低温工况下翅片管换热器的设计计算

f = 64
(10)
Re
湍流时 : 由相关表中查得粗糙度后 , 由式
(11)或简化式 ( 12) 、( 13)计算湍流摩擦系数 ,对
于已有的实际设备 ,可以用实验的方法测出流体
进出口的压力降 ,根据压力降和磨擦系数之间的
关系式 ( 14)求出湍流摩擦系数 。对流换热系数
的关联式如式 (16)所示 。
δ 3
为翅片厚度
,
m;λ3
为翅片导热系数
,
m;δ4
为不
锈钢内衬厚度
,
m
;
λ 4
为不锈钢的导热系数
,
W
/
(m ·K) ;η为翅片的总效率 ;α0 为空气侧对流换
热系数 ,W / (m2 ·K) ;αl 为管内流体对流换热系
数 ,W / (m2 · K) ; b 为翅片宽度 , m; h 为翅片高
度 , m;β为肋化系数 。
D esign ca lcula tion of f inned - tube hea t exchanger under low tem pera ture cond ition s
Chen Shup ing1 , Lai J inlin1 , Chen Guangqi2 , L i Xiquan1 , Xie Zhengang1 (1. Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China) Abstract: The gasification p rocess of a cryogenic medium in a finned - tube exchanger which gasification p ressure is higher than the critical p ressure of the cryogenic medium is divided into two sections by adop ting divisional model, i. e. liquid - phase and gas - phase. The heat transfer analysis about gasification p rocess of the cryogenic liquid in a finned - tube heat exchanger is made under frosting condition. The correlative formulas suitable to heat transfer characteristics of each heat transfer section are summarized. It p rovides a reference for the design of finned - tube exchangers. Keywords: Finned - tube heat exchanger, D ivision calculation, Frosting, Heat transfer
低温与超导 第 36卷 第 4期
低温技术 C ryogenics
Cryo. & Supercond. Vol. 36 No. 4
低温工况下翅片管换热器的设计计算
陈叔平 1 , 来进琳 1 ,陈光奇 2 ,李喜全 1 , 谢振刚 1
(1. 兰州理工大学石油化工学院 , 兰州 730050; 2. 兰州物理研究所 ,兰州 730000)
空温式翅 片 管 换 热 器 在 工 作 过 程 中 都 会 结
霜 ,前几排管子的结霜一般较严重 ,而后几排管子 的结霜相对较轻 。在相同的换热面积的情况下 ,
翅片管间距越大 、管排数越少 ,表面结霜速度就越 慢 ,但是管排数减少会影响换热器的紧凑性 [ 10 ] 。 因此 ,空温式翅片管换热器要充分考虑其结构的 合理性 ,在对换热器的体积要求不是很严格的情 况下 ,可以适当增大翅片管间距 、减少管排数来减
摘要 :采用分段模型将气化压力高于介质临界压力的翅片管换热器内低温介质的气化过程分为液相 、气相两 个传热区 。同时考虑气化过程中翅片管表面结霜情况 ,对低温介质在翅片管换热器内的吸热气化过程进行传热分 析 ,给出了适合各分区传热特性的计算关联式 ,为工程设计提供参考 。
关键词 :翅片管换热器 (m h) , m =
mh
2α0 λδ
33
(1
δ +3
b
)≈
2α0 λδ
,单位
1 /m
。
33
式中 : Rf 为污垢热阻 , m2 ·K /W ;δ1 为翅片管
壁厚
, m;λ1
为翅片管导热系数
,
W
/
(m
·K)
;
δ 2
为霜层厚度 , m;λ2 为霜的导热系数 ,W / (m ·K) ;
少结霜 。
3.
3
管内流体对流换热系数
α l
的计算
由流体的物性参数求得雷诺数 Re = Dμρv,判
断流体是层流还是湍流 ,然后根据流态计算流动
摩擦系数 。因为 ,管内流体采用分区计算的方法 ,
所以计算参数也应按相应流态选取 。摩擦系数 f 决定于壁表面的粗糙度 Ks和 Re。
层流时 :认为粗糙度对于换热的影响可忽略 , 摩擦系数仅与雷诺数有关 ,由下式确定
是当前急需解决的问题 。国内文献对此进行过不 少的理论分析与实验研究 ,目前仍未得出一个比 较实用的 、相对精确的关联式 。本文的目的就是 探讨这些问题 ,为空温式翅片管换热器的设计计 算提供参考依据 。
图 1 空温式翅片管换热器结构示意图 Fig. 1 Sketch of air warmed finned - tube heat exchanger
·13·
的压力在临界压力以上 ,温度低于临界温度时为液 体 ,高于临界温度时为气体 ;在临界压力和临界温 度以下时 ,有一相变的气 - 液两相区 ,温度高于压 力对应的饱和温度时为气体 ,低于饱和温度时为过 冷液体。如果压力高于临界压力 ,它的换热特点是 分为预热段 (临界温度以下 )和蒸气段 (临界温度 以上 )两个区段 ,没有两相共存的气化阶段。因此 , 介质的压力和温度决定换热器的设计方案 ,不同 的流态传热特性有很大差别 ,需分别考虑 、计算 。 本文选定的空温式翅片管换热器为高压液氩汽化 器 ,液氩 进 口 温 度 为 - 186℃, 工 作 压 力 为 16. 5M Pa。所以 ,液氩在翅片管内吸热经液相 、气相 两种相变过程 ,不考虑气液两相区气化阶段 。
λ 2
= 0.
02422
+ 7.
214
×10
-
4ρ fr
+ 1.
1797
×
10
-
6ρ2 fr
(8)
式中 :ρfr为霜的密度 , kg /m3 。霜的密度 ρfr主
要与霜层表面温度 Tfr和风速 uf 有关 [ 9 ] 。
霜密度公式 :ρfr = 340 | Tfr |0. 455 + 25uf
(9)
层流 : ( R a = Gr·Pr = 2 ×104 ～8 ×109 )
N u = 0. 54 ( G r·Pr) 1 /4
(4)
紊流 : ( R a = Gr·Pr = 8 ×109 ～8 ×1011 )
N u = 0. 54 ( G r·Pr) 1 /3
(5)
其中格拉晓夫数 Gr由下式确定
图 2 翅片管结构图 Fig. 2 Structure of finned tube
按热力学第一定律 ,翅片管换热器气化过程 中吸收的总热量
Q = m ( hou - hin ) = (Q l + Qg ) n
(1)
式中 : Q 为翅片管在单位时间内的传热量 ,
kJ / s; Q l 为单排翅片管液相区单位时间内的传热
G r =βgΔv2T l3
(6)
式中 : R a为瑞利数 ; Pr为普朗特数 ; N u为努谢
尔特数 ;β为体胀系数 , 1 / K; g 为重力加速度 , m /
s2 ; l为翅片管长度 , m;ΔT为周围流体和管壁之间
的温度差 , K;λ为空气的导热系数 ,W / (m·K) 。
由式 (7)求得翅片管未结霜时外表面对流换
1 引言
空温式翅片管换热器是通过吸收外界环境中 的热量并传递给低温介质使其气化的设备 。其结 构如图 1所示 ,翅片结构如图 2 所示 。由于其具 备结构简单 、运行成本低廉等优点广泛应用于低 温液体气化器 、低温贮运设备自增压器等 [ 1 - 3 ] 。 实际应用中 ,低温工况下翅片管换热器普遍存在 结霜现象 ,考虑地区 、温度和季节变化在内 ,各种 换热器的结霜面积大约占总面积的 60% ～85%。 结霜 ,一方面霜层在翅片管表面的沉积增加了冷 壁面与空气间的导热热阻 ,恶化了传热效果 ;同 时 ,霜层的增长产生的阻塞作用大大增加了空气 流过换热器的阻力 ,造成气流流量的下降 ,使换热 器的换热量大大地减少 [ 4 ] 。以往的空温式翅片 管换热器都是依据现有的相关经验来进行设计制 造的 ,并且忽略了翅片管在结霜工况下对传热性 能的影响 ,实际应用偏差较大 ,有些气化量不足 , 影响生产 ;有些过大 ,造成不必要的浪费 。因此如 何合理设计空温式翅片管换热器 ,方便工程应用
量 , kJ / s; Qg 为单排翅片管气相区单位时间内的
传热量 , kJ / s; m 为单位时间内气化的液体质量 ,
kg / s; hin为换热器进口低温液体的焓 , kJ / kg; hou为
换热器出口气体的焓 , kJ / kg; n为翅片管管排数 。