【HETA】翅片管的传热原理、选用原则和翅片管束的结构构成

在换热器中，很多时候传热两侧流体的换热系数大小不平衡，通常我们会在换热系数小的一侧加装翅片。这是为什么呢？翅片管又是什么？结构什么样？应用原则是什么？今天我们来了解。

一：翅片管定义

1、什么是翅片管？

翅片管，又叫鳍片管或肋片管。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。

2、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呢？

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。这使得其结构更加紧凑，换热面积增加，可以加强换热。

3、使用翅片的传热学知识

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。

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：

1）水蒸汽的凝结:h = 10000---20000 W/(㎡* ℃)

2）水的沸腾:h =7000---10000

3）水的对流:h =3000---5000

4）空气或烟气的强制对流:h =30---50

5） 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。

二：翅片管选用原则

 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。

三：翅片管束的构成

1、什么是翅片管束？

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。一个翅片管换热器可以由一个或多个翅片管束组成。

2、翅片管束的结构组成包括？

• 翅片管（多支）：传热的基本元件。

• 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。

• 构架：使整个翅片管束得以支撑和固定。

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：叉排和顺排。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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：

• 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。

• 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。

• 弯管能“吸收”热膨胀而产生的变形。

最后我们来看一组翅片管束的图片：