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翅片管换热那些事儿


什么是翅片管?


翅片管,又叫鳍片管或肋片管。顾名思义,翅片管就是在原有的管子表面上(不论外表面还是内表面)加工上了很多翅片,使原有的表面得到扩展,而形成一种独特的传热元件。


为什么要采用翅片管?


在原有表面上加工上翅片能起到什么作用呢?


翅片管换热器的结构与一般管壳式换热器基本相同,只是用翅片管代替了光管作为传热面。这使得其结构更加紧凑,换热面积增加,可以加强换热。


什么情况时,选用翅片管呢?


有几个原则:

(1)管子两侧的换热系数如果相差很大,则应该在换热系数小的一侧加装翅片。


  • 例1:锅炉省煤器,管内走水,管外流烟气,烟气侧应采用翅片。

  • 例2:空气冷却器,管内走液体,管外流空气,翅片应加在空气侧。

  • 例3:蒸汽发生器,管内是水的沸腾,管外走烟气,翅片应加在烟气侧。


应注意,在设计时,应尽量将换热系数小的一侧放在管外,以便于加装翅片。


(2)如管子两侧的换热系数都很小,为了强化传热,应在两侧同时加装翅片,若结构上有困难,则两侧可都不加翅片。在这种情况下,若只在一边加翅片,对传热量的增加是不会有明显效果的。


  • 例1:传统的管式空气预热器,管内走空气,管外走烟气。因为是气体对气体的换热,两侧的换热系数都很低,管内加翅片又很困难,只好用光管了。

  • 例2:热管式空气预热器,虽然仍是烟气加热空气,但因烟气和空气都是在管外流动,故烟气侧和空气侧都可方便地采用翅片管,使传热量大大增加。


(3)如果管子两侧的换热系数都很大,则没有必要采用翅片管。

  • 例 1:水/水换热器,用热水加热冷水时,两侧换热系数都足够高,就没有必要采用翅片管了。但为了进一步增强传热,可采用螺纹管或波纹管代替光管。

  • 例2:发电厂冷凝器,管外是水蒸汽的凝结,管内走水。两侧的换热系数都很高,一般情况下,无需采用翅片管。


翅片管束


1什么是翅片管束?


由多支翅片管按一定规律排列起来而组成的换热单元叫翅片管束。一个翅片管换热器可以由一个或多个翅片管束组成。


2翅片管束的结构组成包括?


  • 翅片管(多支):传热的基本元件。

  • 管箱(集箱)或管板:连接翅片管两端的箱体,弯管或钢板。当翅片管与箱体或管板连接以后,翅片管之间的间距也就固定了,同时,管箱使管内的流体形成了连续的流道。

  • 构架:使整个翅片管束得以支撑和固定。


3翅片管的排列方式?


在一个管束中,翅片管排列方式的选取是致关重要的。有两种排列方式:叉排和顺排


所谓叉排,是指在气流方向管子交叉排列,而顺排是指在气流方向管子顺序排列。


下图是指对于不同翅片结构的翅片管,如矩形翅片或整体的板状翅片(又称板翅),同样有叉排和顺排之分。


图中的箭头代表管外流体的流动方向,S1 代表横向管间距,S2 代表纵向管间距。


顺排和叉排的优缺点:

  • 顺排:流体管外绕流时,受到的扰动较小,换热系数较低,但优点是阻力小。

  • 叉排:流体管外绕流时,受到的扰动较大,换热系数较高,但缺点是阻力大。


当对阻力降没有严格限制时,应首选叉排排列;当要求的阻力降很小时,应选取顺排方案。


4管箱的结构形式


如果说管束的排列形式(顺排或叉排,及管间距的选取)主要是考虑管外流体的换热要求而确定的话,那么管箱的形式和结构则主要是考虑管内流体的压力和换热要求。


一般应遵循下列原则:


(1)若管内流体的压力较高,一般选用大直径的圆管作为管箱。



例如,在锅炉应用上,几乎都选用圆管作为管箱。


(2)在空冷器应用上,喜欢采用方形箱体。



方形箱体的优点是可以同时连接多排翅片管。当管内是蒸汽的凝结时,需要有大的蒸汽空间,一个管箱与多排管子相连是必要的。


(3)当管内流体的进出口温度相差很大时,管箱可能会因为管排的热膨胀不同而变形,这时,宜采用分解式管箱。


(4)除了管束的第一排和最后排,必须采用相应的管箱连接之外,其它各排最好用弯管一对一连接。


其优点在于:

  • 能提高换热效率。理论证明,一对一连接能避免各排管流体的掺混,而流体的掺混使传热温差和传热效率降低。

  • 能减少流体的流动阻力。因为一对一连接保证了流动截面积不变,避免了流体不断地膨胀和收缩。

  • 弯管能“吸收”热膨胀而产生的变形。


实例讲解


这是一个很典型的翅片管束,第一排和末排采用大直径的圆管管箱,而中间各排采用一对一的弯管连接。GOOD!


这台设备共有七排翅片管,每排十根管,分两个管程,共14个管程。每一管程有一引出管,通过弯管与其他管程连接。之所以选取这么多管程,可能是因为管内流体的流量太小所至。


这一组翅片管束都是由四排管组成。除了圆管状的进出口管箱之外,其它都是一对一的弯管连接。是合理而标准的管束结构。



这两组翅片管束都是采用的方形管箱,看来管内流体的压力不太高。


很显然,这台设备的每一排翅片管都用方形管箱将其分为两个管程,再用粗的弯管将各管程连接起来。



上图是一组空气冷却器的翅片管束。可以看到,其中有方形管箱,圆管管箱,有一对一的弯管连接,也有的是全部用管箱进行连接。


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