低温工况下翅片管换热器的设计计算方法

陈叔平来进琳陈光奇李喜全谢振刚（兰州理工大学石油化工学院，兰州物理研究所）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。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。国I空温式題片浮换热器结构示意图FISkelcliofairwnunIjuihl!-bjbeIlealchanger2传热量的计算由热力学相关知识可知，换热器管内工作介质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°C,工作压力为16.5MPa。所以，液氩在翅片管内吸热经液F.牡2 >tiuctLin-ul'I'iiucdIliIji-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二m（hou-hin）=（Ql+Qg）n（l）式中:Q为翅片管在单位时间内的传热量，kJ/s;Ql为单排翅片管液相区单位时间内的传热量,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。3换热器传热系数的确定空温式翅片管换热器管内走低温液体，液体吸热产生相变。同时翅片管表面温度低于周围环境空气的露点温度，翅片管表面结霜，不同相区霜层厚度不同，导热热阻也不同。换热器从开启到正常运行传热与热阻要经历非稳态和稳态两个阶段:在非稳态阶段霜开始形成时表面粗糙度增大，引起传热面积增大，同时气体流速也增大，从而导致在结霜初期传热系数增大[5];稳态工作时换热器表面的霜层厚度要比非稳态时的大，而且随着霜层厚度的增大翅片间的空气流道不断减小，增大了空气流通阻力进而增大传热热阻。因此，换热器工作时相同的产气量在稳态传热时需要的传热面积要大，作为计算的上限值，而非稳态不考虑结霜的传热面积作为计算的下限值。低温工质的传热过程十分复杂,本文对计算过程进行了适当的简化：（1）沿管程分为两段:单相液体对流换热区、单相气体对流换热区；（2）各相区采用均相模型；（3）传热管壁仅考虑径向导热。总侵热系数［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)，单位［/m°式中:毎为污垢热m.m2-k网；帚为翅片管壁厅亠：A,ASJ1!管辱热系数.\\/(in-K):爲为命层厅度.in:h为希的屮热系数•\\/(in-K);h翅J'i却度,in:佩対翅片詁热系数.in:&先不锈钢内村厚度,m:扎対不锈钢的导热系数/(in-K):1山别片的总奴率；弘対空气侧对流换热系数，図/(in"*K):4沟管内流体对流换热系数/(in2-K):b人函片宽度.in:A3J'i高度,in:助肋化系数。沏铝和不锈钢的导热系数远k「管外空*(门然对流换热系数•伙L比.在实師设计过程屮将(2)式屮的召小利X扎项略基绘后得：r 1代二 一“1°1幻+云+工+崗3.1空气侧对流换热系数a0的确定由于结霜后翅片表面粗糙度增加,一般的，空气与霜层之间的换热系数a0=(1.2~1.3)aw,aw为换热器未结霜时的外表面换热系数［7］,W/(m2・K)。空温式翅片管换热器都采用星型翅片管，对于星型翅片管可按空气对平壁的自然对流换热准则方程式来求解aw。层流:(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)其屮格拉晓夫数Grll：F式确疋V式中:Ra対瑞利数;Pr为普期特数:Nu対努谢尔特数：B対体胀系数■冷K:g炽E力抓速度.in/s;2为翅片管长度，呵庄为周国流体和管壁之间的温度差，K：入対空气的导热系数用/(in*K).宙式(7)求得翅片管未结粘时外我面对流换热系数0,二Z十 (7)32霜层导热系数扎的计算研究表明霜层导热系数匸墓取决「-密度j丨也取决]'■命层I1-J微观结构■它是和层结构律!层内温度梯度巧I起水蒸'E扩散及凝华潜热释锁利祐表面粗糙度引起涡流效应相互作用的结果•目前，应川垠广泛的是:Yonkofll岭ep呼提出的导热系数关联式⑻扎二002422+7214x]()-4p.+11797x106⑻式屮:0腐希的密度.k訥讥粗的密度p.]■：耍打霜层表面温度点和凤速皿仃关凹、霜密度公式:P..=34017},1°455十25u； (9)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、减少管排数来减少结霜。3.3管内流体对流换热系数al的计算由流体的物性参数求得雷诺数 ：-'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（1。）淌流时：山相关表屮贪得粗糙度.hi.Il：A「1)或简化A(12)、(门川算湍流摩擦系数,对于已有的实际设备，可以用实验的方法测出流体进岀I丨的压力降，根据压力降和磨擦系数Z问的黄系式门4)求出潇流摩擦系数。对流换热系数的关联式如式(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心万WStx卩产二£ (15)S\o"CurrentDocument"m二Si*p・比.q (lb)式中皿対址性尺寸取管m：P为密Srk£/m\「.为体积流速.n?k口为动丿j黏＜pa-a曙为比址压热容.kJ/(kg-K):%为流体的截面丫均流度.M沏斯坦顿数：Pl•沟普闌特数,4传热面积的计算Q二心何+—见"=[(h.,- +ffi,M-K (17：)式屮:危心分别表「」:液和区种御区的换热系数严/(in1-K):1,L分别表示液和区利气和区的换热面积.in2：丘対液氫在临界点处的您kJ/膿由式(17)可以求得总的传热面积。由于采用分区计算，AT分别取进出口温度与临界温度的差值。5结语(1)对于气化压力高于介质临界压力的翅片管换热器,可分为2个传热区进行计算，即单相液体对流换热区和单相气体对流换热区。这样不