1． 流体绕流翅片管束时的管外换热系数

　　首先，重温一下换热系数的定义：换热系数是指当流体流过固体壁面时，单位时间，单位面积，单位温差时的换热量。应注意，这儿说的单位温差是指固体壁面和流体之间的温差。本讲座中，换热系数用h

来表示，其单位是：W/ (m2.℃)

.

　　在上节中曾提到，翅片管的排列有顺排和叉排之分，如下图所示。由于顺排和叉排时流体的流动状态不同，因而其换热系数的计算式是不同的。

　　

　　顺排流动 叉排流动

　　所有翅片管束管外换热系数的计算式都是由实验得出来的，实验中要考虑很多因素的影响，因而所得出的结果又叫实验关联式。不同研究者进行的实验可能会得出形式上不同的实验关联式，但在同一条件下的计算结果应该是相近的。我们的任务就是选择信得过的关联式进行计算。这儿，推荐Briggs和Young

的实验关联式。他们曾对十多种环形翅片管束进行了实验研究，所有的实验管束都是叉排排列，管心距呈等边三角形布置。其标准误差在5%左右。下面只介绍对于高翅片管束的实验结果：

　　当（df / d b）= 1.7 –2.4 ,

d b=12 –

41 mm 时，

　　h = 0.1378 (λ／db )

(db Gmax / μ)0.718

(Pr )0.333 (Y /H)0.296

　　式中，df ，db

：翅片外径和基管直径 ; Y ,H : 翅片间隙和高度

；λ,μ 和Pr 分别为

流体的导热系数，黏度系数和普朗特数。根据流体温度查流体物性表得到;式中的Gmax

是流体在*窄截面处的质量流速，单位是Kg /

(m2. s) .

　　所谓*窄截面是指相邻两翅片管之间夹缝中的截面。由上式可知，影响换热系数h*大的因素是流速，与Gmax的0.718次方成正比。如何应用这一关联式进行计算，后面将通过一个例题加以说明。

　　1． 流体绕流翅片管束的流动阻力

　　Robinson 和Briggs

对十多种叉排环形翅片管束进行了等温条件下的流动阻力测试。实验范围是：

　　Re

= ( db Gmax / μ ) =

2000 –

　　Pt

/ db = 1.8 –4.6 ,

此处，Pt 即插图中的 S1,

为横向管间距；

　　df

/ db = 1.7 –2.4

　　db

= 12 –41 mm

　　阻力即压力降的表达式为：

　　△P= f × ( N G2max) / 2 ρ 单位是Pa

　　上式中，N是纵向管排数，f

是摩擦系数，是一个无因次数。对于按等边三角形排列的管束，由下面的实验关联式计算：

　　f = 37.86 （db

Gmax / μ）- 0.316 ( Pt /

db ) –

0.927

　　由上两式可见，影响翅片管束压力降△P的主要因素是：**是流速，与Gmax

的2－0.316 = 1.684 次方成正比；第二是管间距，几乎与Pt

的一次方成反比。所以，为了降低阻力，可以选用较大的管间距和降低流体的流速。

　　3 计算举例

　　有一翅片管束，等边三角形叉排排列，其迎风面积为2m×2m

, 流过管束的空气流量为 kg

/h，该翅片管束的几何结构为：

　　CPG（φ38×3.5 / 70 /

6 / 1 ）------（关于这一表示的含义请看第二讲）

　　管间距：92 ，

纵向（流动方向）的管排数为10排。空气的进口温度为20℃，而出口温度为100℃。

　　试计算空气流过该管束时的对流换热系数和压力降。

　　3-1 查取在平均温度下的流体物性：

　　平均温度=（20+100）/ 2

= 60℃

，在此温度下空气的物性值为：

　　密度 ： ρ= 1.06 kg / m3 黏度 ：μ=

20.1 ×10-6 kg / (m.s)

　　导热系数：λ= 0.029

W/(m.℃) 普朗特数：Pr= 0.696

　　3-2 计算流速：

　　迎风面上的空气质量流速：Gf = /3600 / (2×2) = 2.22 kg /m2

s

　　*窄截面积/ 迎风面积

　　（Pt×1000）－(2×db/2)×1000 － (1000/

6) ×T×H×2

　　=

---------------------------------------------------------------------------

=

　　Pt×1000

　　= (92×1000－38×1000－166.6×1×16×2 ) /

(92×1000) =

0.529

　　*窄截面上的质量流速：

　　Gmax=Gf / 0.529 =

2.22 / 0.529 = 4.2 kg / m2.s

　　3-3 计算换热系数

　　h = 0.1378 （0.029 / 0.038 ）（0.038×4.2

/（20.1×10-6））0.718

×0.6960.333×

　　（5/ 16）0.296 = 34.3 W / (m2℃)

　　经计算并参阅第二讲，该翅片管的翅化比为 8.72

，翅片效率为 0.78 ,

这样，以基管外表面为基准的换热系数为：

　　h = 34.3×8.72×0.78 = 233 W

/(m2.℃)

　　3-4 计算压力降

　　首先计算摩擦系数，f = 37.86 [(0.038×4.2) /

(20.1×10 -6 )] -0.316 (92

/ 38) -0.927

　　=0.9946

　　流过10排管束的压力降，△P = f ×( 10 ×4.2 2 ) /

(2×1.06) = 82.76 Pa

　　对于每一排管的压力降 = 82.76 / 10 = 8.276 Pa