【摘要】本文以網(wǎng)帶爐氫-水換熱器為例，探討了圓形翅片換熱管設(shè)計過程中材料、翅片厚度、翅片間距和翅片高度的選擇。 ，通過理論分析和計算，得到其最優(yōu)解，以指導設(shè)計工作。

【關(guān)鍵詞】翅片管； 換熱管材質(zhì)； 翅片效率； 翅片高度； 優(yōu)化設(shè)計

圓形翅片管換熱器是最常用的一種緊湊型換熱器（熱）。 根部翅片管形狀。 一種網(wǎng)帶爐氫水換熱器（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，對流換熱兩側(cè)傳熱系數(shù)相差20倍，換熱管采用螺旋翅片管形式。

一般在設(shè)計翅片管換熱器時，其排列方式較容易確定，多采用等邊三角形排列方式。 在設(shè)計換熱管時，基管的尺寸大多是根據(jù)管內(nèi)流體流量按標準選擇的，但很難確定換熱管的材料、翅片的厚度和間距，鰭片的高度等，常常讓設(shè)計師別無選擇。 本文分別對這三個問題進行討論，得到它們的最優(yōu)解，為翅片換熱管的設(shè)計提供依據(jù)。

1 換熱管材質(zhì)的選擇

1.1 基板材料的選擇

在管內(nèi)外熱阻一定的情況下宿州白銅不銹鋼內(nèi)翅片換熱管，基管導熱系數(shù)越小越好，即導熱系數(shù)越大越好。 一般常用的換熱管材料為銅管和不銹鋼304管，因為銅的導熱系數(shù)（300K時約380W/m·K）高于不銹鋼304（300K時約18W/m·K） ) 20次以上，所以銅??管常用于對傳熱性能要求高的場合。 網(wǎng)帶爐換熱器原裝德國進口，基管材質(zhì)為銅管。

但是，我國銅的儲量并不高，很多依賴進口。 使用銅管作為換熱管的材料會使換熱器的成本過高。 此外，銅的耐蝕性較差。 某鋼廠過去在連續(xù)退火爐的氮水換熱器中使用銅管。 停爐時，銅管表面氧化。 開爐時宿州白銅不銹鋼內(nèi)翅片換熱管，氮氣將換熱管表面吹入爐內(nèi)，造成爐內(nèi)鋼板表面質(zhì)量缺陷。 網(wǎng)帶爐換熱器每爐前經(jīng)過長時間吹掃，所以目前沒有出現(xiàn)以上問題，但在對工件表面質(zhì)量要求高的熱處理爐中，不宜使用銅管作為換熱管。

換熱管基管采用不銹鋼304管，具有良好的耐腐蝕性能。 雖然其導熱系數(shù)較低，但考慮到在翅片管換熱器中，基管的熱阻只占整個換熱過程熱阻的10%，整個換熱過程的熱阻為主要體現(xiàn)在對流換熱過程中。 系數(shù)較低的一側(cè)（即氣體側(cè)），因此用不銹鋼管代替銅管造成的導熱系數(shù)損失是可以接受的。

1.2翅片材料的選擇

決定綜合傳熱系數(shù)的主要因素有管內(nèi)/外對流換熱系數(shù)、管內(nèi)/外傳熱面積、基管尺寸和材質(zhì)、總效率翅片管。 翅片材料的選擇主要影響翅片管的總效率。 N為每米翅片數(shù)，Af為單翅片面積，ηf為單翅片效率，Lf為等效翅片高度，L為翅片高度，h為對流傳熱系數(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)和熱參數(shù)不變，僅更換翅片材料的情況下，翅片總效率ηo是單翅片效率ηf的遞增函數(shù)，一般ηo略高于ηf； 單翅片效率ηf是片材導熱系數(shù)λ的增函數(shù)。 以網(wǎng)帶爐換熱器為例，當mLf=2時，ηf=0.48； 若翅片材料改為2倍λ，則mLf=1.414，ηf=0.63，增加30%； 若更換翅片材料為10倍λ，則mLf=0.63，ηf=0.89，增加84%。

提高翅片效率必然會提高整體傳熱系數(shù)。 一般來說，翅片側(cè)的熱阻占整個傳熱阻力的60%～80%。 如果翅片效率提高一倍，總熱阻可降低30%至40%。 換句話說，整體傳熱效率將增加。 大 30% 到 40%。 因此，應優(yōu)先選用導熱系數(shù)較高的材料作為翅片。

工業(yè)上常用鋁或鋁合金（300K時導熱系數(shù)約為170-230W/m·K）作翅片，圓形翅片管由鋼管在張力作用下纏繞制成，但應注意鋁的高熱膨脹工作溫度應限制在100°C以下，否則會降低張力，導致翅片松動，接觸熱阻會大大增加。 網(wǎng)帶爐換熱器最高氫氣入口溫度為100℃，因此采用鋁翅片。

2 翅片間距和厚度的選擇

2.1 翅片間距

h0除了工作流體本身的物理特性外，主要由最大質(zhì)量流量Gmax、翅片間距Sf、翅片高度L決定，其中Gmax影響較大，Sf和L影響較小.

顯然，增大翅片間距，雖然Sf增大，但同時會減小Gmax，ho必然減小。 雖然增加Sf會降低N，增加翅片總效率ηo，但一般情況下，這種影響不大，但降低Ao的效果比較大。 最終結(jié)果是翅片側(cè)的熱阻增加，換熱器尺寸增大，這在設(shè)計中通常是要避免的。 因此，在可能的情況下，應使 Sf 盡可能小。 但是，Sf 不能無限減少。 考慮到邊界層的存在，Sf應保證邊界層厚度大于兩倍，否則相鄰兩翅片之間的流動變?yōu)閷恿?，不利于傳熱?/p>

另外，減少翅片間距會增加翅片側(cè)的流體阻力，增加機械能消耗，因此應結(jié)合實際需要反復計算考慮。

2.2 翅片厚度

增加翅片厚度的好處是增加Gmax，從而增加ho，同時略微增加ηf，但會明顯降低Ao，增大換熱器尺寸，增加材料消耗。 對于熱交換器的設(shè)計是不利的。 因此，在可能的情況下，應使用薄翅片。

3 翅片高度的選擇

翅片的高度不是越高越好。 雖然增加翅片高度可以增加換熱面積，但翅片的效率也迅速下降。 當翅片高度超過一定值時，增加的換熱面積經(jīng)過翅片效率的換算就變得無用了。 意義。 因此，從理論上講，必須有一個合適的高度，才能使整個換熱面積最小化，使Ao最大化。

在工程中，可以通過試錯來解決問題。 在確定了換熱管的材料、翅片厚度和翅片間距后，換熱面積Ao只是翅片高度L和迎風面積Afr的二元函數(shù)。 例如網(wǎng)帶爐換熱器的翅片管，基管為Φ19×2不銹鋼304無縫鋼管，翅片為鋁材（1000系列），翅片厚度為0.2mm，翅片間距為2.5 mm（不含翅片厚度），翅片外徑由35mm改為60mm（即翅片高度由8mm改為20.5mm），迎風面積由0.5m2增加至2m2。

在設(shè)計換熱器時，除了必須考慮的傳熱效果外，還必須計算和校核換熱器的熱阻。 但實際上，對于氣體等低密度流體，換熱器克服摩擦阻力消耗功率的機械能很容易超過所能傳遞的熱能。 在大多數(shù)情況下，機械能的價格是類似熱量的 4 到 10 倍 [1]。 此外，對于本例中的氫水換熱器，還必須遵守國家對氫氣的安全規(guī)定，即不銹鋼管中氫氣的流量限制不得超過25m/s[2]。

翅片高度和迎風面積的減小將迅速增加換熱器中氫氣的流速。 當迎風面積為0.5平方米時，翅片高度小于42mm時，超過國家安全標準，是絕對不允許的。 根據(jù)工程經(jīng)驗，翅片效率ηo一般取0.6～0.75之間。 本例中，翅片高度在10~15mm之間，迎風面積在1~1.5m2之間。 這個選擇是合適的。

4。結(jié)論

本文對圓形翅片換熱管的材料、翅片厚度、翅片間距、翅片高度進行了探討，選取了最優(yōu)設(shè)計方案。 結(jié)果如下：

(1)基管材質(zhì)對整體傳熱過程影響不大，一般可采用不銹鋼304。 銅管可用于要求較高的場合，但不適用于對表面質(zhì)量要求較高的熱處理爐。 翅片的材料對整個傳熱過程有很大的影響。 一般應盡可能選擇導熱系數(shù)高的材料。

(2)翅片厚度和間距宜小一些，但不宜小于邊界層厚度的兩倍。

(3)翅片高度的選擇應使翅片效率在0.6～0.75之間。

【參考】

[1] 宣益民． 緊湊型換熱器[M]． 北京：科學出版社，1997．

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