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翅片管的傳熱過程,可用下面的圖解加以說明,并后推出傳熱系數的定義和表達式。為了方便討論,將圓管壁面簡化為平壁:對于管內為水的流動:hi≈5000 W/(㎡·℃), Ri=1/hi=0.0002 (㎡·℃)/W 設管壁厚度 δ=0.003m, 導熱系數 λ=40 W/(m·℃ ) (對碳鋼):管外為翅片管,設基管外表面的換熱系數 ho=200 W/(㎡·℃), 由此可見,管壁導熱熱阻 Rw=δ/λ 很小,約占總熱阻的 1% 左右,可忽略之。為了設計,對翅片管傳熱,可取 f =0.8~0.9。主要考慮:管面的污垢和積灰是一項附加的熱阻,可使 R總增大,使傳熱系數有所下降。此外,系數 f 也考慮了管內熱阻 Ri 及管壁熱阻 Rw 的影響。一般,f 值可按下表選取管。內為水的單相對流時管外有積灰管外無積灰管內為水的相變時 (沸騰和凝結)。特殊情況:若管內為制冷劑或碳/氫化合物的液體或相變時,可取 f =0.7 4.。
傳熱系數的估算表
根據簡化后的傳熱系數 K 的計算式:K=ho×f;
翅片管管外換熱系數的換算式:ho=h×β×η氣體繞流翅片管束時的換熱系數和傳熱系數計算表:
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表中包括了目前常用的翅片管規格和常見的冷熱流體的情況,與的計算結果相比,誤差在±10% 左右,是可以接受的。
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管式爐對流室爐管內介質的傳熱系數一般都遠大于管外煙氣的傳熱系數。釘頭管和翅片管就是用來強化管外對流傳熱的。為了避免過多積灰而影響傳熱效果,除必燒油和油氣混燒時應設置吹灰器外,還應按照表-1的使用范圍正確選用釘頭管或翅片管。必須說明的是對流室煙氣入口處的2-3排爐管,既接受輻射室的輻射傳熱,又吸收高溫煙氣的對流傳熱,爐管表面熱強度很高,有時甚至超過輻射管的熱強度。這兩三排爐管通稱為遮蔽管,只能采用光管,而不得采用釘頭管和翅片管。
表1 釘頭管和翅片管使用范圍
釘頭和翅片的材質應根據計算的釘頭和翅片尖端溫度按表-2選用。另外還應考慮釘頭和翅片材質的熱膨脹系數應與爐管相同或相近,以避免多次開停工后釘頭或翅片從管壁剝離。
表2 釘頭和翅片材料高使用溫度
釘頭與爐管的焊接一般采用埋弧火花焊或電阻焊。翅片與爐管的焊接一般采用高頻焊或釬焊。當爐管材質是鉻鉬鋼或釘頭、翅片是鉻鉬鋼和鉻鋼時,應采用焊前預熱和焊后保溫緩冷的措施,以避免焊根開裂。由于釘頭焊接時的熱應力較大,當管內被加熱的是高腐蝕性介質時,釘頭管焊接完畢后應進行應力退火處理。
釘頭管和翅片管制造完畢后應進行強度水壓試驗,由于釘頭和翅片與爐管焊接時可能損傷爐管外壁,因此計算釘頭管和翅片管的水壓試驗壓力時,管壁厚度應減去一個減薄的厚度δ:埋弧火花焊釘頭管δ=3mm;高頻焊翅片管δ=1.5mm。
【問題1】增加對流換熱一定要用翅片嗎?
問:用增加流速的辦法也可以有效地增加管外側的對流換熱,難道一定要用翅片管嗎?
答:是的,一定要用翅片管。因為用增加流速的辦法對增大對流換熱和傳熱的作用是有限的,而只有采用翅片管才可能大幅度地增強傳熱。請注意上面表格中每一個方框欄中所列舉的數據:其中,h的數值也可看作未加翅片時光管的對流換熱數值,當流速從1㎏/(㎡S)增至4㎏/(㎡S)時,h的數值可從25 w/(㎡·℃)左右增加至70 w/(㎡·℃)以上,看起來流速增加的效果是顯著的。但請比較ho的變化,ho代表采用翅片以后,換算到光管外表面的換熱系數,當流速從1㎏/(㎡S)增至4㎏/(㎡S)時,ho將從150 w/(㎡·℃)左右增加至400 w/(㎡·℃)。由此可見,翅片的作用是不可替代的。此外,還應考慮到,流速是不允許隨意增加的,流速過高會導致流動阻力的急劇上升,增加運行成本。
【問題2】關于傳熱公式問:傳熱公式Q = A K△T與其他局部過程的換熱計算式的區別在哪兒,傳熱公式有什么優點?
答:傳熱公式是基于從熱流體到冷流體的整個傳熱過程推導出來的,而局部的換熱計算式,如管外部的對流換熱式Q=A ho (Two-To)僅適用于這一特定的局部換熱過程。
傳熱公式的大優點在于其傳熱溫差△T=Ti-To是熱流體和冷流體之間的溫度差。眾所周知,流體的溫度是比較容易測量和獲取的;而任何一個局部的換熱式中都包含了壁面溫度(Two或 Twi)。壁面溫度的測量是很困難的,在一個大的換熱設備中,要測量、獲取它的壁面平均溫度幾乎是不可能的。
【問題3】為什么要重視換熱系數ho?問:既然傳熱系數K與三個局部過程的特性有關: 答:這是因為翅片側的“熱阻”大,唯有它對整個傳熱過程起到“控制”作用。在翅片管傳熱的應用條件下,假定管內是水的單相流動或水的相變過程(沸騰或凝結),管內的換熱系數hi在5000~10000之間,而管外翅片側的換熱系數ho在150~400之間。兩者相差是很懸殊的。所以其熱阻(1/ho)將起到控制作用,總熱阻僅比它大一點點。因而傳熱系數K的數值總是接近ho的數值,且總是小于ho的數值
【問題4】掌握翅片換熱器設計應牢記什么?下面幾個簡單的概念或基本公式是應該記住的,這對掌握翅片管換熱器的設計方法是至關重要的。
1)傳熱過程是熱量由熱流體通過管壁傳給冷流體的整個過程,它由三個局部過程組成。
2)傳熱公式Q = A K△T ,一定要牢記。不論對所有型式的換熱器的設計,還是對翅片管換熱器的設計,它是形式簡單,但是重要的公式,它是所有計算式中的 №1 !
3)之所以稱上述公式重要,因為換熱器的傳熱面積A就是由這一傳熱公式計算出來的:
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換熱器類型及工作性能
換熱器按照其工作原理可分為間壁式、混合式和蓄熱式三類。
間壁式換熱器,熱流體和冷流體間有一固體壁面,兩種流體被固體壁面隔開,彼此不接觸,熱量的傳遞必須通過壁面。
混合式換熱器依靠冷、熱流體的直接接觸而進行換熱,換熱后理論上應變成同溫同壓的混合介質流出。
蓄熱式換熱器則依靠固體填充物組成的蓄熱體傳遞熱量,冷熱流體依次交替的流過由蓄熱體組成的流道。當熱流體流過時,把熱量儲存于蓄熱體中,其溫度逐漸升高,而當冷流體流過時,蓄熱體因放出熱量溫度逐漸降低,如此反復進行。
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