【摘 要】本文针对圆形翅片式换热管，以某厂网带炉氢气-水换热器为例，分别讨论其在设计过程中材质、翅片厚度、翅片间距和翅高等的选择，通过理论分析和计算，得到其最优解，以指导设计工作。

　　【关键词】翅片管；换热管材质；翅片效率；翅片高度；优化设计

　　圆形翅片管换热器是紧凑式换热器（Compact Heat Exchanger）中最常用的一种，常用于换热管两侧流体对流换热系数相差较大（例如10倍以上）的情况下，单根翅片管形状。某网带炉氢气-水换热器（以下简称“网带炉换热器”），管内工质为冷却水，管外（翅片侧）工质为氢气，两侧对流换热系数相差20倍以上，其换热管便是使用螺旋翅片管的形式。

　　一般在设计翅片管换热器时，其排列方式较易确定，多使用正三角形排列。在设计换热管时，基管的尺寸也大多根据管内流体流量按标准选择，但对于换热管材质、翅片厚度和间隔、翅片高度等问题却难以确定，常让设计者无从选择。本文分别针对这三个问题展开讨论，以获得其最优解，为翅片式换热管的设计提供依据。

　　1 换热管材质的选择

　　1.1 基管材质的选择

　　在管内外热阻不变的情况下，基管导热热阻越小越好，即其热导率越大越好。一般铜管和不锈钢304管都是常用的换热管材质，由于铜的导热系数（300K时约为380W/m·K）相较于不锈钢304（300K时约为18W/m·K）高出20倍以上，因此在对换热性能要求较高的场合常采用铜管。网带炉换热器原为德国进口设备，其基管材质便采用铜管。

　　但我国铜的储量并不高，很多依赖进口，采用铜管作为换热管材质会使得换热器的造价过高。此外，铜的抗腐蚀性较差，某钢厂连退炉氮气-水换热器曾采用铜管，在停炉时铜管表面氧化，开炉时氮气将换热管表面铜绿吹入炉内，造成炉内钢板表面质量缺陷。网带炉换热器由于在每次开炉之前均吹扫较长时间，目前尚未发生上述问题，但在对工件表面质量要求较高的热处理炉中，不宜使用铜管作为换热管。

　　采用不锈钢304管作为换热管基管，抗腐蚀性较好。虽然其导热系数较低，但考虑到在翅片管换热器中，基管的导热热阻最多只占整个传热过程热阻的10%，整个传热过程的热阻主要在对流换热系数较低的一侧（即气侧），因此用不锈钢管代替铜管所带来的导热性能的损失是可以接受。

　　1.2 翅片材质的选择

　　决定综合传热系数的主要有管内/外对流换热系数、管内/外换热面积、基管尺寸与材质和翅片管总效率。翅片材质的选择，主要影响翅片管总效率。N为每米翅片数，Af为单个翅片面积，ηf为单个翅片效率，Lf为当量翅高，L为翅高，h为对流换热系数，λ为翅片导热系数，t为翅片厚度，df为翅片外径，单位为国际单位制。

　　在其他结构参数和热工参数都不变的情况下，只更换翅片材质，翅片总效率ηo是单个翅片效率ηf的增函数，一般ηo略微高于ηf；单个翅片效率ηf是翅片导热系数λ的增函数。以网带炉换热器为例，当mLf=2时，ηf=0.48；若更换翅片材质为2倍λ，则mLf=1.414，ηf=0.63，增大了30%；若更换翅片材质为10倍λ，则mLf=0.63，ηf=0.89，增大了84%。

　　增大翅片效率，必然增大综合传热系数。一般来说，翅片侧热阻占整个传热热阻的60%～80%，如果翅片效率增大1倍，可降低总热阻30%～40%，换言之，综合传热效率将增大30%～40%。因此应优先选用导热系数较大的材质作为翅片。

　　工业上常用铝或铝合金（300K时导热系数约为170～230W/m·K）作为翅片，利用张紧力缠绕在钢管上来制作圆形翅片管，但要注意铝有较高的热膨胀性，其操作温度应限制在100℃以下，否则张力会减少，导致翅片松动，接触热阻会大大增加。网带炉换热器氢气进口温度最高100℃，便使用的是铝翅片。

　　2 翅片间距及厚度的选择

　　2.1 翅片间距

　　除工质本身的物性之外，h0主要由最大质量流速Gmax、翅片间隔Sf、翅高L决定，其中Gmax影响较大，Sf和L影响较小。

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