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1、第一講翅片管的傳熱原理和選用原則翅片管和熱管系列講座主講人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院劉紀(jì)福教授第一講：翅片管的傳熱原理和選用原則翅片管，又叫鰭片管或肋片管，英文名字叫“FinTube”或”FinnedTube”,也有時叫做“ExtendedSurfaceTube”,即擴(kuò)展表面管。顧名思義，翅片管就是在原有的管子表面上（不論外表面還是內(nèi)表面）加工上了很多翅片，使原有的表面得到擴(kuò)展，而形成一種獨(dú)特的傳熱元件。下面展示的是兩張翅片管的照片。為什么要采用翅片管？在原有表面上加工上翅片能起到什么作用？要回答這一問題，還需要從傳熱過程的某些基本原理說起。首
2、先，要介紹一個傳熱學(xué)上的定義：固體表面與和它接觸的流體之間的換熱稱為對流換熱。我們最熟悉的對流換熱就是暖氣片外表面和空氣之間的換熱。生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們：暖氣片面積越大，表面溫度越高（即表面溫度和空氣間的溫差越大），供熱時間越長，則換熱量越大，房間越暖和。這說明對流換熱量和換熱面積成正比，和溫度差成正比，和時間成正比。為了比較不同情況下對流換熱的強(qiáng)弱，我們需定義一個物理量：叫做“換熱系數(shù)”。換熱系數(shù)是指單位面積，單位溫差（壁面和流體之間的溫差），單位時間的對流換熱量。其單位是J/(s.㎡.℃)或W/(㎡.℃).對流換熱系數(shù)常用符號h表示。換熱系數(shù)
3、的大小主要取決于下面幾個因素：1.流體的種類和物理性質(zhì)：例如水和空氣是截然不同的，其換熱系數(shù)相差甚大；1.流體在換熱過程中是否發(fā)生相變，即是否發(fā)生沸騰或凝結(jié)。若有相變發(fā)生，則其換熱系數(shù)將大大提高；2.還和流體的流速和固體表面的形狀有關(guān)。等等。對流換熱系數(shù)的大小主要是通過實(shí)驗(yàn)研究來確定，下面給出一組常用情況下的數(shù)值范圍：水蒸汽的凝結(jié)：h=10000---20000W/(㎡*℃)水的沸騰：h=7000---10000水的對流：h=3000---5000空氣或煙氣的強(qiáng)制對流：h=30---50,,,,,空氣或煙氣的自然對流：h=3—5,,,,,由此
4、可見，不同情況下其換熱系數(shù)的差別是非常巨大的。請記住上述換熱系數(shù)的數(shù)值范圍，這對以后翅片管的理解和選用是大有用處的。下面將討論一個具體的傳熱設(shè)備的實(shí)例：有一臺用熱水加熱空氣的換熱器，熱水在管內(nèi)流動，空氣在管外流動。例如采暖用的熱風(fēng)幕或汽車上的散熱器（radiator）都屬于這一種傳熱類型，即熱水的熱量經(jīng)過管壁傳給管外的冷流體—空氣。由此可見，傳熱過程是與間壁兩側(cè)的兩個對流換熱過程緊緊地聯(lián)系在一起的。對于上述實(shí)例：管內(nèi)水側(cè)對流換熱系數(shù)約為5000，而管外空氣側(cè)的對流換熱系數(shù)約為50，二者相差100倍。由于空氣側(cè)的換熱“能力”遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水側(cè)，限制了
5、水側(cè)換熱“能力”的發(fā)揮，使得空氣側(cè)成為傳熱過程的“瓶頸”，限制了傳熱量的增加。為了克服空氣側(cè)的“瓶頸”效應(yīng)，在空氣側(cè)外表面加裝翅片將是一個最明智的選擇。加裝了翅片以后，使空氣側(cè)原有的傳熱面積得到了極大的擴(kuò)展，禰補(bǔ)了空氣側(cè)換熱系數(shù)低的缺點(diǎn)，使傳熱量大大提高，如下面的附圖所示。關(guān)于加裝翅片的作用還可以用下面更形象的例子來說明：在一個邊境口岸的出入境處，假定甲方口岸有十個檢驗(yàn)口，每小時能放行5000人，而乙方口岸只有一個檢票口，且辦的很慢，每小時只能放行50人。這樣，乙方側(cè)就成了旅客通關(guān)的瓶頸，使得甲方的“能力”不能發(fā)揮。為了提高通關(guān)流量，最有效的
6、辦法就是在乙方側(cè)多開幾個檢驗(yàn)口。這與加裝翅片的原理是一樣的。在了解了翅片管的原理和作用以后，在甚么場合選用翅片管，有下面幾個原則：（1）管子兩側(cè)的換熱系數(shù)如果相差很大，則應(yīng)該在換熱系數(shù)小的一側(cè)加裝翅片。例1：鍋爐省煤器，管內(nèi)走水，管外流煙氣，煙氣側(cè)應(yīng)采用翅片。例2：空氣冷卻器，管內(nèi)走液體，管外流空氣，翅片應(yīng)加在空氣側(cè)。例3：蒸汽發(fā)生器，管內(nèi)是水的沸騰，管外走煙氣，翅片應(yīng)加在煙氣側(cè)。應(yīng)注意，在設(shè)計時，應(yīng)盡量將換熱系數(shù)小的一側(cè)放在管外，以便于加裝翅片。（2）如管子兩側(cè)的換熱系數(shù)都很小，為了強(qiáng)化傳熱，應(yīng)在兩側(cè)同時加裝翅片，若結(jié)構(gòu)上有困難，則兩側(cè)可都
7、不加翅片。在這種情況下，若只在一邊加翅片，對傳熱量的增加是不會有明顯效果的。例1：傳統(tǒng)的管式空氣預(yù)熱器，管內(nèi)走空氣，管外走煙氣。因?yàn)槭菤怏w對氣體的換熱，兩側(cè)的換熱系數(shù)都很低，管內(nèi)加翅片又很困難，只好用光管了。例2：熱管式空氣預(yù)熱器，雖然仍是煙氣加熱空氣，但因煙氣和空氣都是在管外流動，故煙氣側(cè)和空氣側(cè)都可方便地采用翅片管，使傳熱量大大增加。（3）如果管子兩側(cè)的換熱系數(shù)都很大，則沒有必要采用翅片管。例1：水/水換熱器，用熱水加熱冷水時，兩側(cè)換熱系數(shù)都足夠高，就沒有必要采用翅片管了。但為了進(jìn)一步增強(qiáng)傳熱，可采用螺紋管或波紋管代替光管。例2：發(fā)電廠冷
8、凝器，管外是水蒸汽的凝結(jié)，管內(nèi)走水。兩側(cè)的換熱系數(shù)都很高，一般情況下，無需采用翅片管。第二講翅化比，翅片效率和翅片參數(shù)選擇翅片管/熱管系列講座主講人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
