无锡康博热能设备有限公司专业生产各种规格翅片管、高频焊翅片管、翅片管换热器、热管、热管换热器、热管式换热器，理清加热设备等热能换热设备。
翅片管是工业传热过程中必不可少的设备, 几乎一切工业领域都要使用, 同时其理论研究也相当深入 。多年来, 各工业部门广泛地应用列管式换热器, 随着科技及工业的发展, 要求换热设备紧凑、轻巧、高效并小型化, 而一般的列管式换热器不能满足上述要求, 这就促使人们去研究高效换热器。其中翅片管换热器和板式换热器是人们研究得最多的两种高效换热器, 翅片管是组成翅片管热交换器的核心元件, 其质量的优劣直接影响到热交换器的工作性能。
翅片管换热器的特点、材料及型式, 列出了3 种翅片管换热器的应用示例, 分析了在不同应用条件下翅片管的应用情况, 并给出了应用结果, 为翅片管换热器的应用方法提供了借鉴, 最后分析了新型AIF翅片管换热器的研制及应用。
华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室多年来致力于翅片管的翅片管研究及应用, 所研制的翅片管换热器已在多家企业应用, 取得了良好的科技、经济及社会效益。结合以前研究应用的数据与经验, 本文从翅片管应用的角度对翅片管换热器进行阐述, 试图为推进翅片管换热器的研究发展, 并为翅片管换热器的设计、应用提供一些借签。
一、新型AIF翅片管换热器研制及应用
1.翅片管换热器是工业传热过程中必不可少的设备, 几乎一切工业领域都要使用, 同时其理论研究也相当深入 。多年来, 各工业部门广泛地应用列管式换热器, 随着科技及工业的发展, 要求换热设备紧凑、轻巧、高效并小型化, 而一般的列管式换热器不能满足上述要求, 这就促使人们去研究高效换热器。其中翅片管换热器和板式换热器是人们研究得最多的两种高效换热器, 翅片管是组成翅片管热交换器的核心元件, 其质量的优劣直接影响到热交换器的工作性能。研制情况
未来翅片管的发展是朝着换热表面大大强化、翅片与基管连成一体的方向, 而且翅片管生产的成本要大幅度降低, 生产也愈趋规模化。
为适应日益提高的翅片管应用要求, 我们现在正在制整体铝翅片管(AIF翅片管) 。这种翅片管是应上述发展方向研制的, 属国内首创, 处于国际地位。
AIF翅片管对传统管的改进主要有: 翅片与介质流动的管路为一体结构, 并对流动管路截面形状进行了优化设计, 间隙热阻为零, 且换热系数增加; 质量轻, 强度高, 耐腐蚀性好; 翅片光滑, 不易结垢, 易于清洗维护, 还可进行适当的热处理; 单位容积热容量增加; 翅片厚度小, 高度较高, 间距较小, 管壁厚度小。但其翅化比为3.35 左右, 还有待提高。
2.翅片管工程应用示例
任何电子元器件工作时都要发热, 而元器件的寿命与温度每升高10 ℃, 化学反应速度则加快1倍(阿伦尼乌斯定律) , 亦即寿命减少一半。温度如果超过元器件或介质基板的承受极限就会发生热击穿或其他性的损坏。
电子组装热控制的总要求是使热源至耗热空间(如散热器) 热通路的热阻降至最小, 或者是将组装的热流密度限制在可靠性规定的范围内。为保证可靠性指标的实现, 大量的电子组装均采取了有效的热控制措施。为混合微电路组件应用热管传热的。翅片管散热模式虽比其他散热模式更为有效, 但其热阻仍然较大, 翅片管能在小功率电子元器件上使用。随着电子技术的发展, 小型大功率电子元器件不断出现, 对散热器的要求将会越来越高,AIF 翅片管的热阻为零, 应用在蒸发器及冷凝器上, 经单管及组合实验, 其散热效果明显改善。可以预见, AIF 管在电子元器件翅片管散热方面将会得到广泛的应用。
除此之外, AIF翅片管将会在汽车空调、各式空冷器和各类液压系统的换热器上大有作为。
二、ST翅片管换热器的应用研究
1.翅片管应用条件
广州石化技改项目中的己烷油重沸器, 其设计条件为: 热负荷为1 265 kJ / s , 塔底产品流率为0.625 kg/ s , 操作压力为0.112 MPa , 操作条件下产品液的沸点为76 ℃; 管内加热介质为水蒸气,其压力为0.25 MPa , 温度127 ℃。
2.翅片管应用分析研究
翅片管是生产中的关键设备, 必须保证设备安全稳定的运行。设备换热量较小, 属小型重沸器,在应用中可参照的例子不多。另外, 此设备传热温差很大, 达51 ℃, 如采用光管, 据实验观察, 当液体在管子表面沸腾时, 容易产生很大的气泡覆盖在管壁表面。这种气泡不易破裂, 直接影响传热效果;而一旦这种气泡破裂时, 翅片管将会使液体的沸腾不稳定,运行中很难稳定操作, 且操作不安全。即使系统能稳定运行, 为了达到应用要求, 只能采用较大面积(超过设计面积的两倍) 的重沸器以保证运行, 这样耗能大, 严重影响企业经济效益。
经参阅文献并分析, 重沸器的操作和产品液的沸腾密切相关。液体沸腾时, 有以下几种沸腾方式: 一般自由对流沸腾、翅片管核态沸腾、过渡态沸腾(部分膜态沸腾和部分核态沸腾) 、膜态沸腾。一般自由对流沸腾的传热系数很小。当加热器温度升高即传热温差增大时, 进入核态沸腾区, 此区不仅传热系数大, 而且操作比较稳定, 是较为理想的一种传热方式。翅片管当温度进一步升高达到热流密度点时, 单位面积的翅片管换热量降低, 传热系数降低, 降低的原因是由于全部加热器表面几乎都被蒸汽层或蒸汽膜所覆盖, 把加热器表面与液体隔开, 而蒸汽的导热系数要比液体的低得多, 此时能观察到大面积的蒸汽膜突然破裂而脱离表面, 翅片管使得液体猛冲向表面, 并急速汽化成为另一个蒸汽膜; 此外, 在一些点上还能观察到瞬时核态沸腾, 这个区域的沸腾,称为过渡态沸腾。当加热器温度继续上升到某一值时, 则能观察到整个加热器的表面上覆盖着一层稳定的蒸汽膜, 称之为稳定膜态沸腾, 这时沸腾又变得稳定, 翅片管传热系数又会上升, 这是由于辐射能从加热器表面穿过蒸汽膜而传给液体, 从而显著影响加热器表面的热流密度。
再沸器的操作是在核态沸腾区, 这样不仅传热系数大, 而且翅片管应用操作稳定, 易于控制。由于本项目中传热温差过大, 据以前工业应用经验, 如采用普通光管设计管束, 翅片管液体的沸腾将处于过渡沸腾区, 传热系数小, 且操作极不稳定, 容易造成事故。一般来讲, 传热温差较大时, 要么采用核态沸腾, 要么采用膜态沸腾。如采用ST形翅片管, 其T形结构加上S形的螺旋线性扭曲, 不仅能破坏过渡沸腾形成的蒸汽膜, 而且由于其翅片构成的T形腔的体积很大, 且T形腔的出口相对小得多,使腔内气体出腔需要较大的张力, 从而产生一种“滞后”沸腾现象, 这就极大地改进了沸腾传热的机理和方式, 使液体在较高温差下仍能保持核态沸腾, 其沸腾给热系数是光管的2～5 倍。
另外, 据实验及以前的工业翅片管应用经验, 采用ST翅片管能强化传热还有两点重要原因不容忽视:一是在低负荷下, 气泡从生长到脱离管子表面之前会在T形通道内走过一段较长的距离, 在此距离内气泡冲刷着壁面上其他仍在生长的气泡, 促进翅片管加热面上气泡发射频率的增加, 而高负荷时气泡连成汽柱, 柱旁只维持一层薄液膜, 进行着极其高效的液膜蒸发; 二是T形通道内每汽化一个气泡, 有比它质量大得多的液体进入和离开通道, 这也促进了通道内液体与主体液体间单相流体的对流传热。
三、翅片管的特点、材料及型式
翅片管与光管相比, 在消耗金属材料相同的情况下具有更大的表面积, 从直观看属于次强化传热, 但实质上换热面积增大的同时带来了传热系数的提高, 达到二次强化传热的目的。其特点就是能有效增加传热面积和增大传热系数, 并且比较容易制造并保证操作的稳定性。
换热器翅片管材料应根据换热器的用途和操作条件等不同而选择, 目前常用的材料有铝、铝合金、铜、黄铜、镍、钛、钢、因康镍合金等, 其中以铝和铝合金用的最多。对于翅片管式换热器母材的基本要求是有较好的钎焊性和成型性、翅片管较高的机械强度及良好的耐腐蚀性和导热性。铝及铝合金不仅满足了这些要求, 而且具有延展性和抗拉强度随温度的降低而提高的特性, 所以在世界各国的紧凑式换热器中, 特别是在低温的紧凑式换热器中, 已经获得了最为广泛的应用。
翅片管换热器所用翅片管有内翅片管和外翅片管两种, 其中以外翅片管应用较为普遍。外翅片管一般是用机械加工的方法在光管外表面形成一定高度、一定片距、一定厚度的翅片管翅片。翅片管的型式有螺旋翅片管、套装翅片管、滚轧式翅片管、板翅式翅片管。
四、DT翅片管换热器的应用研究
1.翅片管应用条件
广州石化技改项目中的润滑油511 翅片管换热器, 其设计条件为: 壳程介质为N32 汽轮机油, 出入口温度分别为37 ℃和60 ℃, 操作压力为1.2 MPa ,流量为0.0133 m3/ s ;翅片管程介质为循环水, 出入口温度分别为42 ℃和34 ℃, 操作压力为0.4 MPa 。
现在正在使用的两台翅片管换热器达不到使用要求,必须进行改造。由于是在原来的基础上改造, 故对换热器的占地面积及安装方式有严格的要求。现场规定换热器外径不超过350 mm , 长度不超过415 m , 且原来的接管不能改动。
2.翅片管应用分析研究
通过计算得到, 热负荷为534 kJ / s , 所需循环水量为0.016 m3/ s。如选用光管翅片管换热器, 各项参数如下: 计算总传热系数为445.6 W/ m2·℃, 所需传热面积为143 m2 , 壳程压降为14.13 kPa (不考虑折〗流挡板) 。若采用光管, 取管长为6 m , 管径为<16 mm ×115 mm 时, 传热面积为0.301 m2/根, 所需管数476 根, 壳体外径0136 m , 但普通翅片管还不能满足使用要求。
为达到上述使用要求, 采用了DT 形翅片管换热器。T形翅片管换热器是华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室研制的系列翅片管换热器的一种, 其产品已工业化, 且设计关联式已经于长岭炼油厂等厂验证[8 ] 。DT 形翅片管是T 形翅片管的一种改进型式, 主要用于温度较低对流换热。
如采用DT 翅片管, 用已经过工业验证的关联式设计, 得到翅片管换热器设计及操作参数如下: 计算总传热系数735.7 W/ m2·℃, 所需传热面积90 m2 ,壳程压降19.47 kPa (不考虑折流挡板) , 取管长为4m , 管径尺寸<16 mm ×1.5 mm 时, 所需管数122根, 壳体外径0.325 m , 能够满足使用要求。
为何DT 翅片管能如此有效的强化传热呢? 这是由DT 形翅片管的特殊结构决定的, DT 形翅片管的翅片设计成T 形, 在靠近管壁的翅片薄一些, 而远离翅片管管壁的地方翅片厚一些, 这些翅片构成一倒T 形的腔。据实验观察及应用研究分析, 这样的翅片管设计, 一是T形翅片的表面积能有效增大, 从而有效增大了传热面积, 大概是光管的3.5 倍左右; 二是T形翅片及T形腔均能够增强流体湍动程度, 改善流体流动状况, 从而有效增加了传热系数; 三是能产生内循环效应, 由于DT翅片内T形通道的存在, 相当大量的液体会进出通道, 同时T形通道又能使进入通道的液体停留足够长的时间, 从而有效地和管内液体换热, 排出通道的液体又能和主流体进行换热, 从而极大地强化了传热的效率。
3.翅片管应用结果
经反复核算、现场测量分析及工厂试验, 所需高效冷却器若选用光管, 则无法满足要求, 必须采用DT 翅片强化管。选用<16 mm ×115 mm DT 翅片管, 管长4 m , 管数124 根, 翅片管束外径0.3 m ,壳体外径0.325 m , 管程数4 程, 管内冷却水流速1.98 m/ s , 壳程油流速0.67 m/ s。
经工业试验, 本DT形翅片管换热器完全能满足使用要求, 达到了稳定生产、不改变占地面积和所接管路的目的。
五、翅片管换热器与普通光管换热器相比具有许多热性能和经济上的优点。在合适的条件下, 翅片管设备相对于光管设备可减少换热器尺寸30 %～75 %。在目前化工企业加强科技进步的增容、高效技术改造过程中, 应用翅片管可以解决管壳式换热器运行中的许多问题, 新型翅片管换热器将会得到越来越广泛的研究和应用。
六、热管换热器的生产与发展
热管换热器是蒸发-冷凝型的换热设备，靠工质在管内的状态变化实现热量的传输，当热管换热器热管一端受热时管内工质汽化，汽化后蒸汽向另一端流动，遇冷凝结向散热区放出潜能。冷凝液籍毛细力和重力的作用回流，继续受热汽化，这样往复循环热管将大量热量从加热区传递到热管换热器散热区。热管换热器热量传递是通过工质的相变过程进行的。
热管式换热器在美国、日本等国家已经商品化、系列化，目前热管式换热器还正在向大型化发展。如日本最近设计了热负荷高达11.16MW的大型热管换热器。我国南京工业大学也于1980年试制陈宫了1.51*10的五次方W、传热面积为5.386m2的热管换热器。该换热器安装在南京炼油厂，作为裂化的热炉的空气预热器，运行情况良好。
七、热管换热器的原理与机构结构
热管式换热器，涉及换热器结构的改进，尤其是热烟道上的换热器结构的改进；解决以往烟道中换热器传热效率低的问题；该热管换热器是由炉体、集灰池墙体、隔板、隔墙板、换热管、挡水板、进、出水管构成，其主要改进是在下部构成集灰池，在上面的储水池中安装挡水板；其优点是消除受热介质直流现象，使受热介质受热均匀，提高传热效率，再加上在下部设置了集灰池，使换热管减少灰尘的沉积，提高了传热效率；该热管换热器可以广泛的安置在热烟道中，尤其是安置在窑炉排烟道中回收利用余热效果明显，受热介质可以取暖、可以洗浴。
我公司生产的热管系热管换热器由两端密封的铝轧翅片管，内壁加工有槽道，经清洗并抽成高真空后注入液态工质而成。将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段分隔开，构成热管散热器。
本系列热管换热器产品中隔板采用了有效的密封装置，做到分隔严密互不渗漏，热管元件便于组装，拆卸，清洗和更换。当温度变化时，元件自由胀缩。热管换热器可全年使用，配有季节转换装置，当冬季交替时，可旋转5℃～7℃，使热气流吹向热管换热器的低端
八、热管式换热器特点
热管是一种高效传热元件，其导热能力比金属高几百倍至数千倍。热管还具有均温特性好、热流密度可调、传热方向可逆等特性。用它组成热管换热器不仅具有热管固有的传热量大、温差小、重量轻体积小、热响应迅速等特点，而且热管式换热器还具有安装方便、维修简单、使用寿命长、阻力损失小、进、排风流道便于分隔、互不渗漏等特点。
热管是由内壁加工有槽道的两端密封的铝（轧）翅片管经清洗并抽成高真空后注入液态工质而成，随注入液态工质的成分和比例不同，分为KLS低温热管换热器、GRSC-A中温热管换热器、GRSC-B高温热管换热器。热管一端受热时管内工质汽化，从热源吸收汽化热，汽化后蒸汽向另一端流动并遇冷凝结向散热区放出潜热。冷凝液借毛细力和重力的作用回流，继续受热汽化，这样往复循环将大量热量从加热区传递到散热区。热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的。
将热管元件按一定行列间距布置，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段隔开，构成热管换热器。
九、热管式换热器设计注意事项
热管换热器设计注意事项：
a. 低温热管适用于温度-40℃~80℃，全年可使用，回收冷量时，角度与热量相反。
b. 迎面风速宜采用1.5~3.5 m/s。
c. 冷、热端之间的间隔板，采用双层结构，可杜绝因漏风而造成交叉污染。
d. 换热器可垂直或水平安装，既可以几个并联，也可以几个串联。
e. 当气流的含湿量较大时，（此时有潜热回收，可作为余量）
f. 应设计凝水排除装置。
g. 启动换热器时，应使冷、热气流同时流动，或使冷气流先流动，停止时，应使冷、热气流同时停止，或先停止热气流。
辽宁省能源论证会对于"热管式换热器"的结论为：“该装置是二级加热设备，级用KLS系列低温热管换热器回收排风余热来预热新风。第二级选用通风工程常用的SRZ型空气加热器，二级串联一体，结构新颖，工程实用，是集中供暖、通风于一体的新型节能补风加热机组。该产品使用的排风余热回收装置是KLS型热管换热器，这种热管换热器经国家机械委和北京市科委鉴定认为该产品结构紧凑，性能可靠，运行维护方便。
十、热管换热器与转轮换热器的比较
热管换热器：
热管换热器集所有优点于一身，无运动部件，对风速无限制，效率高，风速低，冷凝水易于排出，无能量要求，完全不动无交叉感染，使用寿命长，可免于维修。
2转轮换热器
转轮为接触式换热，每分钟转动10-12圈，转轮在高温区吸收热量，转轮在冷区放出热量，为了提高换热效率，就要使膜片做成波纹状（不利于灰尘的清除），需要动力装置。
缺点为：
（1）在热区中吸收热量的热轮转到冷区时，由于速度较快，露水不一定释放完毕，与灰尘易于形成灰垢附着在换热器表面，增大阻力，降低回收效率。
（2）气流与转动方向成90°夹角，产生不平衡力矩，转轮两侧在过渡季节灰尘附着不一样，使重量不一样，转轮在向上转和向下转时重量也不一样，使电机受力不平衡，容易烧毁电机。
热管换热器与板式换热器的比较
热管换热器采用热管作为换热元件，热管是在高真空的管子里充入工质，利用饱和工质相变时产生的气化潜热传递热量，传热能力是铜的一万倍，因此被称作“超热导体”。热管无运动部件，性质稳定，无须维修，使用寿命长（12年以上），工作特别可靠，这也是热管被用于宇宙空间的主要原因（在那里很难维修）。
热管换热器
1 翅片为光滑表面，气流左右逆流通过，可以得到的换热效果，换热效率60%-70%。
2 结构上不受气流速度的限制，不容易脏堵，换热效率稳定。
3 进，排气流分割严密，完全没有交叉污染。
4 没有运行费用，基本无需维修，寿命长（12年以上）
板式热管换热
气流是单数层进气，双数层排气，气流在层之间流动，会使换热膜片扰动，气流大时，产生强大的阻力和噪声，甚至吹破膜片，结构受气流限制，只能做成叉流（降低阻力和噪音），并限制在低风速下使用。
缺点：
1 在大风量下，厂家很难保证按国家标准的尺寸制作。
2 逆流：叉流：顺流的换热效率=1：0.75：0.5
十一、热管式换热器清洗
热管换热器的清洗可用机械化或化工法，应根据清晰地场所、范围、除垢难易程度、垢的性质来决定。凡不溶于酸碱的溶剂的污垢宜采用机械法。热管式换热器化学法适用于形状复杂的热管换热器的清洗，缺点是对金属多少有些腐蚀作用。
??? 相对于热管换热器的清晰以上两种方法是目前最有效地清晰方法。也是最经济实惠的。
十二、热管换热器的应用
1、热管换热在热能回收装置方面的应用
热管式换热器在工业等各个领域已获得广泛应用。如液态金属热管式换热器已经广泛应用于动力工程中。中温热管换热热管，在电子技术中用来冷却一些器件。低温热管换热，在通信中用来冷却红外传感器，参量放大器以及激光系统。随着热管技术的发展，其应用范围与日俱增。
2、热管换热器在热管回收装置方面的应用
热管换热回收装置用于回收工业生产过程以及采暖，通风和空气调节系统排出的空气或气体的热能。热回收装置中所用的热管，一般外表面都带有翅片。热管换热排出的热空气通过热管蒸发段上外翅片，把热量传给热管的蒸发段；而后这部分热量就从蒸发段传到冷凝段，再由冷凝段上的外翅片传给吸进的冷空气。
3、热管换热器在冶金过程中的应用
冶金工业史耗能大户，不论是有色冶金或黑色冶金工业都存在大量的节能问题。以钢铁企业为例，焦炉、高炉及炼钢工序均有相当数量的余热未能回收利用。热管换热预热的温度可达1600°C，热能的形态有固体、气体、液体，其中很多为间隙排放，因之给余热回收带来了一定得难度。由于热管式换热器的众多特点，热管式换热器特别适用于上述场合的余热回收利用，从70年代开始国内冶金界的广大工程技术人员和热管技术工作者进行了卓有成效的合作开发，取得了相当可惜的成果。热管换热目前在烧结排气显热和热风炉燃烧废气的预热回收方面，已可达到定型设计和系列化、标准化的程度。近年来高温热管及高温热管空气预热器、高温热管蒸汽发生器开发运用成功，热管式换热器给冶金企业的高品味余能利用带来了新的希望。