热管讲座(刘纪福)

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1、第一讲翅片管的传热原理和选用原则翅片管和热管系列讲座主讲人：哈尔滨工业大学能源学院刘纪福教授第一讲：翅片管的传热原理和选用原则翅片管，又叫鳍片管或肋片管，英文名字叫“FinTube”或”FinnedTube”,也有时叫做“ExtendedSurfaceTube”,即扩展表面管。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。下面展示的是两张翅片管的照片。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？要回答这一问题，还需要从传热过程的某些基本原理说起。首

2、先，要介绍一个传热学上的定义：固体表面与和它接触的流体之间的换热称为对流换热。我们最熟悉的对流换热就是暖气片外表面和空气之间的换热。生活经验告诉我们：暖气片面积越大，表面温度越高（即表面温度和空气间的温差越大），供热时间越长，则换热量越大，房间越暖和。这说明对流换热量和换热面积成正比，和温度差成正比，和时间成正比。为了比较不同情况下对流换热的强弱，我们需定义一个物理量：叫做“换热系数”。换热系数是指单位面积，单位温差（壁面和流体之间的温差），单位时间的对流换热量。其单位是J/(s.㎡.℃)或W/(㎡.℃).对流换热系数常用符号h表示。换热系数

3、的大小主要取决于下面几个因素：1.流体的种类和物理性质：例如水和空气是截然不同的，其换热系数相差甚大；1.流体在换热过程中是否发生相变，即是否发生沸腾或凝结。若有相变发生，则其换热系数将大大提高；2.还和流体的流速和固体表面的形状有关。等等。对流换热系数的大小主要是通过实验研究来确定，下面给出一组常用情况下的数值范围：水蒸汽的凝结：h=10000---20000W/(㎡*℃)水的沸腾：h=7000---10000水的对流：h=3000---5000空气或烟气的强制对流：h=30---50,,,,,空气或烟气的自然对流：h=3—5,,,,,由此

4、可见，不同情况下其换热系数的差别是非常巨大的。请记住上述换热系数的数值范围，这对以后翅片管的理解和选用是大有用处的。下面将讨论一个具体的传热设备的实例：有一台用热水加热空气的换热器，热水在管内流动，空气在管外流动。例如采暖用的热风幕或汽车上的散热器（radiator）都属于这一种传热类型，即热水的热量经过管壁传給管外的冷流体—空气。由此可见，传热过程是与间壁两侧的两个对流换热过程紧紧地联系在一起的。对于上述实例：管内水侧对流换热系数约为5000，而管外空气侧的对流换热系数约为50，二者相差100倍。由于空气侧的换热“能力”远远低于水侧，限制了

5、水侧换热“能力”的发挥，使得空气侧成为传热过程的“瓶颈”，限制了传热量的增加。为了克服空气侧的“瓶颈”效应，在空气侧外表面加装翅片将是一个最明智的选择。加装了翅片以后，使空气侧原有的传热面积得到了极大的扩展，禰补了空气侧换热系数低的缺点，使传热量大大提高，如下面的附图所示。关于加装翅片的作用还可以用下面更形象的例子来说明：在一个边境口岸的出入境处，假定甲方口岸有十个检验口，每小时能放行5000人，而乙方口岸只有一个检票口，且办的很慢，每小时只能放行50人。这样，乙方侧就成了旅客通关的瓶颈，使得甲方的“能力”不能发挥。为了提高通关流量，最有效的

6、办法就是在乙方侧多开几个检验口。这与加装翅片的原理是一样的。在了解了翅片管的原理和作用以后，在甚么场合选用翅片管，有下面几个原则：（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

7、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

8、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。第二讲翅化比，翅片效率和翅片参数选择翅片管/热管系列讲座主讲人：哈尔滨工业大学