fe/Fe）,试计算其翅化比

1米管长的翅片数目n=1000/4=250

1米管长的翅片面积

Af=250×[π/4{（Df2-Db2）×2+π×Df×T}=0.775m2

1米管长上的裸管面积，即翅片之间的光管面积

Ao=π×Db×1×（P-T）/P=3.1416×0.025×1×3/4=0.0589m2

1米管长上的光管面积

Ab=3.1416×0.025=0.0785m2

翅化比

β=（Af+AO）/Ab=（0.775+0.0589）/0.0785=10.62

即加翅片后的传热面积为原光管面积的10.62倍。

对几个常用规格的翅片管，其翅化比的计算结果示于表-1中，以供参考：

（3）翅片效率

当翅片被“根植”在光管表面上以后，在由管内向管外传热的情况下，热量将从翅片根部沿翅片高度向外传递，同时不断地以对流换热的方式传给周围的流体，其结果就使得翅片温度沿高度方向逐渐下降。

如下图所示。

翅片温度沿高度方向逐渐下降，说明翅片温度与周围流体温度的差值在逐渐缩小，单位面积的换热量在逐渐缩小。

这样，翅片表面积对增强换热的有效性在下降。

翅片越高，其增加的面积对换热的“贡献”就越小。

因此，有必要引入一个新的概念----翅片效率。

翅片效率η=（翅片表面的实际散热量）/（假定翅片表面温度等于翅根温度时的散热量）

因为翅片效率小于1，说明增加1倍的翅片散热面积，并不能增加1倍的散热量，要打一个“折扣”，这个“折扣”就是翅片效率。

翅片效率的数值取决于翅片的形状，高度，厚度，材质，更重要地还取决于管外换热系数。

计算比较复杂而费时。

下面对于工程上常用的翅片管，给出一组已计算好的数值，供选用。

见表-1。

计算表明，翅片高度对翅片效率的影响最大，翅片越高，翅片效率就越低；其次，翅片材质的热传导性能也有一定的影响，铝的导热系数高于碳钢，在其他条件相同时，铝翅片比钢翅片的效率要高。

此外，翅片效率还和管外的换热系数有关，下表中的翅片效率值就是在一定的换热系数h=50W/m2.℃的条件下计算出来的。

表—1翅片的结构特性

翅片规格

翅化比β

翅片效率η

有效性（β×η）

讨论

*--推荐程度

CP（25/50/6/1—Fe）

7.4

0.82

6.07

*

CP（25/55/6/1—Fe）

9.2

0.78

7.18

**

CP（25/55/6/1—Al）

9.2

o.92

8.46

**

CP（32/62/8/1—Fe）

6.62

0.78

5.16

*

CP（32/70/8/1—Fe）

8.71

0.71

6.18

**

CP（32/62/6/1—Fe）

8.49

0.78

6.62

**

CP（38/68/8/1—Fe）

6.32

0.79

4.99

*

CP（38/76/8/1—Fe）

8.25

0.72

5.94

**

CP（38/68/6/1—Fe）

8.10

0.79

6.40

**

CP（51/81/8/1—Fe）

5.92

0.81

4.80

*

CP（51/89/8/1—Fe）

7.60

0.73

5.55

**

（4）翅片的有效性

翅片的有效性是指在加装上翅片以后，以基管（光管）外表面为基准的换热系数到底增加了多少倍。

经推导，有下列关系式：

ho=h×[（Ao+Af×η）/Ab]

此处，ho----以光管外表面积为基准的对流换热系数，它代表加装翅片以后的总效果；

h----翅片外表面的对流换热系数；

AO,Af,Ab翅片间隙处的裸管面积，翅片面积，和原光管面积。

因为Ao<

ho=h×η×[（AO+Af）/Ab]=h×η×β

由此可见，翅化比和翅片效率的乘积（η×β）成为翅片有效性的最终指标。

对表-1所列举的一组翅片管，其有效性（η×β）的数值也列入表中。

例如，对上表中的CP（38/68/8/1--Fe）而言，假定翅片外表面的换热系数h=50W/（m2。

℃），翅片的有效性为5.94，最后，以光管外表面为基准的对流换热系数ho=50×5.94=297W/（m2.℃）。

（5）翅片参数选择的考虑

5-1。

翅片高度的选择：

由上面表格中的计算结果可以看出，对于工程上常用的高频焊翅片管，当翅高为15mm时，翅片效率为0.8左右，

而当翅高为20mm时，则翅片效率降为0.7左右。

这说明，选择15mm的翅高是合适的，若选取20mm以上的翅高，则要特别小心，由于其翅片效率太低，一般不被采用。

对于空冷器上用的铝翅片，由于铝的导热系数远远高于碳钢，其翅片效率较高，将翅片高度提高至22-25mm

也是可以接受的。

5-2。

翅片节距的选择：

选取小的节距，可有效地增加翅化比。

但在选择节距时，也要特别小心。

应考虑的因素有：

*绕流气体的性质及积灰的可能性。

可分为三种情况：

第一，积灰特别严重的场合，例如：

钢铁厂的电炉，转炉，及某些工业窑炉的排气，含灰量很大，如果用翅片管换热，一定要选用大的翅片节距。

例如节距在10mm以上，还要辅之以合理的排灰设计及选用吹灰器。

第二种情况是积灰不一定很严重，但也要给于重视的场合，例如：

电站锅炉和工业锅炉的排气，翅片节距采用8mm左右比较合适，但要辅之以具有自吹灰能力的设计方案。

第三种情况是没有积灰或积灰轻微的场合，例如燃烧天然气设备的排气，或空气冷却器，其翅片节距选择4-6mm是可以的。

对于铝制的空冷器，其翅片节距往往在3mm左右。

*翅片的加工工艺及加工成本也是在选择翅片节距时应考虑的因素。

5-3。

翅片厚度的选择：

主要考虑绕流气体的腐蚀性和摩损。

对于腐蚀和摩损严重的场合，可选用较厚的翅片。

好了，在本节最后，请放松一下，欣赏一张“靓丽”的翅片管照片。

并请考虑：

为甚么这些翅片管与我们所熟悉的如此不同？

它们都是用在甚么地方呀？

第三讲:

：

翅片管束

主讲人：

哈尔滨工业大学刘纪福教授

前两节讲述了翅片管的传热原理和结构特点，主要针对单支翅片管而言。

本节要讲述的是翅片管束，是更接近翅片管应用的一个课题。

本节将引用较多的翅片管换热器的照片，其目的在于增加对翅片管换热器的感性认识，即增加一点“阅历”吧，为以后讲述翅片管换热器的设计做必要的准备。

1翅片管束的定义：

由多支翅片管按一定规律排列起来而组成的换热单元叫翅片管束（FinnedTubeBundle）.一个翅片管换热器可以由一个或多个翅片管束组成。

对翅片管束的了解有助于翅片管换热器的设计和应用。

2翅片管束的组成：

（1）翅片管（多支），是传热的基本元件；

（2）管箱（集箱）或管板：

连接翅片管两端的箱体，弯管或钢板。

当翅片管与箱体或管板连接以后，翅片管之间的间距也就固定了，同时，管箱使管内的流体形成了连续的流道。

（3）构架：

使整个翅片管束得以支撑和固定。

下面，是两张翅片管束的照片。

第一张照片显示，管箱或弯管将各翅片管连接起来；而第二张照片则没有看到管箱，而只是将各翅片管按一定规律“架”在一起，为什么？

原来这是一个热管管束，热管是不需要管箱的，以后会讲到这一点。

左边的第一个管束有两个管箱，很显然，一个是进口管箱，一个是出口管箱，中间用弯管相连

下图所示的翅片管束是一组热管式空予器的翅片管束，由图可见共有七排管组成，端部虽没有管箱，但管板是不可缺少的，用管板将各热管（翅片管）定位。

3翅片管的排列方式

在一个管束中，翅片管排列方式的选取是致关重要的。

有两种排列方式：

顺排和叉排。

如下图所示：

所谓叉排，是指在气流方向管子交叉排列，而顺排是指在气流方向管子顺序排列。

下图是指对于不同翅片结构的翅片管，如矩形翅片或整体的板状翅片（又称板翅），同样有叉排和顺排之分。

图中的箭头代表管外流体的流动方向，S1代表横向管间距，S2代表纵向管间距。

顺排和叉排的优缺点：

顺排：

流体管外绕流时，受到的扰动较小，换热系数较低，但优点是阻力小；

叉排：

流体管外绕流时，受到的扰动较大，换热系数较高，但缺点是阻力大。

当对阻力降没有严格限制时，应首选叉排排列；当要求的阻力降很小时，应选取顺排方案。

管间距S1和S2的大小对换热和阻力也有很大的影响。

通常用相对值S1/Db和S2/Db来表示，这儿，Db为翅片管基管的直径。

有时也可以用与翅片外径Df的比值来表示。

对于叉排管束，经常采用等边三角形排列，又时也采用等腰三角形排列，下图所示的是在空冷器上所应用的几种等边三角形排列的尺寸规格。

4管箱的结构形式

如果说管束的排列形式（顺排或叉排，及管间距的选取）主要是考虑管外流体的换热要求而确定的话，那么管箱的形式和结构则主要是考虑管内流体的压力和换热要求。

一般应遵循下列原则：

（1）若管内流体的压力较高，一般选用大直径的圆管作为管箱，见下图（a）。

例如，在锅炉应用上，几乎都选用圆管作为管箱。

（2）在空冷器应用上，喜欢采用方形箱体，见图（b）。

方形箱体的优点是可以同时连接多排翅片管。

当管内是蒸汽的凝结时，需要有大的蒸汽空间，一个管箱与多排管子相连是必要的，见图©。

（3）当管内流体的进出口温度相差很大时，管箱可能会因为管排的热膨胀不同而变形，这时，宜采用分解式管箱，如图（d）所示。

（4）除了管束的第一排和最后排，必须采用相应的管箱连接之外，其它各排最好用弯管一对一连接。

其优点在于：

A、能提高换热效率。

理论证明，一对一连接能避免各排管流体的掺混，而流体的掺混使传热温差和传热效率降低；B，能减少流体的流动阻力。

因为一对一连接保证了流动截面积不变，避免了流体不断地膨胀和收缩；C，弯管能“吸收”热膨胀而产生的变形。

图（a）

图（b）

图（c）

图（d）

下面介绍几张翅片管束的产品照片，并分别加以评说：

这是一个很典型的翅片管束，第一排和末排采用大直径的圆管管箱，而中间各排采用一对一的弯管连接。

GOOD!

这台设备共有七排翅片管，每排十根管，分两个管程，共14个管程。

每一管程有一引出管，通过弯管与其他管程连接。

之所以选取这么多管程，可能是因为管内流体的流量太小所至。

这一组很漂亮的翅片管束都是由四排管组成。

除了圆管状的进出口管箱之外，其它都是一对一的弯管连接。

是合理而标准的管束结构。

这两组翅片管束都是采用的方形管箱，看来管内流体的压力不太高。

流体一面进一面出，可能用于采暖吧？

很显然，这台设备的每一排翅片管都用方形管箱将其分为两个管程，再用粗的弯管将各管程连接起来。

上图是一组空气冷却器的翅片管束。

可以看到，其中有方形管箱，圆管管箱，有一对一的弯管连接，也有的是全部用管箱进行连接。

好了，本讲座基本讲完了，主要内容是翅片管的排列方式和各种管箱的结构及优缺点，希望能对翅片管换热器的设计和应用会有所帮助。

致谢：

本讲所用的照片主要选自相关厂家的产品样本，特致以谢意。

最后，请欣赏一张翅片管束的照片，并回答下列问题：

1．铜管和铝翅片是怎样加工在一起的？

2．在整体的铝翅片上开了很多长方形的孔，起什么作用？

3．在铜管内表面还有很细的槽道，起什么作用？

4．请设想这种管束可用在什么地方？

第四讲：

翅片管束的换热和阻力

主讲人：

哈尔滨工业大学刘纪福教授

在第一讲和第二讲中，曾多次提到翅片管的管外换热系数（h）的概念,并提到由于空气侧或烟气侧的换热系数很低，需要采用翅片管的道理。

本节将要讲解换热系数的计算方法。

此外，当流体流过翅片管束时，须克服一定的流动阻力，因而会产生压力降△P，压力降越大，说明消耗的动力越大。

所以压力降的计算也是一个应该关注的问题，本节将同时介绍压力降的计算方法。

1．流体绕流翅片管束时的管外换热系数

首先，重温一下换热系数的定义：

换热系数是指当流体流过固体壁面时，单位时间，单位面积，单位温差时的换热量。

应注意，这儿说的单位温差是指固体壁面和流体之间的温差。

本讲座中，换热系数用h来表示，其单位是：

W/（m2.℃）.

在上节中曾提到，翅片管的排列有顺排和叉排之分，如下图所示。

由于顺排和叉排时流体的流动状态不同，因而其换热系数的计算式是不同的。

顺排流动叉排流动

所有翅片管束管外换热系数的计算式都是由实验得出来的，实验中要考虑很多因素的影响，因而所得出的结果又叫实验关联式。

不同研究者进行的实验可能会得出形式上不同的实验关联式，但在同一条件下的计算结果应该是相近的。

我们的任务就是选择信得过的关联式进行计算。

这儿，推荐Briggs和Young的实验关联式。

他们曾对十多种环形翅片管束进行了实验研究，所有的实验管束都是叉排排列，管心距呈等边三角形布置。

其标准误差在5%左右。

下面只介绍对于高翅片管束的实验结果：

当（df/db）=1.7~2.4,db=12~41mm时，

h=0.1378（λ／db）（dbGmax/μ）0.718（Pr）0.333（Y/H）0.296

式中，df，db：

翅片外径和基管直径;Y,H:

翅片间隙和高度；λ,μ和Pr分别为流体的导热系数，黏度系数和普朗特数。

根据流体温度查流体物性表得到;式中的Gmax是流体在最窄截面处的质量流速，单位是Kg/（m2.s）.

所谓最窄截面是指相邻两翅片管之间夹缝中的截面。

由上式可知，影响换热系数h最大的因素是流速，与Gmax的0.718次方成正比。

如何应用这一关联式进行计算，后面将通过一个例题加以说明。

1．流体绕流翅片管束的流动阻力

Robinson和Briggs对十多种叉排环形翅片管束进行了等温条件下的流动阻力测试。

实验范围是：

Re=（dbGmax/μ）=2000~50000

Pt/db=1.8~4.6,此处，Pt即插图中的S1,为横向管间距；

df/db=1.7~2.4

db=12~41mm

阻力即压力降的表达式为：

△P=f×（NG2max）/2ρ单位是Pa

上式中，N是纵向管排数，f是摩擦系数，是一个无因次数。

对于按等边三角形排列的管束，由下面的实验关联式计算：

f=37.86（dbGmax/μ）–0.316（Pt/db）–0.927

由上两式可见，影响翅片管束压力降△P的主要因素是：

第一是流速，与Gmax的2－0.316=1.684次方成正比；第二是管间距，几乎与Pt的一次方成反比。

所以，为了降低阻力，可以选用较大的管间距和降低流体的流速。

3计算举例

有一翅片管束，等边三角形叉排排列，其迎风面积为2m×2m,流过管束的空气流量为32000kg/h，该翅片管束的几何结构为：

CPG（φ38×3.5/70/6/1）------（关于这一表示的含义请看第二讲）

管间距：

92，纵向（流动方向）的管排数为10排。

空气的进口温度为20℃，而出口温度为100℃。

试计算空气流过该管束时的对流换热系数和压力降。

3-1查取在平均温度下的流体物性：

平均温度=（20+100）/2=60℃，在此温度下空气的物性值为：

密度：

ρ=1.06kg/m3黏度：

μ=20.1×10–6kg/（m.s）

导热系数：

λ=0.029W/（m.℃）普朗特数：

Pr=0.696

3-2计算流速：

迎风面上的空气质量流速：

Gf=32000/3600/（2×2）=2.22kg/m2s

最窄截面积/迎风面积

[（Pt×1000）－（2×db/2）×1000－（1000/6）×T×H×2]/（Pt×1000）

=（92×1000－38×1000－166.6×1×16×2）/（92×1000）=0.529

最窄截面上的质量流速：

Gmax=Gf/0.529=2.22/0.529=4.2kg/m2.s

3-3计算换热系数

h=0.1378（0.029/0.038）（0.038×4.2/（20.1×10-6））0.718×0.6960.333×（5/16）0.296=34.3W/（m2℃）

经计算并参阅第二讲，该翅片管的翅化比为8.72，翅片效率为0.78,这样，以基管外表面为基准的换热系数为：

h=34.3×8.72×0.78=233W/