宿州白铜不锈钢内翅片换热管,圆形翅片换热管的优化设计

【摘要】本文以网带炉氢-水换热器为例，探讨了圆形翅片换热管设计过程中材料、翅片厚度、翅片间距和翅片高度的选择。 ，通过理论分析和计算，得到其最优解，以指导设计工作。

【关键词】翅片管； 换热管材质； 翅片效率； 翅片高度； 优化设计

圆形翅片管换热器是最常用的一种紧凑型换热器（热）。 根部翅片管形状。 一种网带炉氢水换热器（以下简称“网带炉换热器”），管内工质为冷却水，管外（翅片侧）工质为氢气，对流换热两侧传热系数相差20倍，换热管采用螺旋翅片管形式。

一般在设计翅片管换热器时，其排列方式较容易确定，多采用等边三角形排列方式。 在设计换热管时，基管的尺寸大多是根据管内流体流量按标准选择的，但很难确定换热管的材料、翅片的厚度和间距，鳍片的高度等，常常让设计师别无选择。 本文分别对这三个问题进行讨论，得到它们的最优解，为翅片换热管的设计提供依据。

1 换热管材质的选择

1.1 基板材料的选择

在管内外热阻一定的情况下宿州白铜不锈钢内翅片换热管，基管导热系数越小越好，即导热系数越大越好。 一般常用的换热管材料为铜管和不锈钢304管，因为铜的导热系数（300K时约380W/m·K）高于不锈钢304（300K时约18W/m·K） ) 20次以上，所以铜??管常用于对传热性能要求高的场合。 网带炉换热器原装德国进口，基管材质为铜管。

但是，我国铜的储量并不高，很多依赖进口。 使用铜管作为换热管的材料会使换热器的成本过高。 此外，铜的耐蚀性较差。 某钢厂过去在连续退火炉的氮水换热器中使用铜管。 停炉时，铜管表面氧化。 开炉时宿州白铜不锈钢内翅片换热管，氮气将换热管表面吹入炉内，造成炉内钢板表面质量缺陷。 网带炉换热器每炉前经过长时间吹扫，所以目前没有出现以上问题，但在对工件表面质量要求高的热处理炉中，不宜使用铜管作为换热管。

换热管基管采用不锈钢304管，具有良好的耐腐蚀性能。 虽然其导热系数较低，但考虑到在翅片管换热器中，基管的热阻只占整个换热过程热阻的10%，整个换热过程的热阻为主要体现在对流换热过程中。 系数较低的一侧（即气体侧），因此用不锈钢管代替铜管造成的导热系数损失是可以接受的。

1.2翅片材料的选择

决定综合传热系数的主要因素有管内/外对流换热系数、管内/外传热面积、基管尺寸和材质、总效率翅片管。 翅片材料的选择主要影响翅片管的总效率。 N为每米翅片数，Af为单翅片面积，ηf为单翅片效率，Lf为等效翅片高度，L为翅片高度，h为对流传热系数， λ为翅片导热系数，t为翅片厚度，df为翅片外径，单位为国际单位制。

在其他结构参数和热参数不变，仅更换翅片材料的情况下，翅片总效率ηo是单翅片效率ηf的递增函数，一般ηo略高于ηf； 单翅片效率ηf是片材导热系数λ的增函数。 以网带炉换热器为例，当mLf=2时，ηf=0.48； 若翅片材料改为2倍λ，则mLf=1.414，ηf=0.63，增加30%； 若更换翅片材料为10倍λ，则mLf=0.63，ηf=0.89，增加84%。

提高翅片效率必然会提高整体传热系数。 一般来说，翅片侧的热阻占整个传热阻力的60%～80%。 如果翅片效率提高一倍，总热阻可降低30%至40%。 换句话说，整体传热效率将增加。 大 30% 到 40%。 因此，应优先选用导热系数较高的材料作为翅片。

工业上常用铝或铝合金（300K时导热系数约为170-230W/m·K）作翅片，圆形翅片管由钢管在张力作用下缠绕制成，但应注意铝的高热膨胀工作温度应限制在100°C以下，否则会降低张力，导致翅片松动，接触热阻会大大增加。 网带炉换热器最高氢气入口温度为100℃，因此采用铝翅片。

2 翅片间距和厚度的选择

2.1 翅片间距

h0除了工作流体本身的物理特性外，主要由最大质量流量Gmax、翅片间距Sf、翅片高度L决定，其中Gmax影响较大，Sf和L影响较小.

显然，增大翅片间距，虽然Sf增大，但同时会减小Gmax，ho必然减小。 虽然增加Sf会降低N，增加翅片总效率ηo，但一般情况下，这种影响不大，但降低Ao的效果比较大。 最终结果是翅片侧的热阻增加，换热器尺寸增大，这在设计中通常是要避免的。 因此，在可能的情况下，应使 Sf 尽可能小。 但是，Sf 不能无限减少。 考虑到边界层的存在，Sf应保证边界层厚度大于两倍，否则相邻两翅片之间的流动变为层流，不利于传热。

另外，减少翅片间距会增加翅片侧的流体阻力，增加机械能消耗，因此应结合实际需要反复计算考虑。

2.2 翅片厚度

增加翅片厚度的好处是增加Gmax，从而增加ho，同时略微增加ηf，但会明显降低Ao，增大换热器尺寸，增加材料消耗。 对于热交换器的设计是不利的。 因此，在可能的情况下，应使用薄翅片。

3 翅片高度的选择

翅片的高度不是越高越好。 虽然增加翅片高度可以增加换热面积，但翅片的效率也迅速下降。 当翅片高度超过一定值时，增加的换热面积经过翅片效率的换算就变得无用了。 意义。 因此，从理论上讲，必须有一个合适的高度，才能使整个换热面积最小化，使Ao最大化。

在工程中，可以通过试错来解决问题。 在确定了换热管的材料、翅片厚度和翅片间距后，换热面积Ao只是翅片高度L和迎风面积Afr的二元函数。 例如网带炉换热器的翅片管，基管为Φ19×2不锈钢304无缝钢管，翅片为铝材（1000系列），翅片厚度为0.2mm，翅片间距为2.5 mm（不含翅片厚度），翅片外径由35mm改为60mm（即翅片高度由8mm改为20.5mm），迎风面积由0.5m2增加至2m2。

在设计换热器时，除了必须考虑的传热效果外，还必须计算和校核换热器的热阻。 但实际上，对于气体等低密度流体，换热器克服摩擦阻力消耗功率的机械能很容易超过所能传递的热能。 在大多数情况下，机械能的价格是类似热量的 4 到 10 倍 [1]。 此外，对于本例中的氢水换热器，还必须遵守国家对氢气的安全规定，即不锈钢管中氢气的流量限制不得超过25m/s[2]。

翅片高度和迎风面积的减小将迅速增加换热器中氢气的流速。 当迎风面积为0.5平方米时，翅片高度小于42mm时，超过国家安全标准，是绝对不允许的。 根据工程经验，翅片效率ηo一般取0.6～0.75之间。 本例中，翅片高度在10~15mm之间，迎风面积在1~1.5m2之间。 这个选择是合适的。

4。结论

本文对圆形翅片换热管的材料、翅片厚度、翅片间距、翅片高度进行了探讨，选取了最优设计方案。 结果如下：

(1)基管材质对整体传热过程影响不大，一般可采用不锈钢304。 铜管可用于要求较高的场合，但不适用于对表面质量要求较高的热处理炉。 翅片的材料对整个传热过程有很大的影响。 一般应尽可能选择导热系数高的材料。

(2)翅片厚度和间距宜小一些，但不宜小于边界层厚度的两倍。

(3)翅片高度的选择应使翅片效率在0.6～0.75之间。

【参考】

[1] 宣益民． 紧凑型换热器[M]． 北京：科学出版社，1997．

[2] GB 50177-2005 加氢站设计规范[S]． 北京：中国计划出版社，2005。