低溫工況下翅片管換熱器的設計計算方法

1、低溫工況下翅片管換熱器的設計計算方法 陳叔平 來進琳 陳光奇 李喜全 謝振剛(蘭州理工大學石油化工學院,蘭州物理研究所)摘要:采用分段模型將氣化壓力高于介質臨界壓力的翅片管換熱器內低溫介質的氣化過程分為液相、氣相兩 個傳熱區(qū)。同時考慮氣化過程中翅片管表面結霜情況,對低溫介質在翅片管換熱器內的吸熱氣化過程進行傳熱分 析,給出了適合各分區(qū)傳熱特性的計算關聯式,為工程設計提供參考。1 引言空溫式翅片管換熱器是通過吸收外界環(huán)境中 的熱量并傳遞給低溫介質使其氣化的設備。其結 構如圖1所示,翅片結構如圖2所示。由于其具 備結構簡單、運行成本低廉等優(yōu)點廣泛應用于低 溫液體氣化器、低溫貯運設備自增壓器等1-3

2、。 實際應用中,低溫工況下翅片管換熱器普遍存在 結霜現象,考慮地區(qū)、溫度和季節(jié)變化在內,各種 換熱器的結霜面積大約占總面積的60%85%。 結霜,一方面霜層在翅片管表面的沉積增加了冷 壁面與空氣間的導熱熱阻,惡化了傳熱效果;同 時,霜層的增長產生的阻塞作用大大增加了空氣 流過換熱器的阻力,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 管換熱器都是依據現有的相關經驗來進行設計制 造的,并且忽略了翅片管在結霜工況下對傳熱性 能的影響,實際應用偏差較大,有些氣化量不足, 影響生產;有些過大,造成不必要的浪費。因此如 何合理設計空溫式翅片管換熱器,方便工程應用是當前急需解決的問

3、題。國內文獻對此進行過不 少的理論分析與實驗研究,目前仍未得出一個比 較實用的、相對精確的關聯式。本文的目的就是 探討這些問題,為空溫式翅片管換熱器的設計計 算提供參考依據。2 傳熱量的計算由熱力學相關知識可知,換熱器管內工作介質的壓力在臨界壓力以上,溫度低于臨界溫度時為液 體,高于臨界溫度時為氣體;在臨界壓力和臨界溫 度以下時,有一相變的氣-液兩相區(qū),溫度高于壓 力對應的飽和溫度時為氣體,低于飽和溫度時為過 冷液體。如果壓力高于臨界壓力,它的換熱特點是 分為預熱段(臨界溫度以下)和蒸氣段(臨界溫度 以上)兩個區(qū)段,沒有兩相共存的氣化階段。因此, 介質的壓力和溫度決定換熱器的設計方案,不同 的

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

5、kj/kg;n為翅片管管排數。3 換熱器傳熱系數的確定空溫式翅片管換熱器管內走低溫液體,液體 吸熱產生相變。同時翅片管表面溫度低于周圍環(huán)境空氣的露點溫度,翅片管表面結霜,不同相區(qū)霜 層厚度不同,導熱熱阻也不同。換熱器從開啟到正常運行傳熱與熱阻要經歷非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個階段:在非穩(wěn)態(tài)階段霜開始形成時表面粗糙度增大,引起傳熱面積增大,同時氣體流速也增大,從而導 致在結霜初期傳熱系數增大5;穩(wěn)態(tài)工作時換熱器表面的霜層厚度要比非穩(wěn)態(tài)時的大,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而增大傳熱熱阻。因此,換 熱器工作時相同的產氣量在穩(wěn)態(tài)傳熱時需要的傳 熱面積要大,作為計算的上限

6、值,而非穩(wěn)態(tài)不考慮結霜的傳熱面積作為計算的下限值。低溫工質的傳熱過程十分復雜,本文對計算過 程進行了適當的簡化:(1)沿管程分為兩段:單相液 體對流換熱區(qū)、單相氣體對流換熱區(qū);(2)各相區(qū)采 用均相模型;(3)傳熱管壁僅考慮徑向導熱。3.1 空氣側對流換熱系數0的確定由于結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0=(1.21.3)w,w 為換熱器未結霜時的外表面換熱系數7,w/(m2 k)?？諟厥匠崞軗Q熱器都采用星型翅片管, 對于星型翅片管可按空氣對平壁的自然對流換熱 準則方程式來求解w。空溫式翅片管換熱器在工作過程中都會結霜,前幾排管子的結霜一般較嚴重,而后幾排管子的結

7、霜相對較輕。在相同的換熱面積的情況下,翅片管間距越大、管排數越少,表面結霜速度就越慢,但是管排數減少會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構的合理性,在對換熱器的體積要求不是很嚴格的情 況下,可以適當增大翅片管間距、減少管排數來減 少結霜。3.3 管內流體對流換熱系數l的計算由流體的物性參數求得雷諾數判斷流體是層流還是湍流,然后根據流態(tài)計算流動 摩擦系數。因為,管內流體采用分區(qū)計算的方法, 所以計算參數也應按相應流態(tài)選取。摩擦系數f 決定于壁表面的粗糙度ks和re。層流時:認為粗糙度對于換熱的影響可忽略, 摩擦系數僅與雷諾數有關,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)計算,t分別取進出口溫度與臨界溫度的 差值。5 結語(1)對于氣化壓力高于介質臨界壓力的翅片 管換熱器,可分為2個傳熱區(qū)進行計算,即單相液 體對流換熱區(qū)和單相氣體對流換熱區(qū)。這樣不僅 使模型更接近實際情況,使設計更加合理準確,也 便于工程計算。(2)對于氣化壓力低于介質的臨界壓力的翅 片管換熱器也可以采用分區(qū)計算的方法,將其分 為單相液體對流換熱區(qū)、氣液兩相對流換熱區(qū)和 單相氣體對流換熱區(qū)3個傳熱區(qū)進行計算。(3)低溫工