翅片管换热器基础资料.docx

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翅片管换热器基础资料

第六讲热负荷和热平稳

主讲人哈尔滨工业大学刘纪福教授

在以上几讲的基础上，从本讲开始将慢慢讲述翅片管换热器的设计计算方式。

众所周知，翅片管换热器是庞大的换热器家族中的一种，其设计计算确信要基于共性的和基础性的设计计算原理和方式，本讲座将尽可能突出翅片管换热器的“个性”和特点，并尽可能做到联系工程实际，通俗易懂。

本讲的主题是换热器中的两个大体概念—热负荷和热平稳，并通过量个实例来把握它的应用和计算。

一、热负荷

对一个换热设备来讲，热负荷确实是指换热量或传热量，即在单位时刻内所互换的热量，单位是KW（KJ/S）或Kcal/h（千卡每小时），（请记住二者的换热关系：

1KW=860Kcal/h）。

工程上热负荷经常使用Q来表示。

在翅片管换热器的设计中，热负荷通常并非是由用户直接提出来的，而是由设计者依照用户的实际需求和现场的技术参数计算出来的。

下面举几个实例加以说明。

【例1】有一个供热公司要为一台供暖用的10t/h热水锅炉安装一台翅片管式省煤器，希望将排烟温度从220ºC降至120ºC。

烟气流量说不准，可能是2万多立方米每小时，并告知引风机的型号和流量。

为了确信省煤器的热负荷，设计者要从用户那里获取尽可能多的与排烟量有关的信息，如：

燃煤量、煤的热值、锅炉是不是满负荷运行、风机型号等。

最后依照自己的体会帮忙用户确信排烟量的设计值：

16000Nm³/h。

然后按下式计算省煤器的热负荷：

Q=Gg×（Tg1×Cpg1－Tg2×Cpg2）KW

此处：

Gg：

烟气的质量流量，kg/s

Cpg1Cpg2：

烟气的入口处比热和出口处比热，查物性表，KJ/（Kg·ºC）

Tg1：

烟气入口温度，ºC

Tg2：

烟气出口温度，ºC

在本例中，Gg=1600

Cpg1=1.102KJ/（Kg·ºC），Cpg2=1.074KJ/（Kg·ºC）

Tg1=220ºCTg2=120ºC，1.295是烟气在0ºC时的密度（kg/m3）。

计算得Q=653KW

应当记住：

烟气（或空气）在某一温度下含有的热能能够通过下式计算：

Qg=Gg×（Tg×Cpg）

【例2】有一燃气加压站，希望设计一台翅片管式空气冷却器，将紧缩后的燃气从134ºC降至50ºC，燃气流量为7500Nm³/h。

其结构特点是：

管内走燃气，管外加翅片，由空气冷却。

空气侧的流量不确信。

热负荷Q值一样由燃气侧的已知条件计算：

Q=Gg×Cpg×（Tg1-Tg2）

=（7500×）kg/KJ/（Kg·ºC）×（134-50）ºC

=242KW

此处，燃气的比热Cpg取的是平均温度下的数值。

【例3】在冬季，某工厂想将一台已有的1t/h蒸汽锅炉用于车间的供暖，具体方案是选用一台翅片管式蒸汽/空气换热器，用锅炉产生的0.8t/h,150ºC的饱和蒸汽加热空气，希望将空气从0ºC加热到100ºC，蒸汽凝结后的凝结水温度为120ºC。

为了选择风机，要求计算风量。

这一课题的热负荷应该以为是已经给出了，只需简单的计算一下：

第一应从相应的热物性表查出150ºC下饱和蒸汽的焓值i"=2745.3kJ/kg和120ºC的饱和水的焓值i´=503.7kJ/kg，那么热负荷为：

Q=（800/3600）㎏/s×（2745.3-503.7）KJ/kg=498KJ/s=498KW

对空气侧，有以下关系式：

Q=Ga×Cpa×（Ta2-Ta1）

式中，Ga：

空气流量，㎏/s

Cpa=1.005KJ/（Kg·ºC）：

空气比热，按平均温度查表

Ta2=100ºC，空气出口温度；Ta1=0ºC，空气入口温度

由上式解出

Ga=Q/[Cpa×（Ta2-Ta1）]=4.96kg/s=17840kg/h=13800Nm3/h

]

【例4】有一个小型钢铁厂，拟在其烧结炉的高温排气段装一台翅片管余热锅炉，高温段的平均排烟温度为320ºC，烟气流量大约为70000Nm³/h，希望产生的饱和蒸汽压力为。

试计算能够回收利用的热负荷。

第一，在这一命题中并无给出烟气的出口温度，因此，需要选择一个合理的烟气出口温度，并与用户协商。

该余热锅炉所产生的的饱和蒸汽对应的饱和温度可由热物性表查出：

tv=158ºC。

由此确信烟气出口温度应该大于158ºC，最后协商确信烟气出口温度取Tg2=190ºC。

回收热负荷：

Q=Gg×Cpg×（Tg1-Tg2）=（70000×）×1×（320-190）=3633KW

由上面的几个实例可知，计算热负荷应遵循下面几条原那么：

（1）、对用户给出的参数按“热流体侧”和“冷流体侧”进行分类比对，如

序号

热流体侧

序号

冷流体侧

1

热流体进口温度

4

冷流体进口温度

2

热流体出口温度

5

冷流体出口温度

3

热流体流量

6

冷流体流量

一样只需给出上述六个量中的5个，选择给出条件最全面的那一侧流体进行热负荷计算。

例如，假设热流体侧1、2、3个条件都给出了，而冷流体侧只给出了两个4、5，那么应依据热流体侧给出的条件计算热负荷，即：

Q=【流体流量，（kg/s）】×【入口焓值（kJ/kg）—出口焓值（kJ/kg）】，得出的单位是kJ/s或KW。

进出口焓值，关于水和水蒸气而言，可直接查物性表，关于烟气和空气，假设用户没有给出焓值的数据，那么可按下式计算：

焓值（kJ/kg）=比热（kJ/kgºC）×温度（ºC）

即，i=Cp×T

（2）、不要轻易相信誉户（需方）给定的参数，尤其是烟气或空气流量，需要通过度析和核实。

例如，有的用户将风机的铭牌流量作为计算热负荷的参数，这是不对的。

假设流量是波动的（如炼钢炉的排气），那么应了解其波动的振幅和周期，取其合理的数值作为设计值。

大多数情形下，需要和用户进行面对面的分析和协商，做深切的调研或测试，以确信较为准确的设计参数，作为计算热负荷的依据。

曾经有过如此一个案例：

某钢铁厂为了回收电弧炼铁炉的余热，要求上一台余热回收装置，用以产生蒸汽。

那时依照厂方提供的数据，能够产生35t/h蒸汽，通过设计、制造、安装运行后，取得的实际产汽量仅为15～18t/h。

什么缘故有这么大的差距？

后来通过调查，发觉用户给出的烟气流量大大超过烟气的实际流量，给出的入口温度值也偏高了，即太高的估量了余热资源的数量。

尽管运行取得成功，但却造成了一次投资的庞大浪费。

2．热平稳

这儿所说的热平稳是一个换热设备中冷热流体之间的热平稳，即

量热流体放出的热量=冷流体取得的热量

有时还要考虑传热进程中的热损失，即

量热流体放出的热量=冷流体取得的热量+热损失

一样，热损失小于5%，关于保温良好的设备，在设计中也能够不考虑热损失。

热平稳是能量守恒定律在传热进程中的具体应用，热平稳既是一个理念，也是一种方式。

所谓理念，确实是在任何情形下都不能动摇。

例如：

有人宣称，他的换热设备或元件有神奇功能，输入1KW，输出大于1KW。

请万万不要相信。

一样加热侧和冷却侧的热量显现少量不平稳，多数是由于测量误差造成的。

说热平稳是一种方式是指咱们常常应用这一概念进行推导和计算，计算得步骤是：

由某一侧的参数计算出热负荷以后，然后依照热平稳概念计算另一侧中尚未给出的参数。

仍由上面给出的例子说明：

【例2】中，

热流体（燃气）：

134ºC—→50ºC，7500Nm³/h，Q=242KW

冷流体（空气）：

20ºC—→30ºC，流量待定。

（设定）（设定）

当由热流体侧计算出热负荷Q=242KW以后，那么可推算出冷流体（空气）的流量。

Ga=Q/[Cpa（30-20）]=242/（5×10）=24kg/s=86686kg/h=67000Nm³/h

由此可见，由于空气的温升很小，需要的空气流量是超级庞大的！

【例4】中，

热流体（烟气）：

310ºC—→190ºC，70000Nm³/h，Q=3633KW

冷流体（蒸气）：

入口水温—→158ºC，产汽量未知。

（未知）

第一与用户协商后，设定入口水温为100ºC（经省煤器后进入）。

需要确信的确实是蒸汽产量Gv了

Gv=Q/（i"158ºC-i´100ºC）

由热平稳概念，以为蒸汽侧吸收的热量等于烟气侧放出的热量Q=3633KW，由物性表查得出口蒸汽的焓值i"158ºC=2755kJ/kg，入口水的焓值i´100ºC=419.1kJ/kg

故：

Gv=3633/（2755－）=1.555kg/s=5599kg/h=5.6t/h（产汽量）

在该项目的洽谈中，产生了一个与“热平稳”概念有关的“插曲”：

该钢厂的技术负责人曾执意要求给提供8t/h的蒸汽，经反复计算，向他们说明，余热资源的数量不足以产生8t/h的蒸汽，总不能做“无米之炊”吧，最后才同意了【例4】中的计算方案。

好了，本讲就讲完了，应该指出，热负荷和热平稳的概念及计算方式不仅是针对翅片管换热器的，它适用于所有热互换设备。

要专门好的把握它，需要慢慢积存工程体会。

最后，有一个练习题：

以下图所示的翅片管换热器，水在由六排管组成的管内流动，管外是烟气的横向冲洗。

试写出管内水热负荷的计算式和管外烟气热负荷的计算式，并指出需要从热物性表中查取哪些物理量。

此主题相关图片如下：

第七讲翅片管的传热系数和传热热阻

主讲人：

哈尔滨工业大学刘纪福教授

本讲的内容是翅片管换热器设计方式的要紧组成部份。

涉及到传热学的大体概念和大体概念。

本讲座并非想深切到传热原理的系统讲解中去，也不想追求理论上的严谨和完整，而是想结合翅片管的结构特点，尽可能通俗地讲解必需要明白的一些大体内容，期望非专业人士也能够把握或部份地把握翅片管换热器的设计计算方式。

这儿讲的“传热”不是通俗的对传热现象的一样称号，而是一个专出名词。

传热的概念是：

热量从热流体通过管壁传给冷流体的进程。

如下一末节的附图所示。

传热进程由三个分进程组成：

（附图中，假定热流体在管内，冷流体在管外，反之也然。

）

进程1：

热量Q（W或KW）由热流体传给管壁（管内壁），第一讲已讲过，这一进程属“对流换热”，其对流换热系数为hi（W/（㎡·ºC））。

（尔后,角标“i”代表“内部”，角标“o”代表“外部”，而角标“w”代表管壁。

），这一对流换热进程对应的温差为（Ti-Twi）,此处，Ti为管内流体温度，Twi为管内壁温度。

进程2：

热量Q从管子内表面传给管外表面，因为热量是在固体内部传递，这一进程叫“导热”或“热传导”。

此进程对应的温差为（Twi-Two）。

进程3：

热量Q从管外表面传给管外冷流体的进程。

这一进程属“对流换热”，对应的温差为（Two-To）,其对流换热系数为ho.应当指出的是，此处，Two是基管的外表面温度，因此，ho是以基管外表面积为基准的换热系数。

在第四讲中，讲述了翅片管外表面为基准的换热系数h的计算。

两个换热系数ho和h的换算关系见第四讲中的说明：

h0=h×β×η

式中，β为翅化比，即加翅片后面积扩大的倍数，

η为翅片效率，是小于1的数。

加翅片后的总成效是ho»h。

下面举几个传热进程的实例：

【例1】：

一个蒸汽加热器，用管内的蒸汽加热翅片管外的空气，这是一个典型的传热进程：

热量从管内的热流体（蒸汽的凝结）通过翅片管的管壁传给冷流体（空气）。

【例2】：

某一翅片管式锅炉省煤器，热量从管外流动的高温烟气通过管壁传给管内的冷流体——水，这也是一个典型的传热进程。

【例3】：

家用暖气片，暖气片内流动的是热水，暖气片外是室内空气的自然对流。

从内部的热水通过暖气壁面传给冷流体——空气的进程是一个典型的传热进程。

应当指出，在稳固状态下，传热量Q在任一分进程中维持同一数值，即传入的Q值等于传出的Q值。

所谓稳固状态，是指系统和设备的各点温度不随时刻而转变时的状态。

翅片管的传热进程，可用下面的图解加以说明，并最后推出传热系数的概念和表达式。

进程1------进程2------进程3

↓↓

为了方便讨论，将圆管壁面简化为平壁

↓↓

将上述三式左右分别相加，消去Twi，Two

取得下式：

从而得出最重要的传热公式：

Q=AK△T;

；△T=Ti-To

式中，

，叫传热系数，表示单位面积、单位温差（Ti–To）时传热量。

单位为W/（㎡·℃）

3.传热热阻及数量级分析

传热系数可表示为传热热阻的形式：

（1/K）越大，传热量越小，因此（1/K）叫作传热热阻，用R总表示。

R总=Ri+Rw+Ro

式中，R总=1/K，为传热热阻，单位为：

（㎡·℃）/w

Ri，Rw，Ro别离代表串联于传热进程中的管内对流换热热阻，管壁热阻和管外对流换热热阻。

如以下图所示：

在翅片管的传热进程中，各项热阻的大小是不同的，比较如下：

关于管内为水的流动：

hi≈5000W/（㎡·℃）,Ri=1/hi=0.0002（㎡·℃）/W

设管壁厚度δ=0.003m,导热系数λ=40W/（m·℃）（对碳钢）

（㎡·℃）/W

管外为翅片管，设基管外表面的换热系数ho=200W/（㎡·℃）,

Ro=1/ho=0.005（㎡·℃）/W

上例中，Ro：

Ri：

Rw=1：

：

；

由此可见，管壁导热热阻Rw=δ/λ很小，约占总热阻的1%左右，可忽略之。

f为小于1的常数，上例中，

为了设计平安，对翅片管传热，可取～。

要紧考虑：

管面的污垢和积灰是一项附加的热阻，可使R总增大，使传热系数有所下降。

另外，系数f也考虑了管内热阻Ri及管壁热阻Rw的阻碍。

一样，f值可按下表选取

管内为水的单相对流时

管外有积灰

  f=0.8

管外无积灰

  f=0.9

管内为水的相变时

（沸腾和凝结）

管外有积灰

  f=0.9

*特殊情形：

假设管内为制冷剂或碳/氢化合物的液体或相变时，可取f=0.7

4.传热系数的估算表

依照简化后的传热系数K的计算式：

K=ho×f

及翅片管管外换热系数的换算式：

ho=h×β×η

利用第二讲，第四讲中h,β,η的计算结果,能够得出不同情形下的传热系数K的估算值，见下表。

表中包括了目前经常使用的翅片管规格和常见的冷热流体的情形，与精准的计算结果相较，误差在±10%左右，是能够同意的。

气体绕流翅片管制时的换热系数和传热系数计算表

h,hoW/（㎡·℃）,K，W/（㎡·℃）

迎面质量流速

㎏/㎡S

1

㎏/㎡S

2

㎏/㎡S

3

㎏/㎡S

4

㎏/㎡S

翅片管规格

CPG（Φ250/6/1）

Pt=65mm

传热系数K

h=29.0

β=7.4

η=0.85

ho=182.4

K=146/164

h=47.8

β=7.4

η=0.83

ho=293.6

K=235/264

h=64

β=7.4

η=0.8

ho=378.4

K=303/341

h=78.7

β=7.4

η=0.78

ho=454.8

K=364/409

翅片管规格

CPG（Φ250/6/1）

Pt=65mm

传热系数K

h=27.7

β=7.4

η=0.86

ho=176.2

K=141/159

h=45.5

β=7.4

η=0.84

ho=282.8

K=224/255

h=64.0

β=7.4

η=0.81

ho=383.6

K=307/345

h=78.7

β=7.4

η=0.79

ho=460.0

K=368/414

翅片管规格

CPG（Φ255/6/1）

Pt=65mm

传热系数K

h=26.7

β=9.2

η=0.82

ho=201.4

K=161/181

h=43.8

β=9.2

η=0.80

ho=322.4

K=258/290

h=58.7

β=9.2

η=0.77

ho=415.8

K=333/374

h=74.3

β=9.2

η=0.75

ho=512.7

K=410/461

翅片管规格

CPG（Φ255/6/1）

Pt=70mm

传热系数K

h=25.5

β=9.2

η=0.84

ho=197.0

K=158/177

h=42.0

β=9.2

η=0.82

ho=316.8

K=253/285

h=56.2

β=9.2

η=0.80

ho=413.6

K=331/372

h=69.0

β=9.2

η=0.78

ho=495.1

K=396/446

翅片管规格

CPG（Φ32×3/62/8/1）

Pt=76mm

传热系数K

h=27.6

β=6.62

η=0.81

ho=148.0

K=118/133

h=45.4

β=6.62

η=0.85

ho=237.4

K=190/214

h=60.7

β

η=0.77

ho=309.4

K=248/278

h=74.6

β=6.62

η=0.75

ho=370.4

K=296/333

翅片管规格

CPG（Φ32×3/70/8/1）

Pt=85mm

传热系数K

h=25.0

β=8.71

η=0.76

ho=165.5

K=132/149

h=41.1

β=8.71

η=0.73

ho=261.3

K=209/235

h=54.9

β=8.71η=0.71

ho=339.5

K=272/306

h=67.5

β=8.71

η=0.70

ho=411.5

K=329/370

翅片管规格

CPG（Φ32×3/62/6/1）

Pt=76mm

传热系数K

h=25.7

β=8.49

η=0.82

ho=178.9

K=143/161

h=42.3

β=8.49

η=0.80

ho=287.3

K=230/259

h=56.6

β=8.49

η=0.77

ho=370.0

K=296/333

h=69.6

β=8.49

η=0.75

ho=443.1

K=354/399

翅片管规格

CPG（Φ3868/8/1）

Pt=80mm

传热系数K

h=28.5

β=6.32

η=0.82

ho=147.7

K=118/133

h=46.9

β=6.32

η=0.80

ho=237.1

K=190/213

h=62.7

β=6.32

η=0.78

ho=309.1

K=247/278

h=77.1

β=6.32

η=0.76

ho=370.3

K=296/333

翅片管规格

CPG（Φ38×68/8/1）

Pt=88mm

传热系数K

h=26.8

β=6.32

η=0.84

ho=142.3

K=114/128

h=29.0

β=6.32

η=0.82

ho=227.0

K=182/204

h=29.0

β=6.32

η=0.80

ho=295.8

K=237/266

h=29.0

β=6.32

η=0.78

ho=354.9

K=284/319

翅片管规格

CPG（Φ3876/8/1）

Pt=90mm

传热系数K

h=24.8

β=8.25

η=0.75

ho=153.5

K=123/138

h=29.0

β=8.25

η=0.73

ho=246.3

K=197/222

h=29.0

β=8.25

η=0.71

ho=320.4

K=256/288

h=29.0

β=8.25

η=0.70

ho=388.0

K=310/349

翅片管规格

CPG（Φ3868/6/1）

Pt=80mm

传热系数K

h=26.4

β=8.1

η=0.82

ho=175.3

K=140/158

h=43.5

β=8.1

η=0.80

ho=281.9

K=226/254

h=61.6

β=8.1

η=0.78

ho=389.2

K=311/350

h=75.8

β=8.1

η=0.76

ho=466.6

K=373/420

翅片管规格

CPG（Φ5181/8/1）

Pt=95mm

传热系数K

h=28.6

β=5.92

η=0.84

ho=142.2

K=114/128

h=47.0

β=5.92

η=0.82

ho=228.2

K=183/205

h=62.9

β=5.92

η=0.80

ho=297.9

K=238/268

h=77.3

β=5.92

η=0.78

ho=356.9

K=286/321

翅片管规格

CPG（Φ5189/8/1）

Pt=104mm

传热系数K

h=25.0

β=7.6

η=0.78

ho=148.2

K=119/133

h=29.0

β=7.6

η=0.76

ho=237.4

K=190/214

h=29.0

β=7.6

η=0.74

ho=309.3

K=247/278

h=29.0

β=7.6

η=0.72

ho=369.9

K=296/333

说明：

K=***/***其中斜线上面红色的数值代表管内是水的单相流动,

斜线下面蓝色的数值代表管内是水的相变换热（沸腾或凝结）。

5.问题讨论

【问题1】有的读者提出用增加流速的方法也能够有效地增加管外侧的对流换热，莫非必然要用翅片管吗？

回答：

是的，必然要用翅片管。

因为用增加流速的方法对增大对流换热和传热的作用是有限的，而只有采纳翅片管才可能大幅度地增强传热。

请注意上面表格中每一个方框栏中所列举的数据：

其中，h的数值也可看做未加翅片光阴管的对流换热数值，当流速从1㎏/（㎡S）增至4㎏/（㎡S）时，h的数值可从25w/（㎡·℃）左右增加至70w/（㎡·℃）以上，看起来流速增加的成效是显著的。

但请比较ho的转变，ho代表采纳翅片以后，换算到光管外表面的换热系数，当流速从1㎏/（㎡S）增至4㎏/（㎡S）时，ho将从150w/（㎡·℃）左右增加至400w/（㎡·℃）。

由此可见，翅片的作用是不可替代的。

另外，还应考虑到，流速是不许诺随意增加的，流速太高会致使流动阻力的急剧上升，增加运行本钱。

【问题2】传