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翅片管换热器的设计计算方法

来源:康景辉热能设备日期:2018/12/06 09:26 浏览:

      在工业生产中,凡是用来实现冷热液体热量交换的设备,统称为换热器。而在低温领域应用较广的翅片管换热器是众多换热器中的一种,它是在管的表面加装翅片制成,对扩展换热面积和促进湍流有明显作用,无论对单相对流换热器和相变对流换热器都具有很大价值。

翅片管换热器

      翅片管换热器结构上由于用翅片管代替了光管作为传热面,使得传热能力加强,传热面积可增大2~10倍,传热吸水可提高1~2倍。同时结构紧凑便于布置,相对于相变换热,可使换热系数或临界热流密度及“恶化含气量”提高。翅片管的另一个特性是结垢减轻,翅片管不会像光管那样沿圆周或轴向结成均匀的整体垢层,沿翅片和管子表面结成的污垢在胀缩作用下,会在翅根处断裂,促使硬垢自行脱落,这样有利于长时间保持较高的传热性能。不过,翅片管的缺点是造价高,流阻大。

翅片管热交换器

      翅片管换热器因制造方法不同而使其在传热性能、机械性能等方面有一定的差异,在选型设计计算上也会有所差异。翅片管换热器的设计计算主要从传热与阻力进行分析。

      1、 传热量的计算

      传热量的计算可由传热基本方程式求得:

      Q = K F ∆t = K ₁ F ₁ ∆t

      式中:

      F, F ₁——分别为翅片管外表面积、翅片管光管外表面积,单位㎡;

      ∆t——平均温差,单位℃;

      K, K ₁——分别为一翅片管外表面积即翅片管光管外表面积为基准的传热系数,单位W/(㎡.℃)。对于石油化工行业,习惯以光管外表面积为基准的传热系数进行计算,而电力行业,则习惯以翅片管外表面积为基准。

翅片热交换器

      2、 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传热面积增加,可导出计算传热系数的公式

      ⑴ 单层翅片管

      以光管外表面积为基准时,使用(公式一)

      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,使用(公式二)

      式中:

      K o 、K f ——分别为一光管外表面积及翅片管外表面积为基准的传热系数,单位W/(㎡.℃);

      αi、αf ——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,单位W/(㎡.℃);

      F o 、F i 、F f —— 分别为光管外表面积、光管内表面积及翅片管外表面积,单位㎡;

      λ——管材的导热系数,单位W/(m.℃);

      β——翅化比,β= F f / F i ;

      η——翅片壁面总效率;

      F’b——以翅片根部直径为基准的无翅片部分表面积,单位㎡;

      F’f——翅片管上翅片的表面积,单位㎡;

      L f ——翅片管长,单位m;

      F s,f 、r s,i ——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层,单位㎡.℃/W;

      d o——光管外径,单位m。

翅片管换热器计算公式

      ⑵ 复合翅片管(指翅片与基管为不同材料时)

      以光管外表面积为基准时,使用(公式三)

      以翅片管外表面积为基准时,使用(公式四)

      式中:

      δf、δ——分别为外套的翅片管壁厚及基管厚,单位m;

      λf、δ——分别为外套翅片管及基管导热系数,单位W/(m.℃);

      r c,b ——以基管外表面积为基准的接触热阻,单位m.℃/W;

      F b ——基管外表面积,单位㎡;

      d b——外套翅片管翅根处直径,单位m。

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