第19卷第1期石油化工设备`加热炉用翅片管传热特性的研究西安交通大学洛阳石油化工工程公司教授陈听t讲师田未生高级工程师李法海工程师粱一材时炼油厂加热炉常用五种国形翅片管和一种打头,摘要在理论分析的墓拙上,管进行了单管总传热特性的试脸研究件以及改进方向等进行了讨论和比较主题饲:并时各种翅片管的经济性、优劣性、适用条。翅片管传热计算,换热,对比Qf=af在各种加热炉和换热设备中得到广泛应用。翅片管已,(t,一,tfaf)EFf,(1)就加热炉用翅片管来看。,最式中,E为翅效率,为翅片放热系数,Ff为。常用的有圆形翅片管和钉头管两类料及要求的不同种,根据材翅片表面积Qpa=t,为壁面温度,一tf为流体温度:翅片管生产的方法有多、无翅部分管子的放热量为ap如碳钢圆形翅片可用高频焊。钎焊或机式中(ttf)Fp(,2)p械预紧等方式将其缠绕(螺旋形)和套装(环形)在母管上,p为无翅部分管子的放热系数。F碳钢钉头主要有圆柱形,为无翅部分管子的表面积和锥形两种焊接在一起影响因素热计算式。,一般可用专用设备将其与母管不同工艺生产的翅片管,总放热量为Q=:。其传Qf+Q+app=,一af(t,一tf)tf)FpEFf热性能相差很大,其中以接触热阻为主要的7〕推荐的翅片管传,(t文献〔1~一般都取aQ=ap”fa一,则可得tr)F(E:一般均未考虑这一影响因素。且式中一f(t,Ff/F+Fp/F))。多数是在直径小于40到的关联式管径翅片管来说,mm的条件下试验后得,(3F=因此对加热炉等设备使用的大Ff+FE=ap,为翅片管总面积Ff/F+令(1很有必要对其传热性能和。翅壁总效率刀=E)Ff/F和,Fp:/F“1一经济性等进行一些研究和比较生产的场60和分析比较1。本文就是针af”,其中a称为计算总平3对炼油厂加热炉中广泛使用的并用各种方法x。均放热系数Q=at代入式(一),则有,:4mm翅片管进行的试验研究(t,tf)F(4)根据解析方法的推导〔eJ片的翅效率E的表达式为。则某厚圆翅翅片I传热分析其一:翅片的放热分析计算有两类方法是运用翅片效率的概念实际运用的计算公式。_是经理论分析后得出的复杂解析公式,其二,I一(mI(mre)K)K2rrx(m(mrro。)一K+I。n(r(mrre)I)I:(m(mrr。))ro)K。:e得出简明而又便于,这里以后者为主。,但式中o也引用前者的一些结果放热t为:m(rI。,e,一r。2)(5)对一给定的翅片管来说翅片对流体的I:—分别为第一类零阶和一阶虚变t贝塞尔函数6石油化工设备1990年K。,K,—分别为第二类零阶和一2.实验装t及方法阶虚变量贝塞尔函数(1)实验装置:实验是在吸风式单管传r。光管外半径热风洞上进行的。实验所用六种管子的结构re—。,—考虑顶面散热的修正外半径特性见下表所示实验按恒热流方法进行re二r:+乙/2采用硅碳棒作加热元件。测量用于加热的电r:,吝即可算出加热功率。—分别为翅片外半径和厚度流和电压试验段内外分m二订Zfa/瓜齐别用石棉橡胶板和玻璃棉保温。硅碳棒端部入s翅片的导热系数用石棉绳和矿渣棉隔热,散热损失很小。实根据文献—s(〕有:验中控制加热功率,壁温保持在50~150℃入:=a一b艺+c艺“的范围内。该实验包括:对表中所列管子进行艺,雷诺数范围为5x013一6x01`。a,—钢中其它元素的重量百分含量传热实验b,c另外,为检验铜合金钎焊的牢度,对2件—与温度有关的系数翅片实验用翅片,结构特性单位号序翅片与管壁管翅片约门|翅片形式x外径翅片高度翅片{间距重量!传热面积一钊J化翅比相对价格}传热面积接触方式管壁厚厚度(D。xt)(il)’(S)(乙)(:gzm){(m,/m)`元`坦,族}/m爵15。89。181。3804;相对。323人上土上1,1上乙,甘ō切1nnn任甘O1,SJCJ自只ōJ甘iUCO105514。010。03’1。0971。820:1。13712001737…4511。。。。2691。00014。09。8611338。0151。22715。010。00,1。2148116019。9。18003965{“。445。一2。1033。266管进行了急热急冷后的传热试验。图1。除钉头管外,其余管子的结构参数相(2)数据处理方法:恒热流实验时Q、龙不大。就传热性能的对比来看,以钎焊管F为已知,tw及ft可通过热电偶测量确定,最好,且铜合金和镍粉钎焊后的传热性能相故由式(5)可求得折算总平均放热系数差不大。L形套装管在适用温度范围内与高a:。在确定翅片传热系数af时,由于翅壁总频焊管相当。高频焊管与钎焊管相比,因其效率月和翅效率E都与fa有关因此只能通接合面积较小,接触热阻较大,放热系数就过迭代计算确定。要低一些。钉头管的放热系数远高于圆形翅这些计算已编成计算机程序,并考虑丁片管,这是因为交错排列的钉头扰动了流温度、气压和温度对各个物性参数的影响场使其背风面的放热系数增加了几倍。最后将af值按照(2)铜合金舒焊翅片管急热急冷后的传=热性能:丫一些二cReoPr各种方法生产的翅片管都有适用的工作强度,急热急冷后的传热实验就是要的形式整理出回归计算式。确定铜合金钎焊的适用温度。我们分别进行3实验结果与讨论了将其加热到550一650℃和650一750℃范围(1)翅片管的总传热特性:该特性是衡的试验。试验时翅片管在弱风下经5分钟左量产品质量和结构合理性的重要指标之一。右,快速加热到所需温度范围,再经7分钟由式(6)整理实验数据后所得的结果,见左右后快速冷却到常温。这样,反复多次后第卷第期石油化工设备一.洲一一,一--一一-一一5x10~{{以nN1洲乡尸厂挤/产异//衫-,百取盯盆1七ō5丫1石厂知参L图1各翅片管总传热特性的比较。铜合金钎焊翅片管急热急冷后的传热性能对比。洲3多翅片才六经济性时比再进行传热实验壁温瓦<曲线56;图2是其结果。图中6501是少,耐腐蚀,,即使烧蚀也能保持良好的传热。150℃3,场mx<20℃时的传热℃和。稳定性故某些特殊场合仍需使用。若将钉,2和,是分别被加热到550~头管的翅化比和钉头高度再增加一些经济性会有所改善由对比可见,则其0一570℃急热急冷后获得的传热曲线由,高频焊管。该图可见前者的传热性能只有少许降低后者下降明显,在传热和经济上都劣于其它翅片管,由此看出,,钎焊翅片的使用温0℃为好。炼油厂加热炉对流段中因受烟囱抽力的限制其烟气流动的雷诺数一般都低于10`,度取决于钎焊材料铜合金钎焊的翅片管使用的最高温度以不超过60影响因素很多,故放热系数也较低左右,,翅效率偏高。。所以如20,在mm(3)经济性与应用分析:经济性指标的可能的条件下增加一些翅片高度,这里从传热的角度出发定义:经济性会更好些。一个经济指标小小=4结语,,单位面积换热量造价单位面积换热量单位为元/kwPr。(7①在用不同方法生产的各种翅片管中以镍粉钎焊管的传热性能最好铜合金钎焊:即单位换热面积每千瓦换热量的换热器的生管次之,②按经济性好坏排列的次序是、镍高产成本100℃,,粉钎焊管:L形套装管;、铜合金钎焊管,、本文比较好的条件是=几=80℃x,07。,入=2。9610,一ZTAm℃=频焊管和钉头管③铜合金钎焊翅片管的使④炼油厂加热,W/。用温度以不超过60℃为宜取20mm左右。比较结果见图3。由该图可见,钎焊管尽管,炉用翅片管的翅化比可以大些翅片高度可。价高,但传热性能较好。。经济上仍比高频焊钉头高度也可适当增大参考文欲管为好特别是镍粉钎焊管的经济性最好L,且其防蚀能力亦较好,形套装管因其造价故其经济性,要比其它翅片管约低25一39%也较好在温度低于25选用是可取的。10℃,工况稳定的场合2尾花英明社,。换热器设计手册。石油工业出版1982钉头管尽管传热性能很好,卓宁等扩展表面对流受热面试验研究及其但因其翅化比太小头管有下述优点,经济性不高、。不过,钉在锅护中的应用中国机械工程学会动力学会(下转箱4即加工简单运行中积垢灭)石油化工设1备年方向上的塑性区尺寸,考虑应力松驰后有:式中,塑性区尺寸因子a二3/(1+2)5K:“二a,52(Ro“/平面应力)K:2/2了2二arsZ(平面应变)}其中S_△K△Ktb(3一△K。显然,本文试件是处于一种介乎平面应力与;m。x一平面应变之间的棍合应力状态。因此,依照K△K比/(1一R)△K。文献〔6〕的处理办法引入一塑性区尺寸因子a来修正R。:这里R为载荷应力比,本文试验R=O。l。最R。`二一1一(丝上)“(4)后将实测结果和按式(4)计算的结果列出,。兀Gys见下表。并由此可见,二者吻合较好。襄尖超载塑性区刹t与计算结果试件号D7CID7CZ}D7C3D:。CI}DloCZ}DloC3超载KoL,MPa58。8076。30113。6058。8076。30113。60(i/二)(KoL/口,s了m)):,刃以刃区7。8313。2030。307。8313。2030。30a二3/(1+25)一1。551。341。031。551。341。03(1/a二)(KoL/0,s),,m皿!…5。059。8529。405。059。8529。40实测值,mm10。50}-0s!6}n土逻3。结语参考文献①本文根据金属塑性滑移变形在金属表刃、国刚超载对疲劳裂纹扩展速率影响的研究面产生浮凸的机理,探索了一种观察、研究华东石油学院北京研究生部(硕士论文),裂纹尖端塑性变形区的方法。此法简单、直1986。刘宝探等力学学报,1955(2):265观、易行,且为研究疲劳裂纹扩展和机理的rWheele0EJofBasieEng。ASME分析提供了方便;②塑性区的理论分析计算SeriesD,1972,94(i):251ernoa表明,按Westergaad应力函数解法,并对Elbw。TheSigifieaneefFtigueCraekClosure,ASTMSTP486,2971。考虑了塑性区应力松驰以及随载荷变化而产王仁东断裂力学理论和应用。化学工业出版生的裂尖应力状态变化进行修正后,就得到社,1054了与实测值相当吻合的塑性区计算尺寸。张永奎等航空学报,1982(2):19(熊编)声....卜J叼闷..口目`曰勺口...,门...卜产叼口..目`闷(上接第7页)6钱滨江等简明传热手册高等教育出版社,第五届年会论文,19851983。3KaysWMLondonALCompact7Mie五olasP。CHandbookofHeatHeatExehangersMeGraw一HillBookandMassTransfer。CulfPubl。Co。Co。1982。1986。4茹卡乌斯卡斯。换热器内的对流换热。科学出8BaPra中T二:aHBTen二o中s,及ee二二e版社,1986C.o盘eT”aBeweeTB。1956。5ErnstUS。HeatExehangerDesign(熊编)HandbookHe二i,卜perePtblCo1983