无锡康博翅片管生产公司是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。
优质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。
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示意图。此种散热模式虽比其他散热模式更为有效, 但其热阻仍然较大, 仅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, 应用在图3 的蒸发器及冷凝器上, 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
此设备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, 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、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。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, 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、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。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 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。
无锡康博热能设备有限公司通过研究了一种新型内翅式氮气换热器的对流换热和阻力特性，建立了所测船范围内对流换热和阻力实验关联式，并且在相同质量流量、相同泵功率、相同阻力降的条件下比较了该翅片管与普通光管之间的传热效果．与类似的波纹管的换热效果进行了比较，结果表明，新型内翅式氮气换热器具有较好的换热效果，特别是在较低成条件下，效果更加明显．
对流换热及其强化传热一直是人们研究的重要课题．强化传热研究在化工系统制冷空调工程及食品工程中具有重要的实际意义．石化和化工系统中存在大量的处理气体换热的工况，由于气体换热效率低，导致换热器体积过于庞大，从而大大增加了企业负担，也严重制约着大处理量工况时设备—体化的要求，因此，石化和化工系统中研究强化传热，可以大大减小设备体积，具有重要的理论和实际意义．本文研究了一种波纹形内翅片高效换热管；具有较大的翅化比，较高的翅片效率，整个换热管具有良好的换热效果．
一、高频焊翅片管实验系统
整个实验系统由空气压缩机、混合人口段、实验段、较核段及水系统和数据采集系统组成，如图1所示．实验中。为了在不同压力进行实验，用空气压缩机来取代风机作为空气动力源，通过混合箱消除由于压缩机排气对气体流速产生的脉动影响，通过调节旁通阀来改变进入翅片管的空气流量．翅片管入口段采用维多辛斯基曲线喇叭口，空气经过这种渐缩入口以后速度分布接近均匀．实验时，在管子轴向15个截面上分别布置热电偶，每个截面沿周向布置3个热电偶．在实验段后设置一个套管换热器，也采用波纹内翅片换热管，通过对套管换热器数据的处理，来较核实验管测定数据的可信度(二者给热系数偏差大于10％被视为不可信)．
传热实验采用恒热流密度的做法，实验采用电阻丝作为加热元件，将电阻丝均匀地缠绕在翅片管上，为了尽可能地减少散热损失，加热电阻丝外包裹石棉和海绵，实验加热两端均装有绝热良好的绝缘木来减少轴端热损失，在出口处加设辅助微调加热器来补偿出口端导热损失．
二、 高频焊翅片管数据处理方法
通过调节电阻丝电流大小，控制实验满足中等以下温差范围条件，空气定性温度取进出口平均温度，即tm=(tm+tout)／2．热平衡由电阻丝的加热功率W与空气的吸热量Q比较而得．实验中热平衡相对误差一般小于5％，热平衡偏差小于9％．热平衡偏差定义为
热流密度由空气实际吸热量除以换热面积得到，即
其中：m为空气质量流量；hin、hout 分别为空气进出口焓值；Fi为外管内表面积；Ff为肋表面积； 为将翅片近似地当成ηf个直肋的效率( 为翅片数)．
由于实验铜管管壁很薄，热电偶采用锡焊焊接，铜和锡的导热系数都很大，因此可以认为用热电偶测得的温度近似代表管内壁温度．实验表明，同一个截面上的三个热电偶测得的温度相差很小，相差一般小于0．5 ℃，内翅片管内壁面温度tw(X)取同一个截面上三个热电偶的算术平均数．在恒热流密度加热条件下，流体主流方向平均温度必定沿流向呈线性变化，故其局部点主流温度采用如下计算式：
其中：D 为波纹形内翅片换热管的热当量直径，为管内流体的导热系数．
由于叵热流密度时，在充分发展区内轴向温度梯度呈现为恒定值，也就是说，其局部给热系数亦应为定值．因此充分发展段平均对流换热系数可以通过各局部换热系数的平均值给出，充分发展段对流换热系数和Nusseh数定义为：
其中：／Z为截面平均流速，v为管内流体的运动黏度，P为管内流体的密度，dp／dx为流体单位长度上的阻力损失．
三 高频焊翅片管实验结果及讨论
1 对流换热和流动阻力的实验关联式
充分发展段的对流换热和阻力的整体特性可以用关联式来反映，根据最jJ~-乘原理，对实验数据拟合得到如下形式实验关联式：
2 传热性能比较准则
文献[3]中广泛采用的传热性能比较准则有相同质量流量、相同泵功率、相同压降三种比较准则．根据文献[4]的建议，在常物性条件下，进行推导可得如下限定关系式
在上述三种准则下，分别表示在相同质量流量、相同泵功率、相同阻力降的条件下两种内翅片管在换热面积基本相同(翅片管的外管与普通光管内径相同)时分别与普通光管的换热效果比较．从图2、3、4可以看出，新型波纹形内翅片换热管具有良好的强化换热效果，特别是在较低Re时，其强化效果十分明显，但是随着Re的增加，强化倍数迅速降低；比较管换热效果随Re变化相对比较平缓．波纹形内翅片换热管和比较管都在相同质量流量比较准则下具有的强化效果，相同压降时强化效果最差，甚至在屉增大到一定时，不再具有强化作用，这主要是由于在管内加翅片后，换热管阻力降增大的缘故，特别是在高Re时，翅片管阻力系数较之普通光管增加明显，这样，在相同阻力降时，其强化作用就显现不出来了．总体来说，不管哪种比较准则下，新型波纹形内翅片换热管都具有比比较管更好的强化效果．这主要是由于二者不同的翅片结构引起的．
虽然新型波纹形内翅片换热管和比较管的翅片都是弯曲成波纹性的，但是比较管内外管之间的流通空间被分为4个大小不一的流道，靠近外管的两个流道离翅根较近，有较小的导热距离，具有良好的换热效果，而靠近内管的两个流道有很大的导热距离，导致换热效果下降，同时又由于四个通道分别被隔绝，流体不能相互流通，使得流体对流不畅，因此总体换热效果下降．而新型波纹形内翅片换热管流体通道成长扁性，并且只在圆周方向上形成2个大小相近的小流道，虽然靠近内管的导热距离也很大，但是由于流体能很好的流通，在图2两种翅片管换热效果的比较每个通道内对流和导热充分结合，所以具有了良好的强化换热效果．
四、波纹内翅片管的对流换热及流动阻力特性，得到了Nusseh数、Darcy阻力系数_厂随Reyn。lds数变化的实验关联式，并将该新型波纹内翅片换热管与类似波纹管进行了比较．结果发现，新型波纹内翅片换热管在相应的准则方程式控制下，相同传热温差的传热量较之普通光滑管要高1．5～l4倍．无论哪种比较准则下，两种翅片管的综合陡能都要强于普通光管，在相同的比较准则下，实验管具有较之比较管更好的传热性能，不同的翅片结构和流道形式对换热强化影响较大．?
翅片管建立了恒流条件下的强制对流翅片管式换热器的结霜模型，并用实验结果验证了模型的可靠性．将结霜模型和风机性能曲线联合起来考虑，在更加切合实际的情况下，模拟了换热器在结霜工况下的热力性能．研究发现，换热器结霜引起了翅片效率、空气流通率及翅片性能的显著降低，同时还伴随着空气侧压力降上升．讨论了改变风机类型、翅片间距以及翅片厚度在内的几种设计参数对结霜性能的影响．
在风冷热泵型的空调设备中，翅片管式换热器表面结霜是很普遍的问题．换热器表面结霜增加了翅片和气流问的热阻，降低了换热器的冷却能力，减少了通过换热器的气流量，增加了气流的压力降．当换热器长时间结霜以后，气流通道可能被完全堵塞．为了保证换热器的理想性能，要周期性地循环除霜．在用来除霜的热量中，事实上只有15 ～2O 被有效利用，其余的热量都散到周围的环境中．由于结霜的存在，工业上使用的制冷设备与相同条件下没有结霜的设备相比较，体积大5O 左右，能耗增加了25%．
制冷换热器的设计需要考虑结霜速率，结霜与气流堵塞、空气侧压力降及导热率降低的关系．目前，已经发表的关于换热器表面结霜研究的论文中，大部分只建立了大平面结霜的单一均匀特性模型，并测量了结霜时典型换热器的热力性能，仅有一部分研究考虑到结霜时的气流量和压力降变化，没有考虑建立结霜翅片表面的模型．过去对换热器表面结霜的研究为设计结霜工况下的换热器提供了指导，但没有涉及到翅片表面结霜增长模型的建立．
在前人所做工作的基础上，建立了强制对流翅片管式换热器的结霜数学模型，该模型涉及到翅片表面结霜增长及与风机特性曲线的关联，因此具有更高的度．
1 翅片管式换热器的结霜数值模型
图l为翅片管式换热器结构，其具有一个保持相对低温的紫铜管外套接铝翅片作为冷体，经相对高温和较高相对湿度的冷却气流提供热量．
1．1 恒流条件下强制对流翅片管式换热器的结霜模型
翅片管式换热器的结霜数学模型包括两部分：翅片及铜管表面的一维结霜模型及翅片内部的二维导热模型．
1．1．1 翅片表面结霜模型 翅片表面结霜模型为一维瞬变模型，用来描述霜层内部能量和质量迁移，基本控制方程和边界条件
1．1．4 空气侧压降和热流密度计算 由于换热器翅片表面结霜引起的堵塞增加了气流的压力降，假定空气密度不变，压降可由以下方程计算
1．2 恒定流速条件下模型的验证
表1列出了实验及模拟的运行工况和换热器的几何形状参数，这些参数作为模型输人的已知条件．
模拟结果和实测数据之间的对比如表2所示．相对误差为(计算值一实验值)／实验值，误差产生的原因主要有实验误差、公式误差以及为了简化计算而进行的基本假设，这些误差影响了计算结果的精度．本文的实验与数学模拟很好地吻合，故能用来模拟与结霜情况相似的不同运行工况．
1．3 结霜模型和风机性能曲线的联合求解
图2给出了由轴流和离心风机的特性曲线及系统P—Q特性曲线所确定的风机工作点，用来计算通过翅片区的气流速度和压力降．由风机性能曲线所反映的气流速度与压力降之间的关系和其他控制方程联合起来，共同构成该模型．
2 设计参数改变对结霜性能的影响
缩短翅片间距会导致2个除霜周期之间的运行时间减少．当翅片间距缩短21．7 时，气流速度降低5O 9／6大约需130 rain，而对于初始条件却需160rain(见图4中曲线2)．缩短翅片间距降低了翅片效率(见图6中曲线2)．翅片区的流通面积在结霜时的堵塞值与未结霜时的流通面积之比称为结霜阻塞率，较小的翅片间距引起的结霜堵塞更快(见图5中曲线2)，导致气流和翅片表面间传热迅速下降．另一方面，翅片间距的减小会增加单位管长的翅片数，使总体传热面积增加，从而强化了换热．
将翅片厚度减小一半会使其热流密度和翅片效率随时间的增大而缓慢降低(见图6中曲线3)，除霜循环周期变长．将轴流风机改为离心风机对翅片性能没有明显影响，但热流密度和气流速度将在终点减为0
将结霜模型和风机性能曲线联合起来考虑，更加切合实际地反映了在换热器表面结霜状况下风机风量的变化，因此该模拟具有更高的度．研究发现，换热器结霜引起了翅片管效率、空气流通率及翅片管性能的显著降低，同时还伴随着空气侧压力降上升．讨论了包括改变风机类型、翅片管翅片间距以及翅片管翅片厚度在内的几种设计参数对结霜性能的影响．在结霜时，热流密度、翅片管效率与压力降以及气流速度随时间的增大而明显降低，风机、翅片管翅片间距以及翅厚等设计参数改变会改变结霜的时间．本文结论对换热器的优化设计有重要意义．