【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。
本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至 2312790195@qq.com或下方在线留言,一经查实,本站将立刻删除。 如若转载,请注明出处:https://www.xinzechang.com