【HETA】 换热器翅化比、翅片效率和翅片参数的选择
之前跟大家分享了翅片管的传热原理和选用原则。本期内容我们就来探讨下翅片管的两个重要概念：翅化比和翅片效率。另外分享下翅片参数的选择问题。
一：翅片管和翅片结构的标注方法（建议）
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 ( 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)；其他待定。见下图的标示。
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:
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。
二：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”
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-Db 2) ×2+π×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 = π×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
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。
三：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。
表—1 翅片的结构特性
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。
四：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 <<Af ,故上式可简化为:
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=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.℃)。
五：翅片参数选择的原则
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。
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:
（1）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。
（2）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。
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。