圓形翅片換熱管的優(yōu)化設(shè)計

白艷偉

（上海嘉德環(huán)境能源科技有限公司，遼寧 沈陽110000）

圓形翅片管換熱器是緊湊式換熱器 (Compact Heat Exchanger)中最常用的一種，常用于換熱管兩側(cè)流體對流換熱系數(shù)相差較大（例如10倍以上）的情況下,單根翅片管形狀。某網(wǎng)帶爐氫氣-水換熱器（以下簡稱“網(wǎng)帶爐換熱器”），管內(nèi)工質(zhì)為冷卻水，管外（翅片側(cè)）工質(zhì)為氫氣，兩側(cè)對流換熱系數(shù)相差20倍以上，其換熱管便是使用螺旋翅片管的形式。

一般在設(shè)計翅片管換熱器時，其排列方式較易確定，多使用正三角形排列。在設(shè)計換熱管時，基管的尺寸也大多根據(jù)管內(nèi)流體流量按標準選擇，但對于換熱管材質(zhì)、翅片厚度和間隔、翅片高度等問題卻難以確定，常讓設(shè)計者無從選擇。本文分別針對這三個問題展開討論，以獲得其最優(yōu)解，為翅片式換熱管的設(shè)計提供依據(jù)。

1 換熱管材質(zhì)的選擇

1.1 基管材質(zhì)的選擇

在管內(nèi)外熱阻不變的情況下，基管導熱熱阻越小越好，即其熱導率越大越好。一般銅管和不銹鋼304管都是常用的換熱管材質(zhì)，由于銅的導熱系數(shù)（300K時約為380W／m·K）相較于不銹鋼304（300K時約為18W／m·K）高出20倍以上，因此在對換熱性能要求較高的場合常采用銅管。網(wǎng)帶爐換熱器原為德國進口設(shè)備，其基管材質(zhì)便采用銅管。

但我國銅的儲量并不高，很多依賴進口，采用銅管作為換熱管材質(zhì)會使得換熱器的造價過高。此外，銅的抗腐蝕性較差，某鋼廠連退爐氮氣-水換熱器曾采用銅管，在停爐時銅管表面氧化，開爐時氮氣將換熱管表面銅綠吹入爐內(nèi)，造成爐內(nèi)鋼板表面質(zhì)量缺陷。網(wǎng)帶爐換熱器由于在每次開爐之前均吹掃較長時間，目前尚未發(fā)生上述問題，但在對工件表面質(zhì)量要求較高的熱處理爐中，不宜使用銅管作為換熱管。

采用不銹鋼304管作為換熱管基管，抗腐蝕性較好。雖然其導熱系數(shù)較低，但考慮到在翅片管換熱器中，基管的導熱熱阻最多只占整個傳熱過程熱阻的10%，整個傳熱過程的熱阻主要在對流換熱系數(shù)較低的一側(cè)（即氣側(cè)），因此用不銹鋼管代替銅管所帶來的導熱性能的損失是可以接受。

1.2 翅片材質(zhì)的選擇

決定綜合傳熱系數(shù)的主要有管內(nèi)/外對流換熱系數(shù)、管內(nèi)/外換熱面積、基管尺寸與材質(zhì)和翅片管總效率。翅片材質(zhì)的選擇，主要影響翅片管總效率。N為每米翅片數(shù)，Af為單個翅片面積，ηf為單個翅片效率，Lf為當量翅高，L為翅高，h為對流換熱系數(shù)，λ為翅片導熱系數(shù)，t為翅片厚度，df為翅片外徑，單位為國際單位制。

在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱工參數(shù)都不變的情況下，只更換翅片材質(zhì)，翅片總效率ηo是單個翅片效率ηf的增函數(shù)，一般ηo略微高于ηf；單個翅片效率ηf是翅片導熱系數(shù)λ的增函數(shù)。以網(wǎng)帶爐換熱器為例，當mLf＝2 時，ηf＝0．48；若更換翅片材質(zhì)為 2 倍 λ，則 mLf＝1．414，ηf＝0．63，增大了 30%；若更換翅片材質(zhì)為 10 倍 λ，則 mLf＝0．63，ηf＝0．89，增大了 84%。

增大翅片效率，必然增大綜合傳熱系數(shù)。一般來說，翅片側(cè)熱阻占整個傳熱熱阻的60%～80%，如果翅片效率增大1倍，可降低總熱阻30%～40%，換言之，綜合傳熱效率將增大30%～40%。因此應優(yōu)先選用導熱系數(shù)較大的材質(zhì)作為翅片。

工業(yè)上常用鋁或鋁合金（300K時導熱系數(shù)約為170～230W／m·K）作為翅片，利用張緊力纏繞在鋼管上來制作圓形翅片管，但要注意鋁有較高的熱膨脹性，其操作溫度應限制在100℃以下，否則張力會減少，導致翅片松動，接觸熱阻會大大增加。網(wǎng)帶爐換熱器氫氣進口溫度最高100℃，便使用的是鋁翅片。

2 翅片間距及厚度的選擇

2.1 翅片間距

除工質(zhì)本身的物性之外，h0主要由最大質(zhì)量流速Gmax、翅片間隔Sf、翅高L決定，其中Gmax影響較大，Sf和L影響較小。

顯而易見，增大翅片間距，雖然Sf增大了，但同時會減小Gmax，ho必然減小。雖然Sf的增大會使得N減小，增大翅片總效率ηo，但在正常情況下，這種影響并不大，而造成Ao減小的影響卻比較大。最終的結(jié)果，就是使翅片側(cè)的熱阻增大，換熱器尺寸增加，在設(shè)計中一般要避免這種情況。所以，在可能的情況下，應使Sf盡可能小。但Sf并不能無限減小，考慮到邊界層的存在，Sf應確保大于兩倍的邊界層厚度，否則相鄰兩翅片之間的流動變成層流，對傳熱是不利的。

此外，翅片間距的減小，會增大翅片側(cè)流體阻力，使機械能消耗增大，因此需結(jié)合實際需要反復核算考慮。

2.2 翅片厚度

增大翅片厚度的好處在于增大Gmax，從而增大ho，同時也略微增大了ηf，但會使得Ao顯著減小，使換熱器尺寸增大、材料消耗增加，對于換熱器的設(shè)計是不利的。因此，在可能的情況下，應使用薄的翅片。

3 翅片高度的選擇

翅片的高度并不是越高越好。雖然增加翅片高度，可以增大換熱面積，但翅片效率也隨著迅速降低，當翅片高度超過某一數(shù)值之后，增大的換熱面積經(jīng)翅片效率的折算就會變得沒有意義。因此，理論上必然存在某一合適的高度，使整個傳熱面積最小，Ao最大。

工程上可以采用試算法求解。在確定換熱管的材質(zhì)、翅厚和翅片間隔之后，換熱面積Ao只是翅高L和迎風面積Afr的二元函數(shù)。如網(wǎng)帶爐換熱器翅片管，基管為Φ19×2的不銹鋼304無縫鋼管，翅片為鋁（1000系列），翅厚0.2mm，翅片間隔2.5mm（不含翅厚），令翅片外徑自35mm變化到60mm （即翅高自8mm變化至20.5mm），迎風面積從0.5m2增加到 2m2。

在設(shè)計換熱器時，除了換熱效果是必須考慮的因素之外，換熱器的熱阻也是必須計算和校核的。但事實上，對于氣體這類的低密度流體，克服換熱器摩擦阻力功耗的機械能會輕而易舉的多達多傳遞的熱能，在對大多數(shù)時候，機械能價格是同類熱量的4～10倍[1]。此外，對于本例的氫氣-水換熱器而言，還必須遵守國家關(guān)于氫氣的安全規(guī)定，即氫氣在不銹鋼管道中流速極限不得超過25m/s[2]。

翅片高度和迎風面積的減小，會急速提高換熱器內(nèi)氫氣的流速，迎風面積為0.5平方米時，當翅高低于42mm以下時即超過了國家安全規(guī)范，是絕對不能允許的。工程經(jīng)驗上一般取翅片效率ηo在0.6～0.75之間，本例中即翅片高度在10～15mm之間，迎風面積在1～1.5m2之間，這種選擇是恰當?shù)摹?/p>

4 結(jié)論

本文針對圓形翅片換熱管，分別針對其材質(zhì)、翅片厚度、翅片間距、翅高進去討論，選擇其設(shè)計最優(yōu)解，結(jié)果如下：

（1）基管材質(zhì)對整體換熱過程影響不大，一般可用不銹鋼304材質(zhì)。在要求較高的場合可使用銅管，但不宜在表面質(zhì)量要求較高的熱處理爐上使用。翅片材質(zhì)對整體換熱過程影響較大，一般應盡可能選擇導熱系數(shù)高的材質(zhì)。

（2）翅片厚度和間隔宜取較小值，但不應小于兩倍的邊界層厚度。

（3）翅片高度宜選擇使翅片效率在0.6～0.75之間的數(shù)值。

［1］宣益民.緊湊式熱交換器[M].北京:科學出版社,1997.

［2］GB 50177-2005氫氣站設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2005.