縱向翅片管換熱器與光管換熱器的熱力設計及性能對比

張穎 李婷玉 馬超(廊坊泛華石化設備有限公司， 河北 廊坊 065000)

縱向翅片管換熱器與光管換熱器的熱力設計及性能對比

張穎 李婷玉 馬超(廊坊泛華石化設備有限公司， 河北 廊坊 065000)

隨著能源問題的日益突出以及能源產業的不斷發展,換熱器的應用日益廣泛,近年來換熱器在節能、傳熱以及降壓方面的效果顯著，本文在介紹了換熱器的種類和發展現狀的基礎上，重點介紹了縱向翅片管換熱器和光管換熱器的熱力設計和性能，為以后在這兩種換熱器方面的深入研究提供參考和借鑒

翅片管換熱器；光管換熱器；熱力設計；性能

0 引言

換熱設備在石油化工、能源冶金以及建筑等各個領域應用廣泛，我國目前正在建設創新型國家，節能已成為一個約束性指標，高效換熱技術必將成為我國經濟和社會發展的核心技術，因此開發適應于不同工況下的高效換熱設備已成為當前換熱技術的研究熱點[1-2]。光管換熱器，是目前應用最廣泛的換熱器之一，結構簡單、制造材料來源廣、適應性強，在高溫高壓和大型裝置中普遍采用。翅片管換熱器的結構與一般的光管換熱器相差不大，只是用翅片管代替了光管作為傳熱面，傳熱加強，結構更加緊湊[3-4]。

1 換熱器的發展現狀及種類

換熱器又稱為熱交換器，它可將低溫的媒介對高溫介質進行預冷或者降溫，將高溫的媒介對低溫媒介進行加熱，使得媒介內的流體溫度達到工藝設計指標的熱量交換設備。國外最早出現的換熱器是板式換熱器，隨后出現了螺旋板式換熱器和板翅式換熱器，21世紀以后，隨著科學技術的進步，換熱器產業技術水平也突飛猛進。我國換熱器方面的研究起步較晚，1963年我國自制研制的第一臺管殼式換熱器問世，之后研制了第一臺板式換熱器和第一臺螺旋板式換熱器。20世紀80年代之后，換熱器的研究引起了國內專家學者的高度關注，產業技術發展迅速。

2 光管換熱器的熱力設計和性能

光管換熱器又稱管殼式換熱器或者列管式換熱器，是一種最典型的間壁式換熱器，光管換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等四部分組成，殼體多呈圓形，光束為平行管束，管束兩端由管板固定。光管換熱器在進行換熱時，有兩種流體，一種流體由封頭的連結管處進入，在管束內流動，從封頭另一端流出，此為管程；另-種流體由殼體的連接管進入，從殼體上的另一端流出。

光管換熱器的表面傳熱系數用克恩法計算，如式(1)所示，

式中:α為換熱系數； de為當量直徑； Re0為雷諾數； λ1為流體的熱導率； Pr為普朗特數； μ為流體粘度； μw為水的粘度。傳熱管的壁溫采用式(2)計算，

式中: tw為壁溫；tm為液體平均溫度； Tm為氣體平均溫度；αc為管內表面傳熱系數； αn為殼程表面傳熱系數。

3 縱向翅片管換熱器的熱力設計和性能

翅片管換熱器是一種帶翅的管式換熱器,由一根或者多根翅片管組成，在能源動力、石油化工、冷藏等行業應用廣泛。翅片管是翅片管換熱器中的最重要的換熱元件，它在原有的管子外表面或者內表面上加了翅片，擴展了原有的表面，使得管內外的流體可以通過管壁和翅片進行傳熱，擴大了傳熱面積，大大改善了換熱效果。翅片換熱器上的翅片的種類很多，可根據不同的用途選擇不同型號的翅片，根據翅片在管上的排列方式可將翅片管換熱器分為橫向翅片管換熱器和縱向翅片管換熱器。其中縱向翅片管換熱器上的翅片是沿管子軸向分布的，翅片呈鰭行，能夠平息氣流漩渦，具有很好的流動特性，流動阻力也低于其他的擴展表面換熱器，能夠避免橫向翅片管換熱器積灰和阻力大的缺點。

縱向翅片管換熱器的傳熱量計算見式(3)，

式中：K0和Kf分別為縱向翅片管換熱器光管外表面積的傳熱系數以及翅片管外表面積為基準的換熱系數；F0和Ff分別為縱向翅片管換熱器光管外表面積以及翅片管外表面積； Δtm為對數平均溫差。

以單層翅片管為例，假設壁面溫度和換熱系數不變的條件下，利用傳熱學的基本原理，推導出的總傳熱系數的計算公式見式(4)和式(5)。

當以光管外表面為基準時，總傳熱系數為，

當以翅片管外表面為基準時，總傳熱系數為，

式中: αi和α0分別為以光管內表面積及翅片管外表面積為基準的管內側及外側換熱系數； Fi為縱向翅片管換熱器光管內表面積； λ為管的導熱系數； β為翅片比； η為翅片壁面總效率； ηf為翅片效率； Lf為翅片管的長度； rsf為光管外表面積為基準的管外側側垢阻； rsi為光管內表面積為基準的管內側垢阻； d0為光管的外徑。

縱向翅片管換熱器常在高溫高壓、易腐蝕等惡劣環境下使用，翅片管作為換熱元件應具有很好的防腐、耐磨、低接觸、高穩定性以及防積灰能力。

4 結語

縱向翅片管換熱器與光管換熱器相比，傳熱系數較高，更加緊湊，占地面積較小，結垢傾向遠低于光管換熱器，在選擇的時候，應根據用途和使用的環境選擇經濟高效的換熱器類型。

[1]董旭宇,閻依強,李想,等.石油化工行業中換熱器的種類及用途原理[J].硅谷，2013，(16):40-42.

[2]方向紅.列管式換熱器與板式換熱器的比較[J].安徽化工，2002，(4)：43-44.

[3]湯國芳.縱向翅片扁管換熱器的性能研究與結構優化[D].東華大學，2009.

[4]吳恩.緊湊式換熱器的綜合性能設計與優選[D].南京工業大學，2006.