低溫工況下翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

1、低溫工況下翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法 陳叔平 來(lái)進(jìn)琳 陳光奇 李喜全 謝振剛(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,蘭州物理研究所)摘要:采用分段模型將氣化壓力高于介質(zhì)臨界壓力的翅片管換熱器內(nèi)低溫介質(zhì)的氣化過(guò)程分為液相、氣相兩 個(gè)傳熱區(qū)。同時(shí)考慮氣化過(guò)程中翅片管表面結(jié)霜情況,對(duì)低溫介質(zhì)在翅片管換熱器內(nèi)的吸熱氣化過(guò)程進(jìn)行傳熱分 析,給出了適合各分區(qū)傳熱特性的計(jì)算關(guān)聯(lián)式,為工程設(shè)計(jì)提供參考。1 引言空溫式翅片管換熱器是通過(guò)吸收外界環(huán)境中 的熱量并傳遞給低溫介質(zhì)使其氣化的設(shè)備。其結(jié) 構(gòu)如圖1所示,翅片結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于其具 備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于低 溫液體氣化器、低溫貯運(yùn)設(shè)備自增壓器等1-3

2、。 實(shí)際應(yīng)用中,低溫工況下翅片管換熱器普遍存在 結(jié)霜現(xiàn)象,考慮地區(qū)、溫度和季節(jié)變化在內(nèi),各種 換熱器的結(jié)霜面積大約占總面積的60%85%。 結(jié)霜,一方面霜層在翅片管表面的沉積增加了冷 壁面與空氣間的導(dǎo)熱熱阻,惡化了傳熱效果;同 時(shí),霜層的增長(zhǎng)產(chǎn)生的阻塞作用大大增加了空氣 流過(guò)換熱器的阻力,造成氣流流量的下降,使換熱 器的換熱量大大地減少4。以往的空溫式翅片 管換熱器都是依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)制 造的,并且忽略了翅片管在結(jié)霜工況下對(duì)傳熱性 能的影響,實(shí)際應(yīng)用偏差較大,有些氣化量不足, 影響生產(chǎn);有些過(guò)大,造成不必要的浪費(fèi)。因此如 何合理設(shè)計(jì)空溫式翅片管換熱器,方便工程應(yīng)用是當(dāng)前急需解決的問(wèn)

3、題。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行過(guò)不 少的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究,目前仍未得出一個(gè)比 較實(shí)用的、相對(duì)精確的關(guān)聯(lián)式。本文的目的就是 探討這些問(wèn)題,為空溫式翅片管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì) 算提供參考依據(jù)。2 傳熱量的計(jì)算由熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知,換熱器管內(nèi)工作介質(zhì)的壓力在臨界壓力以上,溫度低于臨界溫度時(shí)為液 體,高于臨界溫度時(shí)為氣體;在臨界壓力和臨界溫 度以下時(shí),有一相變的氣-液兩相區(qū),溫度高于壓 力對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)為氣體,低于飽和溫度時(shí)為過(guò) 冷液體。如果壓力高于臨界壓力,它的換熱特點(diǎn)是 分為預(yù)熱段(臨界溫度以下)和蒸氣段(臨界溫度 以上)兩個(gè)區(qū)段,沒有兩相共存的氣化階段。因此, 介質(zhì)的壓力和溫度決定換熱器的設(shè)計(jì)方案,不同 的

4、流態(tài)傳熱特性有很大差別,需分別考慮、計(jì)算。 本文選定的空溫式翅片管換熱器為高壓液氬汽化 器,液氬進(jìn)口溫度為-186,工作壓力為16. 5mpa。所以,液氬在翅片管內(nèi)吸熱經(jīng)液相、氣相 兩種相變過(guò)程,不考慮氣液兩相區(qū)氣化階段。按熱力學(xué)第一定律,翅片管換熱器氣化過(guò)程 中吸收的總熱量:q=m(hou-hin)=(ql+qg)n(1)式中:q為翅片管在單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量, kj/s;ql為單排翅片管液相區(qū)單位時(shí)間內(nèi)的傳熱 量,kj/s;qg為單排翅片管氣相區(qū)單位時(shí)間內(nèi)的 傳熱量,kj/s;m為單位時(shí)間內(nèi)氣化的液體質(zhì)量, kg/s;hin為換熱器進(jìn)口低溫液體的焓,kj/kg;hou為 換熱器出口氣體的焓,

5、kj/kg;n為翅片管管排數(shù)。3 換熱器傳熱系數(shù)的確定空溫式翅片管換熱器管內(nèi)走低溫液體,液體 吸熱產(chǎn)生相變。同時(shí)翅片管表面溫度低于周圍環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度,翅片管表面結(jié)霜,不同相區(qū)霜 層厚度不同,導(dǎo)熱熱阻也不同。換熱器從開啟到正常運(yùn)行傳熱與熱阻要經(jīng)歷非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個(gè)階段:在非穩(wěn)態(tài)階段霜開始形成時(shí)表面粗糙度增大,引起傳熱面積增大,同時(shí)氣體流速也增大,從而導(dǎo) 致在結(jié)霜初期傳熱系數(shù)增大5;穩(wěn)態(tài)工作時(shí)換熱器表面的霜層厚度要比非穩(wěn)態(tài)時(shí)的大,而且隨著 霜層厚度的增大翅片間的空氣流道不斷減小,增 大了空氣流通阻力進(jìn)而增大傳熱熱阻。因此,換 熱器工作時(shí)相同的產(chǎn)氣量在穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)需要的傳 熱面積要大,作為計(jì)算的上限

6、值,而非穩(wěn)態(tài)不考慮結(jié)霜的傳熱面積作為計(jì)算的下限值。低溫工質(zhì)的傳熱過(guò)程十分復(fù)雜,本文對(duì)計(jì)算過(guò) 程進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化:(1)沿管程分為兩段:單相液 體對(duì)流換熱區(qū)、單相氣體對(duì)流換熱區(qū);(2)各相區(qū)采 用均相模型;(3)傳熱管壁僅考慮徑向?qū)帷?.1 空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)0的確定由于結(jié)霜后翅片表面粗糙度增加,一般的,空 氣與霜層之間的換熱系數(shù)0=(1.21.3)w,w 為換熱器未結(jié)霜時(shí)的外表面換熱系數(shù)7,w/(m2 k)?？諟厥匠崞軗Q熱器都采用星型翅片管, 對(duì)于星型翅片管可按空氣對(duì)平壁的自然對(duì)流換熱 準(zhǔn)則方程式來(lái)求解w。空溫式翅片管換熱器在工作過(guò)程中都會(huì)結(jié)霜,前幾排管子的結(jié)霜一般較嚴(yán)重,而后幾排管子的結(jié)

7、霜相對(duì)較輕。在相同的換熱面積的情況下,翅片管間距越大、管排數(shù)越少,表面結(jié)霜速度就越慢,但是管排數(shù)減少會(huì)影響換熱器的緊湊性10。 因此,空溫式翅片管換熱器要充分考慮其結(jié)構(gòu)的合理性,在對(duì)換熱器的體積要求不是很嚴(yán)格的情 況下,可以適當(dāng)增大翅片管間距、減少管排數(shù)來(lái)減 少結(jié)霜。3.3 管內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù)l的計(jì)算由流體的物性參數(shù)求得雷諾數(shù)判斷流體是層流還是湍流,然后根據(jù)流態(tài)計(jì)算流動(dòng) 摩擦系數(shù)。因?yàn)?管內(nèi)流體采用分區(qū)計(jì)算的方法, 所以計(jì)算參數(shù)也應(yīng)按相應(yīng)流態(tài)選取。摩擦系數(shù)f 決定于壁表面的粗糙度ks和re。層流時(shí):認(rèn)為粗糙度對(duì)于換熱的影響可忽略, 摩擦系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān),由下式確定由式(17)可以求得總的傳熱面積。由于采 用分區(qū)計(jì)算,t分別取進(jìn)出口溫度與臨界溫度的 差值。5 結(jié)語(yǔ)(1)對(duì)于氣化壓力高于介質(zhì)臨界壓力的翅片 管換熱器,可分為2個(gè)傳熱區(qū)進(jìn)行計(jì)算,即單相液 體對(duì)流換熱區(qū)和單相氣體對(duì)流換熱區(qū)。這樣不僅 使模型更接近實(shí)際情況,使設(shè)計(jì)更加合理準(zhǔn)確,也 便于工程計(jì)算。(2)對(duì)于氣化壓力低于介質(zhì)的臨界壓力的翅 片管換熱器也可以采用分區(qū)計(jì)算的方法,將其分 為單相液體對(duì)流換熱區(qū)、氣液兩相對(duì)流換熱區(qū)和 單相氣體對(duì)流換熱區(qū)3個(gè)傳熱區(qū)進(jìn)行計(jì)算。(3)低溫工