圓形翅片換熱管的優化設計

白艷偉

（上海嘉德環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，常用于換熱管兩側流體對流換熱系數相差較大（例如10倍以上）的情況下,單根翅片管形狀。某網帶爐氫氣-水換熱器（以下簡稱“網帶爐換熱器”），管內工質為冷卻水，管外（翅片側）工質為氫氣，兩側對流換熱系數相差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。在設計換熱管時，基管的尺寸也大多根據管內流體流量按標準選擇，但對于換熱管材質、翅片厚度和間隔、翅片高度等問題卻難以確定，常讓設計者無從選擇。本文分別針對這三個問題展開討論，以獲得其最優解，為翅片式換熱管的設計提供依據。

1 換熱管材質的選擇

1.1 基管材質的選擇

在管內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，由于銅的導熱系數（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。網帶爐換熱器原為德國進口設備，其基管材質便采用銅管。

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，造成爐內鋼板表面質量缺陷。網帶爐換熱器由于在每次開爐之前均吹掃較長時間，目前尚未發生上述問題，但在對工件表面質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較低的一側（即氣側），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 翅片材質的選擇

決定綜合傳熱系數的主要有管內/外對流換熱系數、管內/外換熱面積、基管尺寸與材質和翅片管總效率。翅片材質的選擇，主要影響翅片管總效率。N為每米翅片數，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，λ為翅片導熱系數，t為翅片厚度，df為翅片外徑，單位為國際單位制。

在其他結構參數和熱工參數都不變的情況下，只更換翅片材質，翅片總效率ηo是單個翅片效率ηf的增函數，一般ηo略微高于ηf；單個翅片效率ηf是翅片導熱系數λ的增函數。以網帶爐換熱器為例，當mLf＝2 時，ηf＝0．48；若更換翅片材質為 2 倍 λ，則 mLf＝1．414，ηf＝0．63，增大了 30%；若更換翅片材質為 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。一般來說，翅片側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%。因此應優先選用導熱系數較大的材質作為翅片。

工業上常用鋁或鋁合金（300K時導熱系數約為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

除工質本身的物性之外，h0主要由最大質量流速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。最終的結果，就是使翅片側的熱阻增大，換熱器尺寸增加，在設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，會增大翅片側流體阻力，使機械能消耗增大，因此需結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值之后，增大的換熱面積經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、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。如網帶爐換熱器翅片管，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，還必須遵守國家關于氫氣的安全規定，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范，是絕對不能允許的。工程經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，這種選擇是恰當的。

4 結論

本文針對圓形翅片換熱管，分別針對其材質、翅片厚度、翅片間距、翅高進去討論，選擇其設計最優解，結果如下：

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

（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氫氣站設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2005.