上期我跟大家分享了板式換熱器的流動(dòng)阻力計(jì)算和熱混合計(jì)算，本期我們來講一講翅片管式換熱器換熱面積以及翅片管束的換熱和阻力計(jì)算。
一：翅片管式換熱器總傳熱計(jì)算
采用平壁導(dǎo)熱計(jì)算公式，總傳熱計(jì)算方程：
二：翅片效率簡(jiǎn)化計(jì)算前提
( l ）翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)；
( 2 ）翅片厚度遠(yuǎn)小于翅片高度與翅片寬度；
( 3 ）翅基溫度、翅周圍介質(zhì)溫度、翅表面與周圍介質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)均為常數(shù)；
( 4 ）翅端絕熱。
三：翅片管束的換熱和流動(dòng)阻力
由于空氣側(cè)或煙氣側(cè)的換熱系數(shù)很低，因此我們一般采用翅片管。此外，當(dāng)流體流過翅片管束時(shí)，須克服一定的流動(dòng)阻力，因而會(huì)產(chǎn)生壓力降△P ，壓力降越大，說明消耗的動(dòng)力越大。所以壓力降的計(jì)算也是一個(gè)應(yīng)該關(guān)注的問題。
1 ．流體繞流翅片管束時(shí)的管外換熱系數(shù)
換熱系數(shù)是指當(dāng)流體流過固體壁面時(shí)，單位時(shí)間，單位面積，單位溫差時(shí)的換熱量。應(yīng)注意，這兒說的單位溫差是指固體壁面和流體之間的溫差。換熱系數(shù)我們用 h 來表示，其單位是： W /（㎡.℃）。
翅片管的排列有順排和叉排之分，由于順排和叉排時(shí)流體的流動(dòng)狀態(tài)不同，因而其換熱系數(shù)的計(jì)算式是不同的。
順排流動(dòng)叉排流動(dòng)所有翅片管束管外換熱系數(shù)的計(jì)算式都是由實(shí)驗(yàn)得出來的，實(shí)驗(yàn)中要考慮很多因素的影響，因而所得出的結(jié)果又叫實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。不同研究者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可能會(huì)得出形式上不同的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，但在同一條件下的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該是相近的。我們的任務(wù)就是選擇信得過的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。
這里推薦 Briggs和 Young 的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。他們?cè)鴮?duì)十多種環(huán)形翅片管束進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，所有的實(shí)驗(yàn)管束都是叉排排列，管心距呈等邊三角形布置。其標(biāo)準(zhǔn)誤差在5％左右。下面只介紹對(duì)于高翅片管束的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
式中，
df , db ：翅片外徑和基管直徑；
Y , H ：翅片間隙和高度；
入，μ和 Pr 分別為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，粘度系數(shù)和普朗特?cái)?shù)。
根據(jù)流體溫度查流體物性表得到；式中的 Gmax 是流體在*窄截面處的質(zhì)量流速，單位是 Kg /（㎡.s) . 所謂*窄截面是指相鄰兩翅片管之間夾縫中的截面。由上式可知，影響換熱系數(shù) h *大的因素是流速，與 Gmax 的0.718次方成正比。如何應(yīng)用這一關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算，后面將通過一個(gè)例題加以說明。
2．流體繞流翅片管束的流動(dòng)阻力
Robinson 和 Briggs 對(duì)十多種叉排環(huán)形翅片管束進(jìn)行了等溫條件下的流動(dòng)阻力測(cè)試。實(shí)驗(yàn)范圍是：
上式中， K 是縱向管排數(shù)， f 是摩擦系數(shù)，是一個(gè)無因次數(shù)。對(duì)于按等邊三角形排列的管束，由下面的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算：
由上兩式可見，影響翅片管束壓力降△P的主要因素是：
**是流速，與Gmax的2-0 .316 =1 . 684次方成正比；
第二是管間距，幾乎與 Pt 的一次方成反比。
所以，為了降低阻力，可以選用較大的管問距和降低流體的流速。
3 .計(jì)算舉例
有一翅片管束，等邊三角形叉排排列，其迎風(fēng)面積為2m x2m,流過管束的空氣流量為 kg / h ，該翅片管束的幾何結(jié)構(gòu)為：
CPG（φ38 X3.5 /70/ 6/ 1 ）
管間距:92，縱向（流動(dòng)方向）的管排數(shù)為10排?？諝獾倪M(jìn)口溫度為 20 ℃，而出口溫度為 100 ℃ 。
試計(jì)算空氣流過該管束時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)和壓力降。
1）查取在平均溫度下的流體物性：
2） 計(jì)算流速:
3)計(jì)算換熱系數(shù)
試驗(yàn)中某翅片管的翅化比為8.72 ,翅片效率為0.78 , 這樣,以基管外表面為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)為:
4）計(jì)算壓力降
4、計(jì)算表格
上面的計(jì)算過程表明,翅片管的管外換熱系數(shù)和壓力降的計(jì)算還是比較復(fù)雜的,對(duì)于非專業(yè)人士會(huì)有一定的困難。因此,下面給出若干組已經(jīng)計(jì)算好的數(shù)據(jù),可供選用和參考。見下表。
氣體繞流翅片管束時(shí)的換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力計(jì)算表
上表的說明：
1 ）計(jì)算的流體平均溫度為100 ℃ ；適用與空氣或煙氣。
2 ）翅片按等邊三角形叉排排列； N 代表流動(dòng)方向上的管排數(shù)。
3）翅片規(guī)格’見第二講中的說明；
4）迎風(fēng)面質(zhì)量流速‘是指流體在進(jìn)入管束之前，單位流通面積，單位時(shí)間（每秒）流過的流體質(zhì)量（ kg ）。
應(yīng)用方法：計(jì)算或選擇‘迎風(fēng)面質(zhì)*流速‘和‘翅片規(guī)格” ; 在上表中找到相近的對(duì)應(yīng)值，從而查取 h 和 △ P 值。如果你在應(yīng)用上表時(shí)仍感到有點(diǎn)麻煩，也不妨由表中*后一行的“平均數(shù)值”直接選取。
不過，大約會(huì)有 20％左右的誤差，同時(shí)，該平均值僅適用于高頻焊翅片管束的常用規(guī)格。
5 、關(guān)于翅片管換熱系數(shù)和壓力降的討論
( 1 ）和其他換熱器一樣，換熱系數(shù)高說明可節(jié)省傳熱面積，減少設(shè)備的一次投資；而壓力降大，說明設(shè)備的阻力大，運(yùn)行費(fèi)用大，增加了二次投資。
( 2 ）在結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，換熱系數(shù)和壓力降都隨著流速的增大而增大。由本講推薦的計(jì)算公式可知，翅片管束的換熱系數(shù) h 與質(zhì)量流速的0.718 次方成正比；而壓力降 △ P 與質(zhì)量流速的 1.684 次方成止比。
( 3 ）當(dāng)用戶對(duì)壓力降有很苛刻的要求時(shí)，如要求整個(gè)翅片管換熱器的壓力降須控制在100Pa 以內(nèi)，這時(shí)應(yīng)采取的措施是：
A) ，擴(kuò)大迎風(fēng)面積，減小迎面風(fēng)速；
B) ，擴(kuò)大管間距，進(jìn)一步減小*窄截面處的質(zhì)量流速。請(qǐng)注意，這時(shí)您付出的代價(jià)是：換熱系數(shù)減小，換熱面積增大。
( 4 ）當(dāng)用戶對(duì)壓力降沒有明確要求，或要求比較寬松時(shí)，作為設(shè)計(jì)者，您可以選用較大的質(zhì)量流速，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。
( 5 ）在積灰比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，還需要保證一定的流速，以使流體（煙氣）具有 · 定的自吹灰能力。
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