高效節能鋼帶式果蔬綠色干燥裝備翅片管換熱器的傳熱計算

蒲彥君

(甘肅省機械科學研究院，甘肅蘭州730030)

摘要:翅片管換熱器是高效節能鋼帶式果蔬綠色干燥裝備的供熱裝置，通過對翅片管換熱器的翅化比、對流換熱系數、傳熱系數及阻力的計算，得到了翅片管換熱器的壓降及翅片管的管數，計算結果表明翅片管換熱器換熱能力強，傳熱系數高。
    關鍵詞:翅片管;翅化比;傳熱系數;對流換熱系數;壓降
    中圖分類號:S22文獻標識碼:A文章編號:1006－4414(2010)04－0073－02
    1·引言
    高效節能鋼帶式果蔬綠色干燥裝備采用閉式熱風分段分倉設計，將干燥過程分成若干個可適應不同溫度的閉環熱風干燥單元，翅片管換熱器是干燥單元的供熱裝置，根據各干燥階段(恒速階段、降速階段)所需熱量的不同，干燥單元內翅片管換熱器的數量按照物料干燥階段所需熱量進行匹配性設計。筆者通過對翅片管各參數的計算分析，得出翅片管的壓降和所需數量。為高效節能鋼帶式果蔬綠色干燥裝備的熱源選擇提供了計算依據。
    2·翅片管基本參數介紹
    翅片管的結構特性、材質及加工方法可用以下數字或符號表示:CPG(ΦDb×δ/Df/P/T－X/Y－A)，高效節能鋼帶式果蔬綠色干燥裝備換熱器翅片管的基管采用不銹鋼，翅片為鋁片，依據表示方法，翅片管型號可表示為CPG(Φ18×2．5/37/2．5/0．3－C304/Al)［1］。翅片管結構如圖1所示。

             
    3·翅片管翅化比計算［2］

    
    4·翅片管換熱和阻力計算［2，3］
    翅片管的排列有順排式和叉排式，順排翅片管壓降小，換熱系數小，翅片管叉排壓降大，換熱系數大，所以高效節能鋼帶式果蔬綠色干燥裝備的翅片管采用叉排，排布如圖2所示。

           
    4．1計算空氣質量流速
    在計算空氣質量流速時，先應計算有效迎風面積S0，其面積為0．85m2。

    
    4．2最窄迎風面積及最窄迎風面上質量流速計算

    
    根據式(6)可計算出最窄迎風面積，將式(5)、(6)帶入式(7)中，可計算出最窄迎風面積上的質量流速。
    4．3翅片管換熱系數計算
    高效節能鋼帶式果蔬綠色干燥裝備為分段式干燥，由于干燥階段的不同，干燥系統所需的熱量也不相同，在計算時，要依據干燥段分別計算，先求取各干燥段的平均溫度t’;查取該溫度下空氣的物性值密度，ρ;黏度，μ;導熱系數，λ;普朗特數，Pr。依據式(8)計算換熱系數。

    
    4．4翅片的有效性
    翅片的有效性是指在加裝上翅片以后，以基管(光管)外表面為基準的換熱系數增加倍數經推導，有下列關系式:
    h0=h×［(A0+Af)η/Ab］
    式中:h0為以光管外表面積為基準的對流換熱系數，它代表加裝翅片以后的總效果;由于A0?Af，故上式可簡化為:h0=h×η×β(9)
    翅片管的效率η計算比較復雜，在計算時，可依據結構參數相似的翅片管進行選擇，翅的有效性h0=756．7w/(m2·℃)。
    4．5翅片管傳熱系數計算
    4．5．1摩擦系數計算
    f是摩擦系數，是一個無因次數。對于按等邊三角形排列的管束，由下面的實驗關聯式計算:

    
    4．5．2傳熱系數計算 
    K=h0×f(11)
    將式(9)、(10)代入式(11)中，經計算，型號為CPG(?18×2．5/37/2．5/0．3?C304/Al)的翅片管傳熱系數K為622．22 W/(m2·℃)。
    4．6翅片管束數量計算
    通過上述計算，可以進行翅片管換熱器的工藝設計。設計的出發點和歸宿就是傳熱公式，在以傳熱面積作為設計目標時，傳熱公式可寫為:

    
    式中:Q為傳熱量(熱負荷)kW或W;K為傳熱系數，W/(m2·℃);ΔT為傳熱溫差，℃。先進行傳熱溫差計算，翅片管熱交換如圖3所示。

            
    將傳熱溫差ΔT帶入式中，可得傳熱面積A，可用式(15)計算干燥設備所需翅片管數量。
    N=A/πD0 L(14)
    經過計算，高效節能鋼帶式果蔬綠色干燥裝備共需翅片管460根。翅片管為叉排排列。
    4．7翅片管束的換熱和阻力計算
    在流體繞流翅片管束的流動阻力計算中，采用Briggs和Young的實驗關聯式，Briggs和Young的實驗關聯式計算條件如下:

    
    經計算，滿足Briggs和Young的實驗關聯式計算條件，可以使用公式(15)進行計算，在第I級、在第II級各組翅片管壓降ΔP計算如表1所示。

            
    翅片管束采用叉排排列，有較大的質量流速，結構更為緊湊，換熱效率提高。
    5·結論
    由于翅片管的傳熱是一個極為復雜的過程，目前，還沒有能夠精確計算的公式，一般都采用經驗公式，計算表明:型號為CPG(Φ18×2．5/37/2．5/0．3?C304/Al)的翅片管換熱效率好，對流換熱系數、傳熱系數大。隨著項目的后續進行，干燥設備傳熱研究分析將進一步深入。
參考文獻:
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［2］劉廣文．干燥設備設計手冊［M］．北京:機械工業出版社，2009．
［3］史美中，王中錚．熱交換器原理與設計［M］．南京:東南大學出版社，2009．