翅片管、热管系列讲座

翅片管/热管系列讲座 刘纪福教授的工作经历 11961 毕业于哈工大动力系汽轮机和燃气轮机专业，留校后长期从事传热学（本科）和相变传热（研究生）的教学工作。因研制系列教学实验设备而获得国家教委颁发的优秀教学成果国家级特等奖（获奖者之一）。曾任热工教研室副主任和主任。 2自 70 年代初，就开始下工厂，到现场，为相关企业进行产品开发和技术服务。其中，帮助哈空调厂开发空冷器产品并进行翅片管研究，于 1978 年参与获得第一届全国科学大会奖（空冷器和湿式空冷器）； 3 7 0 年代末开始转入以节能为目的的热管研究，并与哈空调厂合作于 80 年为抚顺石油二厂生产了我国第一台接近水平放置的可拆卸的热管空预器，并成功应用，后来得到石油部的科技奖励。 4积极推广热管技术，81 年成立全国最早的热管协会-哈尔滨热管协会，任理事长；在后来成立的东北热管协会中历任副理事长和理事长。 51983 年 6 月，在国家科协和哈尔滨热管协会有关单位的支持下，积极推动，组织了全国第一届热管会议在哈尔滨的召开。同年 8 月，受中国科协的委托，在哈尔滨主办了全国第一届热管学习班，编写了讲义，并担任主讲。以后，以东北热管协会的名义，组织了多次年会和学术活动，促进热管技术的推广。 6出国进修和国际间的学术交流： * 曾赴日本通产省工业技术院进行短期的高温热管的试验研究（with.Dr.T.Yamamoto）; * 作为访问学者，曾赴美国 Michigan State Uui. 进行混合介质的相变传热研究（with Prof. J.Lloyd）; * 曾参加多届国际热管会议，并曾担任两届会议的国内组委（之一）； * 曾推动哈尔滨热管协会和东北热管协会与日本热管协会联合召开热管技术研讨会四次（分别在中国和日本）；也经常在各自的年会上进行交流； * 曾被邀请任日本热管协会会员（多年）。 7相关出版物：（1）工程对流换热（参编）；（2）空气冷却器（主编之一）；（3）实用余热回收和利用技术（与山本格（日）等合编）；（4 ）热管换热器内部讲义，主编。此外，发表了几十篇相关论文。 8多年来，参与多项余热回收和利用工程和热管换热器及相关设备的设计，积累了比较丰富的经验，所涉及的工程领域有： * 电厂的余热回收：热管式空气预热器和省煤气； * 炼钢厂的余热回收：高炉热风炉热管空气预热器，烧结工艺的热管余热锅炉，各种炼钢炉排气的余热回收系统，等； * 石油化工厂，化肥厂的余热回收； * 工业锅炉，供暖锅炉，工业窑炉的余热回收； * 空调设备排气的余热回收，低温热管换热器； * 冻土热管和自然能的利用，蓄热技术； * 热管用于电器元件的冷却和散热； * 热风炉及各种热管式供暖炉。 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“Fin Tube” 或” Finned Tube”, 也有时叫做“Extended Surface Tube”, 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： l 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； l 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； l 还和流体的流速和固体表面的形状有关。等等。 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： l 水蒸汽的凝结： h = 10000 -20000 W /(* ) l 水的沸腾 ： h = 7000-10000 , l 水的对流 ： h = 3000-5000 , l 空气或烟气的强制对流： h = 30-50 , l 空气或烟气的自然对流： h = 35 , 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（CHIPIAN GUAN ） 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 ( Db/ Df / P / T X /Y A )其中 ： CPG ：翅片管； Db ：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 ( 323.5 / 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“ ”来表示，即 = （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 ( 252.5 / 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 /4 (Df2-Db 2) 2+DfY =0.775 m21 米管长上的裸管面积，即翅片之间的光管面积 Ao = Db1(P-T)/P = 3.1416 0.025 1 3/4=0.0589 m21 米管长上的光管面积 Ab =3.14160.025= 0.0785 m2翅化比 = (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 = （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=50 W/m2. 的条件下计算出来的。 表1 翅片的结构特性 有效性 （ ）翅片规格 翅化比 翅片效率 讨论 * -推荐程度 CP（25/50/6/1Fe ） 7.4 0.82 6.07 * CP（25/55/6/1Fe ） 9.2 0.78 7.18 * CP（25/55/6/1Al ） 9.2 o.92 8.46 * CP（32/62/8/1Fe ） 6.62 0.78 5.16 * CP（32/70/8/1Fe ） 8.71 0.71 6.18 * CP（32/62/6/1Fe ） 8.49 0.78 6.62 * CP（38/68/8/1Fe ） 6.32 0.79 4.99 * CP（38/76/8/1Fe ） 8.25 0.72 5.94 * CP（38/68/6/1Fe ） 8.10 0.79 6.40 * CP（51/81/8/1Fe ） 5.92 0.81 4.80 * CP（51/89/8/1Fe ） 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 ) / 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 Af , 故上式可简化为： ho = h (AO + Af )/Ab = h 由此可见，翅化比和翅片效率的乘积（ ）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（ ）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=50 W/ （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=505.94=297 W/(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