第二講 翅化比、翅片效率和翅片參數選擇

上一節講了翅片管的傳熱原理和選用原則，本節講述翅片管的兩個重要概念：翅化比和翅片效率，并指出在選擇翅片參數時應考慮的問題。

（一）翅片管和翅片結構的标注方法

首先，用CPG 代表翅片管（CHIPIAN GUAN） 的縮寫，翅片管的結構特性，材質，及加工方法可用下面的系列數字或符号表示：

CPG ( φDb×δ/ Df / P / T –X /Y –A )

其中 ：

CPG ：翅片管；

φDb×δ ：基管外徑和厚度；

Df : 翅片外徑，mm ;

P : 翅片節距，mm ;

T : 翅片厚度， mm ;

X/Y：基管材質/翅片材質； 其中：Fe : 鐵；Al : 鋁； Cu : 銅

A : 加工方法：I ：高頻焊（不标出即默認）；其它待定。見下圖之标示。

例如：

CPG ( φ32×3.5 / 64 / 8 / 1 –Fe / Fe )

說明該翅片管的基管外徑為32mm，壁厚為3.5mm，翅片外徑為64mm，(即翅片高度為16mm)，翅片節距為8mm，翅片厚度為1mm，基管和翅片皆為碳鋼，為高頻焊管。

此外，有時需要單獨對翅片本身的結構參數進行标注，标注方法如下所示：

CP( Db / Df / P / T –Y )

各符号所代表的意義與翅片管的表示方法相同。舉例如下：

CP (32 / 62 / 8 / 1 –Fe)

說明該翅片的基管外徑為32mm，翅片外徑為62mm（翅片高度為15mm），翅片節距為8mm，翅片厚度為1mm，材質為碳鋼。

（二）翅化比

翅化比是指光管表面（基管表面）在加裝翅片以後表面積擴大的倍數，可用“β”來表示，即

β =（翅片管總的外表面積）/（原光管外表面積）

計算舉例：

翅片管CPG (φ25×2.5 / 50 / 4 / 1 –Fe/Fe), 試計算其翅化比。

1 米管長的翅片數目

n= 1000 / 4 =250

1米管長的翅片面積

Af = n× [π/4 {(Df2-Db2) ×2 π×Df×Y} =0.775 m2

1 米管長上翅片間隙面積，即翅片之間的光管面積

Ao = π×Db×1×(P-T)/P = 3.1416 ×0.025 ×1× 3/4=0.0589 m2

1米管長上的光管面積

Ab =3.1416×0.025= 0.0785 m2

翅化比

β = (Af Ao)/Ab= (0.775 0.0589)/ 0.0785 = 10.62

即加翅片後的傳熱面積為原光管面積的10.62 倍。

對幾個常用規格的翅片管，其翅化比的計算結果示于表—1中，以供參考。

（三）翅片效率

當翅片被“根植”在光管表面上以後，在由管内向管外傳熱的情況下，熱量将從翅片根部沿翅片高度向外傳遞，同時不斷地以對流換熱的方式傳給周圍的流體，其結果就使得翅片溫度沿高度方向逐漸下降，如下圖所示。

翅片溫度沿高度方向逐漸下降，說明翅片溫度與周圍流體溫度的差值在逐漸縮小，單位面積的換熱量在逐漸縮小。

這樣，翅片表面積對增強換熱的有效性在下降。翅片越高，其增加的面積對換熱的“貢獻”就越小。

因此，有必要引入一個新的概念----翅片效率。

翅片效率 η= （翅片表面的實際散熱量）/ （假定翅片表面溫度等于翅根溫度時的散熱量）

因為翅片效率小于1，說明增加1倍的翅片散熱面積，并不能增加1倍的散熱量，要打一個“折扣”，這個“折扣”就是翅片效率。

翅片效率的數值取決于翅片的形狀，高度/厚度/材質，更重要地還取決于管外換熱系數，計算比較複雜。見上表—1

計算表明，翅片高度對翅片效率的影響最大，翅片越高，翅片效率就越低；

其次，翅片材質的熱傳導性能也有一定的影響，鋁的導熱系數高于碳鋼，在其他條件相同時，鋁翅片比鋼翅片的效率要高。

此外，翅片效率還和管外的換熱系數有關，上表—1中的翅片效率值就是在一定的換熱系數h=50 W/m2.℃ 的條件下計算出來的。

（四）翅片的有效性

翅片的有效性是指在加裝上翅片以後，以基管（光管）外表面積為基準的換熱系數到底增加了多少倍。經推導，有下列關系式：

ho = h × [( Ao Af × η ) / Ab]

ho ---- 以光管外表面積為基準的對流換熱系數，它代表加裝翅片後的總換熱系數

h ----翅片外表面的對流換熱系數

Ao ，Af ，Ab ：翅片間隙處的裸管面積，翅片面積，原光管面積。

因為 Ao << Af ，故上式可簡化為：

ho = h × η × [(Ao Af )/Ab] = h ×η× β

由此可見，翅化比和翅片效率的乘積（η × β）成為翅片有效性的最終影響指标。

對表—1所列舉的一組翅片管，其有效性（η × β）的數值也列入表中。

例如，對上表中的CP（38/68/8/1--Fe)而言，假定翅片外表面的換熱系數h=50 W/（m2。℃），翅片的有效性為5.94，最終，以光管外表面積為基準的對流換熱系數ho=50×5.94=297 W/(m2.℃)。

（五）翅片參數選擇

5.1 翅片高度的選擇：

對于工程上常用的高頻焊翅片管，當翅高為15mm時，翅片效率為0.8左右，而當翅高為20mm時，則翅片效率降為0.7左右，這說明選擇15mm的翅高是合适的。

對于空冷器上用的鋁翅片，由于鋁的導熱系數遠高于碳鋼，其翅片效率較高，将翅片高度提高至22-25mm 也是可以接受的。

5.2 翅片節距的選擇：

選取小的節距，可有效地增加翅化比。但在選擇節距時，也要特别小心。應考慮的因素有：

A、繞流氣體的性質及積灰的可能性。可分為三種情況：

第一，積灰特别嚴重的場合，例如：鋼鐵廠的電爐，轉爐，及某些工業窯爐的排氣，含灰量很大，如果用翅片管換熱，一定要選用大的翅片節距。例如節距在10mm以上，還要輔之以合理的排灰設計及選用吹灰器。

第二，積灰不一定很嚴重，但也要給于重視的場合，例如：電站鍋爐和工業鍋爐的排氣，翅片節距采用8mm左右比較合适，但要輔之以具有自吹灰能力的設計方案。

第三，沒有積灰或積灰輕微的場合，例如燃燒天然氣設備的排氣，或空氣冷卻器，其翅片節距選擇4-6mm是可以的。對于鋁制的空冷器，其翅片節距往往在3mm左右。

B、翅片的加工工藝及加工成本也是在選擇翅片節距時應考慮的因素。

5.3 翅片厚度的選擇：

主要考慮繞流氣體的腐蝕性和摩損。對于腐蝕和摩損嚴重的場合，可選用較厚的翅片。

在本節最後，請放松一下，欣賞一張“靓麗”的翅片管照片。并請考慮：為甚麼這些翅片管與我們所熟悉的如此不同？它們都是用在甚麼地方呀？

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!