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翅片管热管换热器的传热原理

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。
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 ---20000 W/(㎡* ℃)
水的沸腾 : h = 7000---10000 W/(㎡* ℃)
水的对流 : h = 3000---5000 W/(㎡* ℃)
空气或烟气的强制对流:h = 30---50 W/(㎡* ℃)
空气或烟气的自然对流:h = 3—5 W/(㎡* ℃)
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。
翅片管热管换热器的传热原理
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。


QY-RG32翅片管式热管换热器实验装置

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QY-RG32翅片管式热管换热器实验装置

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