翅片管换热器的工艺设计

设计的出发点和归宿就是再三强调过的并可称之为“Number One”的传热公式，在以传热面积作为设计目标时，传热公式可写为：

                            Q               

A=   —————   ㎡                           

                           K△T

式中， Q：传热量（热负荷） kw或w。 由第六讲为基础，进行计算；

       K：传热系数，w / (㎡·℃)。 按以前相关章节进行计算或选择；

△  T：传热温差，℃。 按相关公式进行计算。

最后，所需翅片管的传热面积A就可以计算出来了。

设计步骤如下：

【步骤1】梳理用户给出的条件和要求，计算热负荷

此外尚需注明：                                                                

【步骤2】选定换热器的迎风面质量流速υm  kg/㎡s

所谓迎风面积：是指气体（烟气或空气）进入管束之前的流通面积；

所谓迎风面质量流速：是指单位迎风面积上，单位时间（s）所流过的气体质量（kg）；迎风面质量流速υm ( kg/㎡s)的选定方法和考虑因素详见本讲座第四讲。

2-1质量流速的选取

如果对气体侧的阻力降没有特殊要求，建议选择默认值υm=3 kg/（㎡s）；

如果气体侧的允许阻力降很低时，建议υm在1~2 kg/（㎡s）之间进行选择；

如果担心积灰比较严重，希望使气流本身具有一定的自吹灰能力，建议

υm选4 kg/（㎡s）

[附加说明：在翅片管最窄流通截面处的风速大约为迎风面上的2倍，当烟气的当地风速在8~10 m/s时，就具备了一定的自吹灰能力]

2-2选定气体的迎风面质量流速以后，所需的迎风面积就可简单地计算出来了：

                    [ 质量流量 ]              G  (kg/s)                                                                  

   F 迎风面  =    ——————————— =  ————————                                     

                  [ 迎风面质量流速 ]       υm  kg /（㎡s）

特别提示：若给出的是气体的体积流量V(m³/h) , 应将其换算成质量流量；              

  G  (kg/s) = V (m³/h) ×ρ (kg/ m³)/3600

式中，ρ为气体的密度，按体积流量对应的温度值查物性表

2-3确定迎风面的形状

一般设定为矩形，L1 × L2 = F 迎风面

L1, L2为矩形的两个边，L1, L2 的选择要考虑气体流动的均匀性，也要考虑翅片管怎么放置比较合适。是沿长边放置还是沿短边布置，等等。

【步骤3】选定翅片管尺寸规格及在迎风面上的管间距及管子根数和长度

3-1 根据螺旋高频焊翅片管的应用条件和应用经验，推荐翅片管规格的默认值：

设计者可以改变上述默认值，考虑的因素为

（1）  若设备热负荷较大，为了减少翅片管根数，可以选用较大直径的翅片管，如:CPG(Φ51×3.5/90/8/1)，Pt=108mm

（2）  对于空气冷却器，为了增大管内流体的流速和换热，经常习惯选用较小直径的翅片管，例如：

        CPG(Φ25×2.5/50/5/1) ，Pt=60mm

（3）  根据积灰的可能性及严重程度，选定不同的翅片间距。

3-2 确定迎风面上的翅片管根数和长度，迎风面上有两个边长尺寸L1, L2可供选择，若L1> L2，一般选L1作为翅片管的长度，则翅片管在迎风面上可以摆放的根数N1由L2决定，即N1= L2 / Pt ,取圆整值。这样，迎风面上的翅片管布置就可画出来了。

3-3 计算迎风面上的基管传热面积A1

                              A1=πDo×L1×N1

【步骤4】计算翅片管的换热系数和传热系数

4-1 由气体侧的平均温度查取相应物理值，如在省煤器中，烟气侧的平均温度

                   Tg = （1/2）× (T1  +T1  )  ℃

依此查取烟气物性表中的下列物理量：

*  密度：     ρ   kg/ m³

*  比热：     Cp   kJ/ kg℃

*  导热系数： λ   w/m·℃

*  黏度系数： η   ㎏/mS

*  蒲朗特数： Pr   ——

4-2 由第四讲中推荐的公式计算翅片外表面为基准的换热系数

         h  (w/㎡·℃)

也可以由估算表中找到相近的h值。

4-3 由第二讲中的论述计算翅片管的翅化比β和翅片效率η

也可由表中推荐的估算值找到合适的数值。

4-4 计算以基管外表面为基准的换热系数

ho=h×β×η

也可以由估算表中找到相近的数值。

4-5 按上一 讲中的推荐，确定翅片管换热器的传热系数K，有两个方法可供选择：(1)对专业人士，可以查找相应的计算式，计算传热过程的每项部分热阻，最后计算总传热热阻，并确定传热系数；

    (2)对于非专业人士，可以按第七讲中的估算表，并按照翅片管结构和选用的迎面风速，选择相应的或相近的传热系数估算值。

【步骤5】计算翅片管换热器的传热平均温差△T

     近似地按逆流温差计算，可查阅“传热学“中的相关计算式。

【步骤6】计算翅片管换热器所需总传热面积A

                             Q     

A=   —————                             

                           K△T

注1：此总传热面积是以基管外表面积为基准的总传热面积。即A所指的是基管外表面积的总和。

注2：选取安全系数=1.1~1.2，则实际应取的传热面积为上述计算值的（1.1~1.2）倍，即A= A计算值×（1.1~1.2）

安全系数的选取考虑：

*因各步骤计算不够精确，会造成一定的计算误差，为了安全起见，要选用大于1的安全系数；

*因为积灰，结垢等因素会造成实际传热系数的下降，而这些因素又很难精确计算，故选取一定的安全系数来保证设计的安全性。

【步骤7】计算翅片管换热器的管子根数，纵向管排数，并最终确定换热器的纵向（即气体流动方向）尺寸及相应参数

7-1单支管的传热面积：πDoL1，L1中要考虑一定的工艺段长度

7-2 翅片管总根数：

                [ 总传热面积 ]             A                                                                

   N  =     —————————   =  ——————   ，取圆整值                                    

              [ 单支翅片管面积 ]        πDo×L1

7-3 纵向排管数N2

                 [ 总根数 ]           N                                                                

   N2  =    ————————  =  —————  ，圆整并总取大值，                                     

                [ 横向根数 ]          N1

   如：N2 = 11.2, 则取N2 = 12  

7-4 选定纵向管间距PL，在等边三角形排列时：

【步骤8】画出主要元件图

8-1 画出主要元件图

8-2 画出翅片管束断面图

【步骤9】计算翅片侧气体的流动阻力△P

9-1 可按相关计算式（第四讲）计算。

9-2 可按阻力估算表（第四讲）选取。

并最后确定：△P计算值<△P要求值

若出现△P计算值不能满足设计要求的情况，需修改初始相关参数，重复上述各步骤的计算。

【步骤10】计算翅片管换热器的总重

10-1 计算翅片管元件的单重和总重；

10-2 计算管箱及其他结构件的重量，

一般取翅片管元件总重的30~40%

10-3 汽包，支撑和保温需单独计重

上述各项重量的计算作为供货方估价的基础

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好了，本讲的基本内容就讲完了，下面将设计步骤用框图的形式总结一下：

      设计步骤

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