【摘要】本文以網帶爐氫-水換熱器為例,探討了圓形翅片換熱管設計過程中材料、翅片厚度、翅片間距和翅片高度的選擇。 ,通過理論分析和計算,得到其最優解,以指導設計工作。
【關鍵詞】翅片管; 換熱管材質; 翅片效率; 翅片高度; 優化設計
圓形翅片管換熱器是最常用的一種緊湊型換熱器(熱)。 根部翅片管形狀。 一種網帶爐氫水換熱器(以下簡稱“網帶爐換熱器”),管內工質為冷卻水,管外(翅片側)工質為氫氣,對流換熱兩側傳熱系數相差20倍,換熱管采用螺旋翅片管形式。
一般在設計翅片管換熱器時,其排列方式較容易確定,多采用等邊三角形排列方式。 在設計換熱管時,基管的尺寸大多是根據管內流體流量按標準選擇的,但很難確定換熱管的材料、翅片的厚度和間距,鰭片的高度等,常常讓設計師別無選擇。 本文分別對這三個問題進行討論,得到它們的最優解,為翅片換熱管的設計提供依據。
1 換熱管材質的選擇
1.1 基板材料的選擇
在管內外熱阻一定的情況下宿州白銅不銹鋼內翅片換熱管,基管導熱系數越小越好,即導熱系數越大越好。 一般常用的換熱管材料為銅管和不銹鋼304管,因為銅的導熱系數(300K時約380W/m·K)高于不銹鋼304(300K時約18W/m·K) ) 20次以上,所以銅??管常用于對傳熱性能要求高的場合。 網帶爐換熱器原裝德國進口,基管材質為銅管。
但是,我國銅的儲量并不高,很多依賴進口。 使用銅管作為換熱管的材料會使換熱器的成本過高。 此外,銅的耐蝕性較差。 某鋼廠過去在連續退火爐的氮水換熱器中使用銅管。 停爐時,銅管表面氧化。 開爐時宿州白銅不銹鋼內翅片換熱管,氮氣將換熱管表面吹入爐內,造成爐內鋼板表面質量缺陷。 網帶爐換熱器每爐前經過長時間吹掃,所以目前沒有出現以上問題,但在對工件表面質量要求高的熱處理爐中,不宜使用銅管作為換熱管。
換熱管基管采用不銹鋼304管,具有良好的耐腐蝕性能。 雖然其導熱系數較低,但考慮到在翅片管換熱器中,基管的熱阻只占整個換熱過程熱阻的10%,整個換熱過程的熱阻為主要體現在對流換熱過程中。 系數較低的一側(即氣體側),因此用不銹鋼管代替銅管造成的導熱系數損失是可以接受的。
1.2翅片材料的選擇
決定綜合傳熱系數的主要因素有管內/外對流換熱系數、管內/外傳熱面積、基管尺寸和材質、總效率翅片管。 翅片材料的選擇主要影響翅片管的總效率。 N為每米翅片數,Af為單翅片面積,ηf為單翅片效率,Lf為等效翅片高度,L為翅片高度,h為對流傳熱系數, λ為翅片導熱系數,t為翅片厚度,df為翅片外徑,單位為國際單位制。
在其他結構參數和熱參數不變,僅更換翅片材料的情況下,翅片總效率ηo是單翅片效率ηf的遞增函數,一般ηo略高于ηf; 單翅片效率ηf是片材導熱系數λ的增函數。 以網帶爐換熱器為例,當mLf=2時,ηf=0.48; 若翅片材料改為2倍λ,則mLf=1.414,ηf=0.63,增加30%; 若更換翅片材料為10倍λ,則mLf=0.63,ηf=0.89,增加84%。
提高翅片效率必然會提高整體傳熱系數。 一般來說,翅片側的熱阻占整個傳熱阻力的60%~80%。 如果翅片效率提高一倍,總熱阻可降低30%至40%。 換句話說,整體傳熱效率將增加。 大 30% 到 40%。 因此,應優先選用導熱系數較高的材料作為翅片。
工業上常用鋁或鋁合金(300K時導熱系數約為170-230W/m·K)作翅片,圓形翅片管由鋼管在張力作用下纏繞制成,但應注意鋁的高熱膨脹工作溫度應限制在100°C以下,否則會降低張力,導致翅片松動,接觸熱阻會大大增加。 網帶爐換熱器最高氫氣入口溫度為100℃,因此采用鋁翅片。
2 翅片間距和厚度的選擇
2.1 翅片間距
h0除了工作流體本身的物理特性外,主要由最大質量流量Gmax、翅片間距Sf、翅片高度L決定,其中Gmax影響較大,Sf和L影響較小.
顯然,增大翅片間距,雖然Sf增大,但同時會減小Gmax,ho必然減小。 雖然增加Sf會降低N,增加翅片總效率ηo,但一般情況下,這種影響不大,但降低Ao的效果比較大。 最終結果是翅片側的熱阻增加,換熱器尺寸增大,這在設計中通常是要避免的。 因此,在可能的情況下,應使 Sf 盡可能小。 但是,Sf 不能無限減少。 考慮到邊界層的存在,Sf應保證邊界層厚度大于兩倍,否則相鄰兩翅片之間的流動變為層流,不利于傳熱。
另外,減少翅片間距會增加翅片側的流體阻力,增加機械能消耗,因此應結合實際需要反復計算考慮。
2.2 翅片厚度
增加翅片厚度的好處是增加Gmax,從而增加ho,同時略微增加ηf,但會明顯降低Ao,增大換熱器尺寸,增加材料消耗。 對于熱交換器的設計是不利的。 因此,在可能的情況下,應使用薄翅片。
3 翅片高度的選擇
翅片的高度不是越高越好。 雖然增加翅片高度可以增加換熱面積,但翅片的效率也迅速下降。 當翅片高度超過一定值時,增加的換熱面積經過翅片效率的換算就變得無用了。 意義。 因此,從理論上講,必須有一個合適的高度,才能使整個換熱面積最小化,使Ao最大化。
在工程中,可以通過試錯來解決問題。 在確定了換熱管的材料、翅片厚度和翅片間距后,換熱面積Ao只是翅片高度L和迎風面積Afr的二元函數。 例如網帶爐換熱器的翅片管,基管為Φ19×2不銹鋼304無縫鋼管,翅片為鋁材(1000系列),翅片厚度為0.2mm,翅片間距為2.5 mm(不含翅片厚度),翅片外徑由35mm改為60mm(即翅片高度由8mm改為20.5mm),迎風面積由0.5m2增加至2m2。
在設計換熱器時,除了必須考慮的傳熱效果外,還必須計算和校核換熱器的熱阻。 但實際上,對于氣體等低密度流體,換熱器克服摩擦阻力消耗功率的機械能很容易超過所能傳遞的熱能。 在大多數情況下,機械能的價格是類似熱量的 4 到 10 倍 [1]。 此外,對于本例中的氫水換熱器,還必須遵守國家對氫氣的安全規定,即不銹鋼管中氫氣的流量限制不得超過25m/s[2]。
翅片高度和迎風面積的減小將迅速增加換熱器中氫氣的流速。 當迎風面積為0.5平方米時,翅片高度小于42mm時,超過國家安全標準,是絕對不允許的。 根據工程經驗,翅片效率ηo一般取0.6~0.75之間。 本例中,翅片高度在10~15mm之間,迎風面積在1~1.5m2之間。 這個選擇是合適的。
4。結論
本文對圓形翅片換熱管的材料、翅片厚度、翅片間距、翅片高度進行了探討,選取了最優設計方案。 結果如下:
(1)基管材質對整體傳熱過程影響不大,一般可采用不銹鋼304。 銅管可用于要求較高的場合,但不適用于對表面質量要求較高的熱處理爐。 翅片的材料對整個傳熱過程有很大的影響。 一般應盡可能選擇導熱系數高的材料。
(2)翅片厚度和間距宜小一些,但不宜小于邊界層厚度的兩倍。
(3)翅片高度的選擇應使翅片效率在0.6~0.75之間。
【參考】
[1] 宣益民. 緊湊型換熱器[M]. 北京:科學出版社,1997.
[2] GB 50177-2005 加氫站設計規范[S]. 北京:中國計劃出版社,2005。
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