翅片管和热管系列讲座1

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 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 3 5 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 32 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 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 25 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 4 Df2 Db 2 2 Df Y 0 775 m2 1 米管长上的裸管面积 即翅片之间的光管面积 Ao Db 1 P T P 3 1416 0 025 1 3 4 0 0589 m2 1 米管长上的光管面积 Ab 3 1416 0 025 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 翅片规格翅化比 翅片效率 有效性 讨论 推荐程度 CP 25 50 6 1 Fe 7 40 826 07 CP 25 55 6 1 Fe 9 20 787 18 CP 25 55 6 1 Al 9 2o 928 46 CP 32 62 8 1 Fe 6 620 785 16 CP 32 70 8 1 Fe 8 710 716 18 CP 32 62 6 1 Fe 8 490 786 62 CP 38 68 8 1 Fe 6 320 794 99 CP 38 76 8 1 Fe 8 250 725 94 CP 38 68 6 1 Fe 8 100 796 40 CP 51 81 8 1 Fe 5 920 814 80 CP 51 89 8 1 Fe 7 600 735 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 50 5 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 Finned Tube Bundle 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 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 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 d b 1 7 2 4 d b 12 41 mm 时 h 0 1378 db db Gmax 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 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 db Gmax 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 41 mm 阻力即压力降的表达式为 P f N G2max 2 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 db Gmax 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 32000 kg h 该翅片管束的几何结构为 CPG 38 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 1 06 kg m3 黏度 20 1 10 6 kg m s 导热系数 0 029 W 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 22 kg m2 s 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 2 kg 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 3 W 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 78 233 W m2 3 4 计算压力降 首先计算摩擦系数 f 37 86 0 038 4 2 20 1 10 6 0 316 92 38 0 927 0 9946 流过 10 排管束的压力降 P f 10 4 2 2 2 1 06 82 76 Pa 对于每一排管的压力降 82 76 10 8 276 Pa 4 计算表格 上面的计算过程表明 翅片管的管外换热系数和压力降的计算还是比较复杂的 对于非专 业人士会有一定的困难 因此 下面给出若干组已经计算好的数据 可供选用和参考 见 下表 气体绕流翅片管束时的换热系数和流动阻力计算表 h W m2 P Pa 迎风面质量流速1 234 Kg m2 S Kg m2S Kg m2S Kg m2S Kg m2S 翅片规格 CP 25 50 6 1 Pt 60 mm h 29 0 P N 3 0 h 47 8 P N 9 5 h 64 P N 18 7 h 78 7 P N 30 4 翅片规格 CP 25 50 6 1 Pt 65 mm h 27 7 P N 2 4 h 45 5 P N 7 8 h 64 0 P N 15 5 h 78 7 P N 25 2 翅片规格 CP 25 55 6 1 Pt 65 mm h 26 7 P N 2 5 h 43 8 P N 8 1 h 58 7 P N 16 1 h 74 3 P N 28 0 翅片规格 CP 25 55 6 1 Pt 70 mm h 25 5 P N 2 1 h 42 0 P N 6 9 h 56 2 P N 13 6 h 69 0 P N 22 0 翅片规格 CP 32 62 8 1 Pt 76 mm h 27 6 P N 2 6 h 45 4 P N 8 3 h 60 7 P N 16 4 h 74 6 P N 26 6 翅片规格 CP 32 70 8 1 Pt 85 mm h 25 0 P N 2 2 h 41 1 P N 6 9 h 54 9 P N 13 7 h 67 5 P N 22 3 翅片规格 CP 32 62 6 1 Pt 76 mm h 25 7 P N 2 8 h 42 3 P N 8 9 h 56 6 P N 19 6 h 69 6 P N 28 5 翅片规格 CP 38 68 8 1 Pt 80 mm h 28 5 P N 3 3 h 46 9 P N 10 6 h 62 7 P N 20 9 h 77 1 P N 34 0 翅片规格h 26 8h 43 8h 58 5h 72 0 CP 38 68 8 1 Pt 88 mm P N 2 4 P N 7 9 P N 15 7 P N 29 8 翅片规格 CP 38 76 8 1 Pt 90 mm h 24 8 P N 2 5 h 40 9 P N 8 1 h 54 7 P N 16 0 h 67 2 P N 26 0 翅片规格 CP 38 68 6 1 Pt 80 mm h 26 4 P N 3 5 h 43 5 P N 11 2 h 61 6 P N 25 4 h 75 8 P N 41 2 翅片规格 CP 51 81 8 1 Pt 95 mm h 28 6 P N 4 1 h 47 0 P N 13 2 h 62 9 P N 26 2 h 77 3 P N 42 5 翅片规格 CP 51 89 8 1 Pt 104 mm h 25 0 P N 3 4 h 41 1 P N 10 9 h 55 0 P N 21 7 h 67 6 P N 35 2 平均数值h 26 7 P N 2 8 h 43 9 P N 9 1 h 59 2 P N 18 4 h 72 3 P N 29 8 上表的说明 1 计算的流体平均温度为 100 适用与空气或烟气 2 翅片按等边三角型叉排排列 N 代表流动方向上的管排数 3 翅片规格 见第二讲中的说明 4 迎风面质量流速 是指流体在进入管束之前 单位流通面积 单位时间 每秒 流过 的流体质量 kg 应用方法 1 计算或选择 迎风面质量流速 和 翅片规格 2 在上表中找到相近的对应值 从而查取 h 和 P 值 如果您在应用上表时仍感到有点麻烦 也不妨由表中最后一行的 平均数值 直接选取 不过 大约会有 20 左右的误差 同时 该平均值仅适用于高频焊翅片管束的常用规格 5 关于翅片管换热系数和压力降的讨论 1 和其他换热器一样 换热系数高说明可节省传热面积 减少设备的一次投资 而压 力降大 说明设备的阻力大 运行费用大 增加了二次投资 2 在结构参数一定的情况下 换热系数和压力降都随着流速的增大而增大 由本讲推 荐的计算公式可知 翅片管束的换热系数 h 与质量流速的 0 718 次方成正比 而压力降 P 与质量流速的 1 684 次方成正比 3 当用户对压力降有很苛刻的要求时 如要求整个翅片管换热器的压力降须控制在 100 Pa 以内 这时应采取的措施是 1 扩大迎风面积 减小迎面风速 2 扩大管间 距 进一步减小最窄截面处的质量流速 请注意 这时您付出的代价是 换热系数减小 换热面积增大 4 当用户对压力降没有明确要求 或要求比较宽松时 作为设计者 您可以选用较大 的质量流速 使结构更为紧凑 5 在积灰比较严重的场合 还需要保证一定的流速 以使流体 烟气 具有一定的自 吹灰能力 好了 在本讲的最后 介绍一种特殊型式的翅片管 椭圆型翅片管 其基管是椭圆形的 而翅片是方型的 如下图所示 这种管型的优点是 换热系数大而阻力小 就像轿车的外型设计一样 基管接 近流线型 比圆管的阻力小 其缺点是 加工制造的成本较高 第五讲 热物性参数和单位 主讲人 哈尔滨工业大学刘纪福教授 在第四讲中 介绍了与翅片管相关的计算式 其中 多次应用流体的物性参数 如流体的 密度 粘度 导热系数 等等 每一种流体都有它自己的独特的物理参数 就像生物科学 中的 基因 一样 这些物性参数构成了流体本身区别于其它流体的特性 例如 大家所 熟知的空气和水 物理性质是截然不同的 拿密度而言 在常温下水的密度为 1000 kg m3 而空气的密度仅为 1 2 kg m3 左右 与热有关的物性叫热物性 由于流体的热物性对传热 和阻力都有极大的影响 而且是计算和设计中不可缺少的数据 因而本讲将要介绍几种常 用流体的热物性参数 应当指出 几乎所有的物性参数都是通过大量的细致的实验得出来 的 并有相关的专著可供选用 1 空气 烟气 水 水蒸气的热物理性质表 考虑到翅片管换热器的应用特点 管外翅片侧主要与空气或烟气打交道 而管内流动的主 要是水和水蒸气 偶尔也有其他流体 如制冷剂等 所以下面给出的热物性表基本上能满 足翅片管换热器的计算要求 见下面相关附录 附录 8 干空气的热物理性质 上表适用于 1 个大气压 100000 Pa 下的空气 对于在管道中流动的空气 在鼓风机 或引凤机的作用下 其压力可能在大气压上下波动 但一般波动幅度不超过 1 个大气压的 1 故上表仍是适用的 附录 9 大气压力下烟气的热物理性质 附录 10 饱和水的热物理性质 附录 11 干饱和水蒸气的热物理性质 附录 13 几种饱和液体的热物理性质 2 几个常用单位的说明 1 力的单位 从中学物理知道 力 质量 加速度 对于 1 kg 质量的物体 当其加速 度为 1 m s2 时 就构成了力的单位 牛顿 N 所以 1 N 1 kg 1 m s2 1 kg m s2 2 压力或压强单位为 Pa 因为 压力 力 面积 即单位面积上承受的力 所以 1 Pa 1 N 1 m2 1 kg m s2 应该记住 1 个大气压 100000 Pa 105 Pa 0 1 MPa 兆帕 3 功 能量 热量的单位 由中学物理可知 功 力 距离 单位是焦耳 J 1 J 1 N 1 m 1 kg m2 s2 应当记住 热量是能量的一种 其单位同样是焦耳 J 或千焦耳 KJ 4 功率的单位 单位时间做的功叫功率 其单位是我们所熟知的瓦 W 1 W 1 J s 或 1 KW 1 KJ s 5 目前 工程上经常用千卡或大卡 Kcal 作为热量的计量单位 1 千卡的物理含义是 1 公斤的水温度升高 1 度或降低 1 度所吸收或放出的热量 这一工程单位正逐渐被国际单 位千焦 KJ 所代替 二者的换算关系为 1 KJ 0 2388 Kcal 或 1 Kcal 4 1868 KJ 1 KW 1 KJ s 0 2388 Kcal s 860 Kcal h 例如 有一台锅炉 热负荷为 1200000 Kcal h 其对应的 KW 数为 1200000 860 1395 KW 2 700 KW 1 4 MW 1 MW 106 W 3 物性表的应用举例 对于没有学过相关专业课程的人士 要掌握各物性的含义并正确地应用是有一定困难的 只能循序渐进地熟悉它 下面 通过几个小例子来练习一下 1 有一热风炉 所产生的热风在 200 时的体积流量为 40000m3 h 试将其换算成质量 流量 kg h 由上面的空气物性表查得在 200 下的空气密度 0 746 kg m3 则空气的质量流量为 G 40000 m3 h 0 746 kg m3 29840 kg h 8 29 kg s 进一步将上述质量流量换算成 0 下的体积流量 即标准立方米每小时 Nm3 h 由上表查得 在 0 下的空气密度为 1 293 kg m3 则在标准状况下的体积流量为 V 29840 kg h 1 293 kg m3 23078 Nm3 h 请记住 质量流量 kg h 或标准体积流量 Nm3 h 在流体的流动和换热过程中是保持 不变的 是不随温度而变化的 2 在物性表中 有一个与热量计算有关的物理量 比热 Cp KJ kg 其物理意义从 单位的表述中可以得知 1kg 质量的物体 当温度产生 1 的变化时 该物体含有的热能 的变化 KJ 试问 对于 1kg 的 800 的高温烟气 其含有的热能是多少 由烟气物性表查得 800 下 的比热 Cp 1 264KJ kg 则 1kg 烟气所包含的热能为 800 1 264 KJ kg 1011 2 KJ kg 如果在经过换热器之后 烟气的温度降至 200 问这时该 1kg 烟气所包含的热能是多少 首先 查取 200 时的烟气比热 Cp 1 097KJ kg 则 1kg 烟气的热能为 200 1 097 KJ kg 219 7 KJ kg 3 在饱和水的热物理性质表中 应当关注的是饱和温度 t 和饱和压力 的对应关系 所谓饱和状态 是指在一个只有水和水蒸汽共存的密闭容器中 在 这一对应的饱和温度和饱和压力下 液体变成蒸汽的分子数等于蒸汽变成液体的分子数 即处于相对的平衡状态 试问 一台产生 饱和蒸汽的锅炉 其蒸汽的出口温度是多少 由水蒸汽热物性表查得 0 6 对应的蒸汽温度约为 158 4 在饱和水和饱和水蒸气的热物性表中 还应当关注的是两个热焓值 饱和水的热焓 h 和饱和蒸汽的热焓 h 其单位为 KJ kg 物理意义是一公斤质量的介质所包含的 热能 热能的计算起点是 0 例如 100 下水的焓值 h 419 1 KJ kg 而 100 下 水蒸气的焓值为 h 2675 7 KJ kg 二者的差值 2675 7 419 1 2256 6 KJ kg r 此处 r 叫汽化潜热 是水蒸气热物性表中的另一个重要物理量 好了 这一讲就讲到这儿 物性和单 位在以后各讲中会经常用到 慢慢就熟悉了 下面有一个思考题 有人说 他发明了一种 热管介质 在水中加入了少量的缓蚀剂之后 这种介质可以承受各种热源温度 甚至在 1200 下 热管内部压力不超过 2 公斤 即不超过 2 105 Pa 您认为有可能吗 第六讲 热负荷和热平衡 主讲人 哈尔滨工业大学刘纪福教授 在以上几讲的基础上 从本讲开始将逐步讲述翅片管换热器的设计计算方法 众所周知 翅片管换热器是庞大的换热器家族中的一种 其设计计算肯定要基于共性的和 基础性的设计计算原理和方法 本讲座将尽量突出翅片管换热器的 个性 和特点 并尽 量做到联系工程实际 通俗易懂 本讲的主题是换热器中的两个基本概念 热负荷和热平衡 并通过多个实例来掌握它的应 用和计算 1 热负荷 对一个换热设备来说 热负荷就是指换热量或传热量 即在单位时间内所交换的热量 单 位是 KW KJ S 或 Kcal h 千卡每小时 请记住二者的换热关系 1 KW 860 Kcal h 工程上热负荷常用 Q 来表示 在翅片管换热器的设计中 热负荷通常并不是由用户直接提出来的 而是由设计者根据用 户的实际需求和现场的技术参数计算出来的 下面举几个实例加以说明 例 1 有一个供热公司要为一台供暖用的 10t h 热水锅炉安装一台翅片管式省煤器 希望 将排烟温度从 220 C 降至 120 C 烟气流量说不准 可能是 2 万多立方米每小时 并告知 引风机的型号和流量 为了确定省煤器的热负荷 设计者要从用户那里获取尽可能多的与排烟量有关的信息 如 燃煤量 煤的热值 锅炉是否满负荷运行 风机型号等 最后根据自己的经验帮助用户确 定排烟量的设计值 16000Nm h 然后按下式计算省煤器的热负荷 Q Gg Tg1 Cpg1 Tg2 Cpg2 KW 此处 Gg 烟气的质量流量 kg s Cpg1 Cpg2 烟气的入口处比热和出口处比热 查物性表 KJ Kg C Tg1 烟气入口温度 C Tg2 烟气出口温度 C 在本例中 Gg 16000 1 295 3600 5 755 kg s Cpg1 1 102 KJ Kg C Cpg2 1 074 KJ Kg C Tg1 220 C Tg2 120 C 1 295 是烟气在 0 C 时的密度 kg m3 计算得 Q 653 KW 应当记住 烟气 或空气 在某一温度下含有的热能可以通过下式计算 Qg Gg Tg Cpg 例 2 有一燃气加压站 希望设计一台翅片管式空气冷却器 将压缩后的燃气从 134 C 降至 50 C 燃气流量为 7500Nm h 其结构特点是 管内走燃气 管外加翅片 由空气 冷却 空气侧的流量不确定 热负荷 Q 值同样由燃气侧的已知条件计算 Q Gg Cpg Tg1 Tg2 7500 1 295 3600 kg s 1 07 KJ Kg C 134 50 C 242 KW 此处 燃气的比热 Cpg 取的是平均温度下的数值 例 3 在冬天 某工厂想将一台已有的 1 t h 蒸汽锅炉用于车间的供暖 具体方案是选用 一台翅片管式蒸汽 空气换热器 用锅炉产生的 0 8 t h 150 C 的饱和蒸汽加热空气 希望 将空气从 0 C 加热到 100 C 蒸汽凝结后的凝结水温度为 120 C 为了选择风机 要求 计算风量 这一课题的热负荷应该认为是已经给出了 只需简单的计算一下 首先应从相应的热物性 表查出 150 C 下饱和蒸汽的焓值 i 2745 3 kJ kg 和 120 C 的饱和水的焓值 i 503 7 kJ kg 则热负荷为 Q 800 3600 s 2745 3 503 7 KJ kg 498 KJ s 498 KW 对空气侧 有下列关系式 Q Ga Cpa Ta2 Ta1 式中 Ga 空气流量 s Cpa 1 005 KJ Kg C 空气比热 按平均温度查表 Ta2 100 C 空气出口温度 Ta1 0 C 空气入口温度 由上式解出 Ga Q Cpa Ta2 Ta1 4 96 kg s 17840 kg h 13800 Nm3 h 例 4 有一个小型钢铁厂 拟在其烧结炉的高温排气段装一台翅片管余热锅炉 高温段 的平均排烟温度为 320 C 烟气流量大约为 70000 Nm h 希望产生的饱和蒸汽压力为 0 6MPa 试计算可以回收利用的热负荷 首先 在这一命题中并没有给出烟气的出口温度 因此 需要选择一个合理的烟气出口温 度 并与用户协商 该余热锅炉所产生的 0 6MPa 的饱和蒸汽对应的饱和温度可由热物性表查出 tv 158 C 由此确定烟气出口温度应该大于 158 C 最后协商确定烟气出口温度取 Tg2 190 C 回收热负荷 Q Gg Cpg Tg1 Tg2 70000 1 295 3600 1 11 320 190 3633 KW 由上面的几个实例可知 计算热负荷应遵循下面几条原则 1 对用户给出的参数按 热流体侧 和 冷流体侧 进行分类比对 如 序号热流体侧序号冷流体侧 1热流体进口温度4冷流体进口温度 2热流体出口温度5冷流体出口温度 3热流体流量6 冷流体流量 一般只需给出上述六个量中的 5