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翅片管 换热 、阻力计算基础翅片管/热管系列讲座第四讲:翅片管束的换热和阻力主讲人:哈尔滨工业大学刘纪福教授在第一讲和第二讲中，曾多次提到翅片管的管外换热系数(h)的概念,并提到由于空气侧或烟气侧的换热系数很低，需要采用翅片管的道理。本节将要讲解换热系数的计算方法。此外，当流体流过翅片管束时，须克服一定的流动阻力，因而会产生压力降P，压力降越大，说明消耗的动力越大。所以压力降的计算也是一个应该关注的问题，本节将同时介绍压力降的计算方法。1.流体绕流翅片管束时的管外换热系数首先，重温一下换热系数的定义:换热系数是指当流体流过固体壁面时，单位时间，单位面积，单位温差时的换热量。应注意，这儿说的单位温差是指固体壁面和流体之间的温差。本讲座中，换热系数用h来表示，其单位是:W/(m2.).在上节中曾提到，翅片管的排列有顺排和叉排之分，如下图所示。由于顺排和叉排时流体的流动状态不同，因而其换热系数的计算式是不同的。顺排流动叉排流动所有翅片管束管外换热系数的计算式都是由实验得出来的，实验中要考虑很多因素的影响，因而所得出的结果又叫实验关联式。不同研究者进行的实验可能会得出形式上不同的实验关联式，但在同一条件下的计算结果应该是相近的。我们的任务就是选择信得过的关联式进行计算。这儿，推荐Briggs和Young的实验关联式。他们曾对十多种环形翅片管束进行了实验研究，所有的实验管束都是叉排排列，管心距呈等边三角形布置。其标准误差在5%左右。下面只介绍对于高翅片管束的实验结果:当(df/db)=1.72.4,db=1241mm时，h=0.1378(/db)(dbGmax/)0.718(Pr)0.333(Y/H)0.296式中，df，db:翅片外径和基管直径;Y,H:翅片间隙和高度;,和Pr分别为流体的导热系数，黏度系数和普朗特数。根据流体温度查流体物性表得到;式中的Gmax是流体在最窄截面处的质量流速，单位是Kg/(m2.s).所谓最窄截面是指相邻两翅片管之间夹缝中的截面。由上式可知，影响换热系数h最大的因素是流速，与Gmax的0.718次方成正比。如何应用这一关联式进行计算，后面将通过一个例题加以说明。1.流体绕流翅片管束的流动阻力Robinson和Briggs对十多种叉排环形翅片管束进行了等温条件下的流动阻力测试。实验范围是:Re=(dbGmax/)=200050000Pt/db=1.84.6,此处，Pt即插图中的S1,为横向管间距;df/db=1.72.4db=1241mm阻力即压力降的表达式为:P=f(NG2max)/2单位是Pa上式中，N是纵向管排数，f是摩擦系数，是一个无因次数。对于按等边三角形排列的管束，由下面的实验关联式计算:f=37.86(dbGmax/)-0.316(Pt/db)0.927由上两式可见，影响翅片管束压力降P的主要因素是:第一是流速，与Gmax的2-0.316=1.684次方成正比;第二是管间距，几乎与Pt的一次方成反比。所以，为了降低阻力，可以选用较大的管间距和降低流体的流速。3计算举例有一翅片管束，等边三角形叉排排列，其迎风面积为2m2m,流过管束的空气流量为32000kg/h，该翅片管束的几何结构为:CPG(383.5/70/6/1)-(关于这一表示的含义请看第二讲)管间距:92，纵向(流动方向)的管排数为10排。空气的进口温度为20，而出口温度为100。试计算空气流过该管束时的对流换热系数和压力降。3-1查取在平均温度下的流体物性:平均温度=(20+100)/2=60，在此温度下空气的物性值为:密度:=1.06kg/m3黏度:=20.110-6kg/(m.s)导热系数:=0.029W/(m.)普朗特数:Pr=0.6963-2计算流速:迎风面上的空气质量流速:Gf=32000/3600/(22)=2.22kg/m2s最窄截面积/迎风面积(Pt1000)-(2db/2)1000-(1000/6)TH2=-=Pt1000=(921000-381000-166.61162)/(921000)=0.529最窄截面上的质量流速:Gmax=Gf/0.529=2.22/0.529=4.2kg/m2.s3-3计算换热系数h=0.1378(0.029/0.038)(0.0384.2/(20.110-6)0.7180.6960.333(5/16)0.296=34.3W/(m2)经计算并参阅第二讲，该翅片管的翅化比为8.72，翅片效率为0.78,这样，以基管外表面为基准的换热系数为:h=34.38.720.78=233W/(m2.)3-4计算压力降首先计算摩擦系数，f=37.86(0.0384.2)/(20.110-6)-0.316(92/38)-0.927=0.9946流过10排管束的压力降，P=f(104.22)/(21.06)=82.76Pa对于每一排管的压力降=82.76/10=8.276Pa4计算表格上面的计算过程表明，翅片管的管外换热系数和压力降的计算还是比较复杂的，对于非专业人士会有一定的困难。因此，下面给出若干组已经计算好的数据，可供选用和参考。见下表。气体绕流翅片管束时的换热系数和流动阻力计算表h(W/m2),P(Pa)迎风面质量流速Kg/m2S1Kg/m2S2Kg/m2S3Kg/m2S4Kg/m2S翅片规格CP(25/50/6/1)Pt=60mmh=29.0P=N3.0h=47.8P=N9.5h=64P=N18.7h=78.7P=N30.4翅片规格CP(25/50/6/1)Pt=65mmh=27.7P=N2.4h=45.5P=N7.8h=64.0P=N15.5h=78.7P=N25.2翅片规格CP(25/55/6/1)Pt=65mmh=26.7P=N2.5h=43.8P=N8.1h=58.7P=N16.1h=74.3P=N28.0翅片规格CP(25/55/6/1)Pt=70mmh=25.5P=N2.1h=42.0P=N6.9h=56.2P=N13.6h=69.0P=N22.0翅片规格CP(32/62/8/1)Pt=76mmh=27.6P=N2.6h=45.4P=N8.3h=60.7P=N16.4h=74.6P=N26.6翅片规格CP(32/70/8/1)Pt=85mmh=25.0P=N2.2h=41.1P=N6.9h=54.9P=N13.7h=67.5P=N22.3翅片规格CP(32/62/6/1)Pt=76mmh=25.7P=N2.8h=42.3P=N8.9h=56.6P=N19.6h=69.6P=N28.5翅片规格CP(38/68/8/1)Pt=80mmh=28.5P=N3.3h=46.9P=N10.6h=62.7P=N20.9h=77.1P=N34.0翅片规格CP(38/68/8/1)Pt=88mmh=26.8P=N2.4h=43.8P=N7.9h=58.5P=N15.7h=72.0P=N29.8翅片规格CP(38/76/8/1)Pt=90mmh=24.8P=N2.5h=40.9P=N8.1h=54.7P=N16.0h=67.2P=N26.0翅片规格CP(38/68/6/1)Pt=80mmh=26.4P=N3.5h=43.5P=N11.2h=61.6P=N25.4h=75.8P=N41.2翅片规格CP(51/81/8/1)Pt=95mmh=28.6P=N4.1h=47.0P=N13.2h=62.9P=N26.2h=77.3P=N42.5翅片规格CP(51/89/8/1)Pt=104mmh=25.0P=N3.4h=41.1P=N10.9h=55.0P=N21.7h=67.6P=N35.2平均数值h=26.7P=N2.8h=43.9P=N9.1h=59.2P=N18.4h=72.3P=N29.8上表的说明:1计算的流体平均温度为100;适用与空气或烟气。2翅片按等边三角型叉排排列;N代表流动方向上的管排数。3翅片规格见第二讲中的说明;4迎风面质量流速是指流体在进入管束之前，单位流通面积，单位时间(每秒)流过的流体质量(kg)。应用方法:1计算或选择迎风面质量流速和翅片规格;2在上表中找到相近的对应值，从而查取h和P值。如果您在应用上表时仍感到有点麻烦，也不妨由表中最后一行的平均数值直接选取。不过，大约会有20%左右的误差，同时，该平均值仅适用于高频焊翅片管束的常用规格。5关于翅片管换热系数和压力降的讨论(1)和其他换热器一样，换热系数高说明可节省传热面积，减少设备的一次投资;而压力降大，说明设备的阻力大，运行费用大，增加了二次投资。(2)在结构参数一定的情况下，换热系数和压力降都随着流速的增大而增大。由本讲推荐的计算公式可知，翅片管束的换热系数h与质量流速的0。718次方成正比;而压力降P与质量流速的1。684次方成正比。(3)当用户对压力降有很苛刻的要求时，如要求整个翅片管换热器的压力降须控制在100Pa以内，这时应采取的措施是:1)，扩大迎风面积，减小迎面风速;2)，扩大管间距，进一步减小最窄截面处的质量流速。请注意，这时您付出的代价是:换热系数减小，换热面积增大。(4)当用户对压力降没有明确要求，或要求比较宽松时，作为设计者，您可以选用较大的质量流速，使结构更为紧凑。(5)在积灰比较严重的场合，还需要保证