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］。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)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)。國(guó)I空溫式題片浮換熱器結(jié)構(gòu)示意圖FISkelcliofairwnunIjuihl!-bjbeIlealchanger2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°C,工作壓力為16.5MPa。所以，液氬在翅片管內(nèi)吸熱經(jīng)液F.牡2 >tiuctLin-ul'I'iiucdIliIji-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二m（hou-hin）=（Ql+Qg）n（l）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,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)??？偳譄嵯禂?shù)［6］札二—1—a—―& r札二—1—a—―& r"f十—十U十=7十=7十―(Tna.A,見Xa.pHNiiift(2)，單位［/m°式中:毎為污垢熱m.m2-k網(wǎng)；帚為翅片管壁廳亠：A,ASJ1!管辱熱系數(shù).\\/(in-K):爲(wèi)為命層廳度.in:h為希的屮熱系數(shù)?\\/(in-K);h翅J'i卻度,in:佩対翅片詁熱系數(shù).in:&先不銹鋼內(nèi)村厚度,m:扎対不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)/(in-K):1山別片的總奴率；弘対空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，図/(in"*K):4溝管內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù)/(in2-K):b人函片寬度.in:A3J'i高度,in:助肋化系數(shù)。沏鋁和不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)k「管外空*(門然對(duì)流換熱系數(shù)?伙L(fēng)比.在實(shí)師設(shè)計(jì)過(guò)程屮將(2)式屮的召小利X扎項(xiàng)略基繪后得：r 1代二 一“1°1幻+云+工+崗3.1空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)a0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)a0=(1.2~1.3)aw,aw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aw。層流:(Ha~(ri*Pr=2xlu~JJx](i)\u=054((；i*Pi)l/*(4)紊流:ZUPr= IO<J~Sx]()")\u=054((；i*Pi)1/3(5)其屮格拉曉夫數(shù)Grll：F式確疋V式中:Ra対瑞利數(shù);Pr為普期特?cái)?shù):Nu対努謝爾特?cái)?shù)：B対體脹系數(shù)■冷K:g熾E力抓速度.in/s;2為翅片管長(zhǎng)度，呵莊為周國(guó)流體和管壁之間的溫度差，K：入対空氣的導(dǎo)熱系數(shù)用/(in*K).宙式(7)求得翅片管未結(jié)粘時(shí)外我面對(duì)流換熱系數(shù)0,二Z十 (7)32霜層導(dǎo)熱系數(shù)扎的計(jì)算研究表明霜層導(dǎo)熱系數(shù)匸墓取決「-密度j丨也取決]'■命層I1-J微觀結(jié)構(gòu)■它是和層結(jié)構(gòu)律!層內(nèi)溫度梯度巧I起水蒸'E擴(kuò)散及凝華潛熱釋鎖利祐表面粗糙度引起渦流效應(yīng)相互作用的結(jié)果?目前，應(yīng)川垠廣泛的是:Yonkofll嶺ep呼提出的導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式⑻扎二002422+7214x]()-4p.+11797x106⑻式屮:0腐希的密度.k訥譏粗的密度p.]■：耍打霜層表面溫度點(diǎn)和鳳速皿仃關(guān)凹、霜密度公式:P..=34017},1°455十25u； (9)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)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)al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)椋軆?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（1。）淌流時(shí)：山相關(guān)表屮貪得粗糙度.hi.Il：A「1)或簡(jiǎn)化A(12)、(門川算湍流摩擦系數(shù),對(duì)于已有的實(shí)際設(shè)備，可以用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出流體進(jìn)岀I丨的壓力降，根據(jù)壓力降和磨擦系數(shù)Z問(wèn)的黃系式門4)求出瀟流摩擦系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式如式(⑹所小STOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"W{）<Ri< /=0 aRi>5{m f二（1侶斗Re_Cl2.I心萬(wàn)WStx卩產(chǎn)二￡ (15)S\o"CurrentDocument"m二Si*p?比.q (lb)式中皿対址性尺寸取管m：P為密Srk￡/m\「.為體積流速.n?k口為動(dòng)丿j黏＜pa-a曙為比址壓熱容.kJ/(kg-K):%為流體的截面丫均流度.M沏斯坦頓數(shù)：Pl?溝普闌特?cái)?shù),4傳熱面積的計(jì)算Q二心何+—見"=[(h.,- +ffi,M-K (17：)式屮:危心分別表「」:液和區(qū)種御區(qū)的換熱系數(shù)嚴(yán)/(in1-K):1,L分別表示液和區(qū)利氣和區(qū)的換熱面積.in2：丘対液氫在臨界點(diǎn)處的您kJ/膿由式(17)可以求得總的傳熱面積。由于采用分區(qū)計(jì)算，AT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