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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“Fin Tube” 或”Finned Tube”, 也有时叫做“Extended Surface Tube”,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。 换热系数的大小主要取决于下面几个因素： l 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； l 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； l 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： l 水蒸汽的凝结： h = 10000 ---20000 W/(㎡* ℃) l 水的沸腾 ： h = 7000---10000 ,,,,, l 水的对流 ： h = 3000---5000 ,,,,, l 空气或烟气的强制对流： h = 30---50 ,,,,, l 空气或烟气的自然对流： h = 3—5 ,,,,, 由此可见，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