翅片管换热器翅片管热交换器设计计算翅片管换热器.docx
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翅片管换热器：
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翅片管换热器:
翅片管热交换器设计计
算翅片管换热器
话题:
翅片管换热器计算方法热交换器
第四章翅片管热交换器设计计算第四章翅片管热交换器设计计算翅片管热交换器是一种带翅（亦称带肋）的管式热交换器，它可以有壳体也可以没有。
翅片管热交换器在动力、化工、制冷等工业中有广泛的应用。
随着工业的发展，工业缺水以及工业用水的环境污染问题日益突出，空气冷却器的应用更引起人们的重视，致使在许多化工厂中有!
”#以上冷却负荷都由空冷器负担。
与此同时，传热强化方面研究的进展，使得低肋螺纹管及微细肋管等在蒸发、冷凝方面的相变换热得到广泛应用。
第一节构造和工作原理翅片管热交换器可以仅由一根或若干根翅片管组成，如室内取暖用翅片管散热器;也可再配以外壳、风机等组成空冷器型式的热交换器。
翅片管是翅片管热交换器中主要换热元件，翅片管由基管和翅片组合而成，基管通常为圆管（图$%（），也有扁平管（图$%&（（））和椭圆管。
管内、外流体&’）通过管壁
及翅片进行热交换，由于翅片扩大了传热面积，使换热得以改善。
翅片类型多种多样，翅片可以各自加在每根单管上（图$%（），也可以同时与数根管&’）子相连接（图$%（及（）））。
&（）空冷器是一种常见的翅片管热交换器，它以空气作为冷却介质。
其组成部分包括管束、风机和构架等（图$%*）。
管束是空冷器中主要部分，它由翅片管、管箱和框架组成，是一个独立的结构—*,+—第三篇高效间壁式热交换器设计计算型式长度%宽度”管排数换热面积工作压力翅片管型式管程数法兰型式#&（#*+!
型管束即:
——水平式管束，长、宽各名义尺寸分别为（-和$-，翅片表面积和光’—!
管排，——绕片式翅片管，管表面分别为$）&）-&和#&（-&，压力等级为#*%#）.’,，+———&管程，——法兰密封面为平面型。
—!
—低翅管（低肋螺纹管或螺纹管）热交换器是翅片管热交换器的另一种型式，它们的翅高约为&--左右，翅化比相当小，约$/.，不适用于空气而适用于低沸点介质的冷凝或蒸发。
其基本结构与管壳式热交换器相同，即具有管束、折流板、管—&.0—第四章翅片管热交换器设计计算板、壳体及管箱等部件。
第三篇高效间壁式热交换器设计计算第二节翅片管的类型和选择翅片管是翅片管热交换器中的最重要部件。
对翅片管的基本要求是:
有良好的传热性能、耐温性能、耐热冲击能力（如空冷器在起动、停机或介质热负荷不稳定时）及耐腐蚀能力，
易于清理尘垢，压降较低等。
。
翅片按其在管子上排列方式，可分纵向和横向（径向）翅片两大类（图!
”!
）其他类型都是这两类的变形，例如大螺旋角翅片管接近纵向，而螺纹管则接近横向，可根据流体的流动方向及换热特点来选择。
第四章翅片管热交换器设计计算图!
”#几种紊流式翅片管（$）开槽型（%）轮辐型（&）波纹型铸造、机械加工或轧制而成，翅片与管子一体，无接触热阻，强度高，但要求翅片与管子同种材料。
如低压锅炉的省煤器就是采用整体铸造的翅片管。
焊接翅片用钎焊或氩弧焊等工艺制造，可使用与管子不一样的材料。
由于它的制造简易、经济且具有较好的传热和机械性能，故已在工业上广为应用。
它的主要问题是焊接工艺质量。
高频焊翅片管是利用高频发生器产生的高频电感应，使管子表面与翅片接触处产生高温而部分熔化，再通过加压使翅片与管子连成一体而成。
这是一种较新的连接方式，因其无焊剂、无焊料、制造简单、性能优良，正为用户认识和采。
用。
机械连接翅片管有绕片式、镶片式、套片式及双金属轧片式等（图!
”’）第三篇高效间壁式热交换器设计计算图!
”#比较了几种翅片管的传热性能。
由图可见，绕片式较差，主要是接触热阻的存在，特别是在运行时，绕片式的翅片张力随温度的增加而迅速下降，使接触热阻也迅速增加。
焊片式传热性能最好。
套片式性能也属最好，因为翅片紧套于管表面上后再加以表面热镀锌。
双金属轧片传热性能
类似于镶片式，因为它是在套装后再轧出翅片。
种翅片管的性能评定翅片管型式传热性能耐温性能耐热冲击能力耐大气腐蚀能力清理尘垢的难易程度制造费用&型绕片式%%%!
%$&&型绕片式!
!
!
’!
（镶片式’（（%’’（’’$（!
套片式$$$（$%—（）（—第四章翅片管热交换器设计计算翅片管管子常为圆形，空冷器中为强化传热也用椭圆管。
椭圆管的管外对流换热系数比光管约可提高!
”#，而空气阻力约可降低$”#%!
”#。
翅片管的基本几何尺寸包括:
其壁厚应自沟槽底部计算其内!
基管外径和管壁厚对于镶片管，但却使翅片效率下降，壁。
”翅片高度和翅片厚度增加翅高使翅片表面积增加，因而使有效表面积（即翅片表面积乘以翅片效率）的增加渐趋缓慢。
图&’（表示了单位有效翅片表面积的价格对于翅高的关系，供选用翅高时参考。
翅片厚度主要考虑其强度、制造工艺和腐蚀裕量，国产铝翅片（绕片式、镶片式）和钢翅片（套片式）一般均选用）*”%$*!
++。
#翅片距翅片距的数值会影响到翅化面积的大小，但对管外对流换热系数的影响极小。
翅片距的选择取决于管外介质，国产用于空冷器的翅片管的翅片距常为!
*,++。
$翅化比它是指单位长度翅片管翅化表面积与光管外表面之比。
对于空冷器，因为管外介质已经确定为空气，所以翅化比的选择应根据管内介质对流换热系数大小而定。
当此值小时，应选用较小翅化比。
若选用的翅化比过大并不能有效地增强传热，反而会使以翅
化表面积为基。
随着翅化比的增加，空冷器单位尺寸的换热准的传热系数迅速降低（见表&’!
）面积将增加，但制造费用也增加。
实践表明，翅化比的最佳值约为$-%!
（。
我国生产的空冷器翅片管的翅化比有两种:
高翅片为!
*&，低翅片为$-*$。
对于低肋螺纹管的翅化比不属此例。
%管长国内空冷器翅片管长系列为,，&*”，.，/+四种。
表&’,列出了国产翅片管的特性参数，供读者参考。
表&’!
管内对流换热系数”（）0（1+!
*2）”（））0（1+!
*2）三种翅化比的传热系数参考值
$）!
（*&”$*.!
）$/*）&-*,,）$&*!
&,*-—!
.,—第三篇高效间壁式热交换器设计计算国产空冷器翅片管的特性参数翅片类别低翅片高翅片高翅片管材钢管钢管铝管管径，%%内径&’&’）-外径&（&（&（翅片参数，%%翅片高（’（+（+）&*（）,*’）,*’翅片厚’*（’*（’*（翅片管外径翅片距
&*$&*$&*$）*#）*#）*#&&*&#&a
mp;*&#外表面积，%&.%管长翅片类别面积!
。
低翅片高翅片高翅片’*’+#（’*’+#（’*’+#（!
/0）*&+-）*++-）*++-
翅片!
/1’*’,）’*’,）’*’,）!
/02!
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翅片管与光管外表面积的比较翅化比!
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空气流通面积的比较（管束中）空气流通净截面积空气速度’*!
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’*（’’*（’&*&+&*’&*’—&,!
—第
四章翅片管热交换器设计计算为取得最佳传热性能，国产空冷器的翅片管管束常用等边三角形排列方式，如图!
”#所示。
第三篇高效间壁式热交换器设计计算翅片管外表面积为基准。
——平均温差，但对于空冷器，平”。
对数平均温差的计算方法同前，!
!
!
—均温差修正系数!
有专用线图，请查附录!
。
二、传热系数的计算根据传热学的原理，在假设壁面温度及换热系数一致且不变的条件下和考虑到翅片表面使传热面积增加，可导出以下计算传热系数的公式:
（#）单层翅片管（图$%#&）#。
%。
%。
$&，##。
##。
’#。
）$*）,-））’（“（#（#（+#%（$#.”$.#.（$%+）以翅片管外表面（此外表面包括翅片面积及无翅部分的面积）为基准时#.%。
$&，##’）,-））’）$*，（%+”“（&#（,%（$”$.式中（$%/）——分别为以光管外表面积及翅片管外表面积为基准的传热系数，，”。
”.—;0（1!
+2”）——分别以光管内表面积及翅片管外表面积为基准时管内侧及管外”（、”.—;侧换热系数，0（1!
+2”）、——分别为光管外表面积、光管内表面积及翅片管外表面积，#。
#（、#.—!
+;——管材的导热系数，?
”）;0（1!
#——+33—第四章翅片管热交换器设计计算——翅化比，!
—!
!
!
”#!
$;——翅片壁面总效率，”—”!
——翅片效率;”“———以翅片根部直径为基准的无翅片部分表面积，!
%&—（）;——翅片管上翅片的表面积，!
%”—（）;——翅片管长，”“—（;——分别为以翅片管外表面积及光管
内表面积为基准的外侧及内!
*，#*，”、$—侧垢阻，（）+,#-;——光管外径，$。
—（。
（））复合翅片管（指翅片与基管为不同种材料时，图./00）!
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”（./.）以翅片管外表面积为基准时!
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&）%”#$%$”“$$%$”““$&”#”“——分别为外套的翅片管壁厚及基管厚，式中&”、（;&———分别为外套翅片管及基管导热系数，?
）;-（#（$”、$——）65—（./4）第三篇高效间壁式热交换器设计计算——以基管外表面积为基准的接触热阻，!
!
，#$%&’;”———基管外表面积，#（;”“————外套翅片管翅根处直径，#”，#。
工程上一般都以光管外表面积为基准计算传热系数。
在设计最初阶段，常常要先求得一个传热面积的大概数据，这就需要先选用一个近似的传热系数值，附录）中列有用于空冷器的传热系数经验值，供选用参考。
污垢热阻值可查附录*、+。
翅片管中存在的接触热阻（或间隙热阻）的测定或计算都很困难。
作者综合和分析了国内绕片式翅片管的接触（间隙）热阻，今归纳于表,-,中。
表,-,管内流体温度$.，%!
0110113（11（113511
国产绕片式翅片管接触（间隙）热阻（以基管外表面积为基准）接触（间隙）热阻，!
!
，
#（$%&’。
!
1$111121$1111431$11102占总热阻百分数/忽略01（应改用别的形式翅片管）（1351对于一些已定型的翅片管式热交换器，可用简单的关系式来计算其传热系数，如以热水为热媒的空气加热器’）&!
%.6（”）（（,-7）以蒸汽为热媒的空气加热器’&!
%.6（”）（,-2）——通过式中系数&及指数’，——管内水流速，）均由实验确定。
（—#&8;!
”—?
。
热交换器管窄截面上质量流速，8）9:
（&#（读者应该注意到，式（,-（）（,-2）只适用于通常所遇到的外翅情况。
在有3内翅或内、外翅时，读者可根据传热学原理仿效以上各式推得计算式，或参阅专门文献。
—（7;—第四章翅片管热交换器设计计算（!
）湿工况应该注意到，式（”#$）（”#&）适用于空气流过翅片管被加热或被冷却时，%均不产生空气含湿量变化的情况。
通常称这种运行工况为干工况。
空调中使用的表面式冷却器（如蒸发器），由于管内流体通常为进口温度低于’（）的冷冻水，当空气外掠翅片管束时，表冷器的管外表面温度会低于空气的露点，使空气在被冷却过程中结露而析出水份，并在翅片管翅片表面形成水膜。
亦即空气与翅片管之间不但发生显热交换，还发生因空气中水蒸汽凝结所引起的潜热交换。
这种伴有结露的空气被冷却过程，即减湿冷却的运行工况称为湿工况。
为此，在计算传（”#&）中的翅片管外流体的对流换热热阻项上乘以热系数时，通常在式（”#$）%修正项’*!
，
以考虑因伴有湿空气中水蒸汽的凝结而使传热增强这一因素。
其中，其定义式为!
为析湿系数，!
+!
’#!
-’”（#$,’#$-’）（”#.）出口焓/*01;出口温式中，!
-’分别为空气的进口、$,’、$-’分别为空气的进口、!
’、度，）。
在工程应用中，对于一些定型的表冷器产品，常由实验确定传热系数的计算式，其形式为:
%2+’#3）*+&!
（!
（）#’（”#4）式中，为迎面风速，系数&、均由5*6;*为管内水流速，5*6;）及指数’、#、+、”（，式（”#实验确定，为无因次。
如果这种型号的表冷器作加热空气用，则可取!
+’，仍可使用。
4）三、换热系数和压力损失的计算翅片管管束外流体的换热系数和压力损失计算式将随翅片型式、管束排列方式等不同而异，今讨论几种有代表性的情况。
—$74—第三篇高效间壁式热交换器设计计算（!
）空气横向流过圆管外环形翅片管束（图”#!
$）”39:
!
.9;（!
2#8<=#）（）（）（）9:
66;$%”!
17&’9:
!
6”&$09:
9;.（”#!
9）对于高翅片管
束，!
23!
$5”!
88!
01!
23!
4;5$4”，!
!
#”039:
!
7;>28<=“#式中（）（）（）9:
;!
>$%”!
17&’9:
$?
6（”#!
!
）——分别为翅片外径和翅根直径，!
2—8;!
0、——分别为翅片的间距、高度和厚度，（、’、8;$0———按流体平均温度取值;$%、”—#、。
——最小流通截面处质量流速，@（（18$4A）#8<=—根据我国现常用的高低翅片管（表”#7）的参数代入（”#!
9）、（”#!
!
）式中，并换算到以光管外表面积为基准，则得两个简化计算
式:
对低翅片管对高翅片管9:
;!
>!
。
3”!
$%BC&9:
;!
>!
。
3”.”%BC&（”#!
$）（”#!
7）;——以基管外表面积为基准的空气侧换热系数，式中!
。
—D（18$4E）—$;9—第四章翅片管热交换器设计计算——标准状态下迎风面风速，#$%;!
!
”—当风机是引风式时，——校正系数，当风机是鼓风式时，”—”&’（），”值见表*+,。
推荐可由下式计算空气压降:
）-/0,0-/0,!
$#0!
!
”$#，!
!
&）-..”（*+’*）式中——管排数;”———空气在定性温度（即管束进出口平均温度）时密度，12$#3。
#—表*+,”值管排.数4’）标准迎面风速#$%!
!
”，低翅片高翅片3（,,3（’30（,**,”值）（5’.）（5）4）（5’.）（5）4）（53,）（53））（53,）（53））（5*/）（5*,）（5*/）（5*,）
（5.3）（5.’）（5.3）（5.’）（5/3）（5/））（5/0）（5/）0（0*（0）空气横向流过圆管外横向矩形翅片管束（图’+’3）第三篇高效间壁式热交换器设计计算!
”!
!
”#$%&’（“）*+”#（）（$%,-#（.!
/!
/）.$%&#.!
/?
（0（#（）（.$%&#（.!
/#&a
mp;.!
/）$%1（1.（’*）式中—!
”—/!
（1.（’/）——翅片根部圆直径，!
/—）;——每单位长度上翅片数;%!
———每根管单位长度上以翅根直径为基准的无翅片部分表面积，）&3）;$2/—对于图1.（4所示的两根管共——每单位长度上翅片的表面积，$2!
—）&3），有一个翅片情况，每根管取其一半;——最小流通截面处质量速度，?
。
”）*+—56（3）&7）压降按下式计算:
&，”8#&!
式中摩擦系数
&#（%1,493）&.$%&1’（1.（,*）（!
”“）*+#）（#（.!
/#.!
/.$%&（0（!
/#）（）$%-（）!
”!
/倍。
$%:
（1.（,/）工程上还会遇到湿式空冷器的情况。
这时，在空冷器的入口处，雾化的小水滴随同空气流喷洒在翅片管外表面上，使管外换热系数比干式空冷器提高（;4（4）外螺纹管束（$!
3$<#4;1=’）”外螺纹管外对流换热时）（。
’#!
$（7!
”“（）（）（34#>$%（1（1.（-*）（1.（-/）式中!
”#两翅中心线间翅片管总投影面积—&-&———壳方管束排列校正系数，示于表1.,中。
$（—第四章翅片管热交换器设计计算表!
”#校正系数!
$四方顺列!
%&”’（$）,,-）/-三角错列!
%&”’（$）*+$）--排列形式四方顺列!
%&”’（$）*+-）.-!
值表中，——管心距，——螺纹管外径，!
%—#;”’—0。
传热因子$1与%&关系示于图!
”$!
，其中%&（——壳程流量，——平均流通面积，（1—65&1;）5—0*。
，;’5（（1&）5，65（&0*?
1）!
（!
”$:
9）——弓形缺口中自由流通的截面积;式中”7—**”7（+$,1”-!
!
”’——系数，查表!
”:
;+$—（!
”$:
2）——在一个折流板圆缺部分中的管数，但在折流板端的管按其截面积比-!
—进行计算。
——两折流板间靠近壳内径处自由流通截面积;”89—”89（（*.1393;.19/7”$）/7”$*.13;.1（!
”$:
3）—*:
—第三篇高效间壁式热交换器设计计算!
!
”!
（#”$#%#&$’）（”$#%#&$’）!
!
’”!
#’——最靠近
壳体中心的管排的管数;#&———最接近热交换器中心的管壳的壳内径;”$#———示于图（%）-，为中间折流板间距与端部折流板间距。
!
#’—!
#，（（%）*+）（（%）*,）（式中”）（）[（）’!
）1（2（##）3#1.）（$!
01.-（2!
/456（）]，22（（%）7）——从一折流板圆缺面积中心到下一折流板圆缺面积中心之间流体通#）—过之管排数;#）”）2”#5*$——顺流向的管心距，*$—6;——壳内径，”#—6;——由表（%*求得;）2—表（%*）），）2值18&-”*182（-18-9&18（1”*1829&18-&718（-”*18&（&18（72折流板缺口
高）））2182-”*18）-（18*1-18&1”*18）9718:
（*—2*（—第四章翅片管热交换器设计计算——折流板数;!
!
———由图#$%&求得;”“———以质量速度$（为基准的雷诺数，可由下式求得:
#’—#%）&’$*!
（#$%+!
）——基于面积!
（之质量速度，由下式求得:
$（—$（）——流体密度，./012。
”—”外螺纹管外冷凝时，?
./（01&”）,!
（（#$%+（）%%/。
）345%6!
&$%[2&
;]（）（）%02。
%02&’$%$%02，?
8）7（01&（#$%9:
）——分别为凝液导热系数，?
8）;动力粘度，?
”）及密式中#%、7（01./（01$%、”%—度，./012;——光管外表面面积，’。
—1&;;?
;——冷凝负荷，./（01”）%—%）<=，——冷凝量，（—./0”;——管长，）—1;——传热管总根数;!
———
在冷凝传热中当量直径，&’—1;（）&’%0#’,?
&?
349#2）?
’!
?
345&>（）（）%0#
’,!
@’,?
&!
（）%0#（#$%9!
）——翅片外径，&?
—1;——翅根直径，&!
—1;&&&——每个翅片的侧表面积，，1&;!
?
—!
?
）#?
$&!
）（#$%>!
）’,?
含义同式’,!
，—&5>—第三篇高效间壁式热交换器设计计算第四节空冷器的设计一、干式空冷器的几个设计参数（!
）管内流体温度!
热流体入口温度一般要求为!
”#$!
%#&左右或以下。
因为入口温度过高，传热固然好，但被空气带走热能过多。
如温度低于’#$（#&，以采用水冷器或湿式空冷器为宜。
”热流体出口温度这是决定采用干式空冷器是否经济的一个重要指标。
现大多采用所谓“接近温差”，即热流体出口温度和设计空气温度（即空冷器入口空气温度）之差，作为选取和确定热流体出口温度的依据。
对炼油厂使用的空冷器接近温差最好大于”#$”）&，至少要大于!
）&，否则不经济。
电站使用的空冷器，国外大多数为”）$%）&，个别达到*#&。
（”）设计气温这是指空冷器设计时所采用的入口空气温度，它是空冷器设计的最重要参数。
如果设计气温高于实际气温，则空冷器的设计过于保守，甚至会将工艺流体冷却到比所希望的温度还要低;如低于实际气温，传热面积就显得偏小，空冷器将不能冷却到所要求的负荷。
设计气温的选取方法有多种，根据我国情
况，建议所选用的设计气温值为每一年中只允许有）天的时间的实际气温会超过它，即其他天数内出现的实际气温不会比它高。
（%）管排数目前通用的管排数是”、以*、管排数对经济*、’、（排，’排居多，效果影响很大，管排数少，传热效果好，但单位传热面积造价高，占地面积大，同时由于空气的温升较小，需要的风量就大。
如管排数太多，对数平均温差降低，面积增大，气流阻力也增加。
这些因素对投资与成本都有影响，所以要合理选择。
经—”+’—第四章翅片管热交换器设计计算过经济比较，认为一般空气温升应
在!
”#$%&以上，如设计中发现空气温升较小，则要增加管排数。
为了合理选用管排数可参考图’（!
）。
图中，——空气入口!
*$———管内流体入口温度，温度，&。
&;!
*!
—推荐的标准迎面风速值管项目单位翅片种类$标准迎面风速!
.+面积比（#*。
2”+）1231$21$高翅片低翅片/0!
”$0”/$06%’$04”0%）”04%）$0”50）%405’4$0/!
%0!
%!
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0）%!
%$0!
”!
$0）/!
’0”%排数—$55—第三篇高效间壁式热交换器设计计算（!
）高翅片管的选用时，采建议当管内对流换热系数大于”#$%&（’（“）*）时，高低翅片管均可;在++,-用高翅片管;对流换热系数在++,%-”#$%&（’（“）*）之间时，用低翅片管;低于++,&（时，用光管比翅片管经++,%&（’（“）*）’（“）*）济，或采用在管子内表面装有翅片的管。
对高凝固点流体或在寒冷地区，为
避免流体凝固与冻结，可采用低翅化比的翅片管或光管空冷器。
如渣油的冷却就用光管空冷器。
二、设计程序设计计算程序如下:
总体考虑—估算—选型设计—精确计算。
总体考虑（+）对用空冷还是水冷进行比较，有充分理由才能选定空冷;!
按给定条件，如鼓风式还是吸风式;水平式或斜顶式、直立式等;”选择空冷器结构型式，如空冷器与水后冷器或湿式空冷器的组合等。
#选定流程，（”）估算进行传热量!
的计算;!
根据工艺条件，”选定设计气温;由附录.选取传热系数;#根据管内流体情况，（见例/），或根据下列$试算管束中空气温升最佳温升计算式进行试
算:
”0”1”2”3#4##+#”#。
”01”）1”（“21”++++（/1”#）进行修正，注意此式只用于估算，在然后通过图/1+5对空气温升（”0”1”2”）某些情况下有较大偏差;%计算平均温差!
”（;，由$。
选取定型的空冷器。
&估算传热面积$。
—”56—第四章翅片管热交换器设计计算，0/$选取管束。
%定管程（!
”/#）保证管内流体有一定的流速，而且管内压力降应较小。
对液体”#-.123#120（4为宜。
管程数’5用下式计算:
’5-%*..（/!
##6）”*!
式中——总的管子数;）———管内径，（6—0;%———管内流体密度，;78（06”（!
”//）——每管程管内流体质量流量，*—78（9。
&选风机风量由下式计算0%（9+-%*..#,!
+,，计算风机全风压!
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/—/$;—（!
”/%）第三篇高效间壁式热交换器设计计算式中——管束气流流动
阻力，由下式计算!
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