圆形翅片换热管的优化设计

白艳伟

（上海嘉德环境能源科技有限公司，辽宁 沈阳110000）

圆形翅片管换热器是紧凑式换热器 (Compact Heat Exchanger)中最常用的一种，常用于换热管两侧流体对流换热系数相差较大（例如10倍以上）的情况下,单根翅片管形状。某网带炉氢气-水换热器（以下简称“网带炉换热器”），管内工质为冷却水，管外（翅片侧）工质为氢气，两侧对流换热系数相差20倍以上，其换热管便是使用螺旋翅片管的形式。

一般在设计翅片管换热器时，其排列方式较易确定，多使用正三角形排列。在设计换热管时，基管的尺寸也大多根据管内流体流量按标准选择，但对于换热管材质、翅片厚度和间隔、翅片高度等问题却难以确定，常让设计者无从选择。本文分别针对这三个问题展开讨论，以获得其最优解，为翅片式换热管的设计提供依据。

1 换热管材质的选择

1.1 基管材质的选择

在管内外热阻不变的情况下，基管导热热阻越小越好，即其热导率越大越好。一般铜管和不锈钢304管都是常用的换热管材质，由于铜的导热系数（300K时约为380W／m·K）相较于不锈钢304（300K时约为18W／m·K）高出20倍以上，因此在对换热性能要求较高的场合常采用铜管。网带炉换热器原为德国进口设备，其基管材质便采用铜管。

但我国铜的储量并不高，很多依赖进口，采用铜管作为换热管材质会使得换热器的造价过高。此外，铜的抗腐蚀性较差，某钢厂连退炉氮气-水换热器曾采用铜管，在停炉时铜管表面氧化，开炉时氮气将换热管表面铜绿吹入炉内，造成炉内钢板表面质量缺陷。网带炉换热器由于在每次开炉之前均吹扫较长时间，目前尚未发生上述问题，但在对工件表面质量要求较高的热处理炉中，不宜使用铜管作为换热管。

采用不锈钢304管作为换热管基管，抗腐蚀性较好。虽然其导热系数较低，但考虑到在翅片管换热器中，基管的导热热阻最多只占整个传热过程热阻的10%，整个传热过程的热阻主要在对流换热系数较低的一侧（即气侧），因此用不锈钢管代替铜管所带来的导热性能的损失是可以接受。

1.2 翅片材质的选择

决定综合传热系数的主要有管内/外对流换热系数、管内/外换热面积、基管尺寸与材质和翅片管总效率。翅片材质的选择，主要影响翅片管总效率。N为每米翅片数，Af为单个翅片面积，ηf为单个翅片效率，Lf为当量翅高，L为翅高，h为对流换热系数，λ为翅片导热系数，t为翅片厚度，df为翅片外径，单位为国际单位制。

在其他结构参数和热工参数都不变的情况下，只更换翅片材质，翅片总效率ηo是单个翅片效率ηf的增函数，一般ηo略微高于ηf；单个翅片效率ηf是翅片导热系数λ的增函数。以网带炉换热器为例，当mLf＝2 时，ηf＝0．48；若更换翅片材质为 2 倍 λ，则 mLf＝1．414，ηf＝0．63，增大了 30%；若更换翅片材质为 10 倍 λ，则 mLf＝0．63，ηf＝0．89，增大了 84%。

增大翅片效率，必然增大综合传热系数。一般来说，翅片侧热阻占整个传热热阻的60%～80%，如果翅片效率增大1倍，可降低总热阻30%～40%，换言之，综合传热效率将增大30%～40%。因此应优先选用导热系数较大的材质作为翅片。

工业上常用铝或铝合金（300K时导热系数约为170～230W／m·K）作为翅片，利用张紧力缠绕在钢管上来制作圆形翅片管，但要注意铝有较高的热膨胀性，其操作温度应限制在100℃以下，否则张力会减少，导致翅片松动，接触热阻会大大增加。网带炉换热器氢气进口温度最高100℃，便使用的是铝翅片。

2 翅片间距及厚度的选择

2.1 翅片间距

除工质本身的物性之外，h0主要由最大质量流速Gmax、翅片间隔Sf、翅高L决定，其中Gmax影响较大，Sf和L影响较小。

显而易见，增大翅片间距，虽然Sf增大了，但同时会减小Gmax，ho必然减小。虽然Sf的增大会使得N减小，增大翅片总效率ηo，但在正常情况下，这种影响并不大，而造成Ao减小的影响却比较大。最终的结果，就是使翅片侧的热阻增大，换热器尺寸增加，在设计中一般要避免这种情况。所以，在可能的情况下，应使Sf尽可能小。但Sf并不能无限减小，考虑到边界层的存在，Sf应确保大于两倍的边界层厚度，否则相邻两翅片之间的流动变成层流，对传热是不利的。

此外，翅片间距的减小，会增大翅片侧流体阻力，使机械能消耗增大，因此需结合实际需要反复核算考虑。

2.2 翅片厚度

增大翅片厚度的好处在于增大Gmax，从而增大ho，同时也略微增大了ηf，但会使得Ao显著减小，使换热器尺寸增大、材料消耗增加，对于换热器的设计是不利的。因此，在可能的情况下，应使用薄的翅片。

3 翅片高度的选择

翅片的高度并不是越高越好。虽然增加翅片高度，可以增大换热面积，但翅片效率也随着迅速降低，当翅片高度超过某一数值之后，增大的换热面积经翅片效率的折算就会变得没有意义。因此，理论上必然存在某一合适的高度，使整个传热面积最小，Ao最大。

工程上可以采用试算法求解。在确定换热管的材质、翅厚和翅片间隔之后，换热面积Ao只是翅高L和迎风面积Afr的二元函数。如网带炉换热器翅片管，基管为Φ19×2的不锈钢304无缝钢管，翅片为铝（1000系列），翅厚0.2mm，翅片间隔2.5mm（不含翅厚），令翅片外径自35mm变化到60mm （即翅高自8mm变化至20.5mm），迎风面积从0.5m2增加到 2m2。

在设计换热器时，除了换热效果是必须考虑的因素之外，换热器的热阻也是必须计算和校核的。但事实上，对于气体这类的低密度流体，克服换热器摩擦阻力功耗的机械能会轻而易举的多达多传递的热能，在对大多数时候，机械能价格是同类热量的4～10倍[1]。此外，对于本例的氢气-水换热器而言，还必须遵守国家关于氢气的安全规定，即氢气在不锈钢管道中流速极限不得超过25m/s[2]。

翅片高度和迎风面积的减小，会急速提高换热器内氢气的流速，迎风面积为0.5平方米时，当翅高低于42mm以下时即超过了国家安全规范，是绝对不能允许的。工程经验上一般取翅片效率ηo在0.6～0.75之间，本例中即翅片高度在10～15mm之间，迎风面积在1～1.5m2之间，这种选择是恰当的。

4 结论

本文针对圆形翅片换热管，分别针对其材质、翅片厚度、翅片间距、翅高进去讨论，选择其设计最优解，结果如下：

（1）基管材质对整体换热过程影响不大，一般可用不锈钢304材质。在要求较高的场合可使用铜管，但不宜在表面质量要求较高的热处理炉上使用。翅片材质对整体换热过程影响较大，一般应尽可能选择导热系数高的材质。

（2）翅片厚度和间隔宜取较小值，但不应小于两倍的边界层厚度。

（3）翅片高度宜选择使翅片效率在0.6～0.75之间的数值。

［1］宣益民.紧凑式热交换器[M].北京:科学出版社,1997.

［2］GB 50177-2005氢气站设计规范[S].北京:中国计划出版社,2005.