低温工况下翅片管换热器的设计计算

   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。

   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 ℃ ,  工作压力为 16.5MPa 。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。

        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：

   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非稳态两个阶段 :

非稳态阶段。 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；

稳态阶段。 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。

总传热系数 .

   因为铝和不锈钢的导热系数远大于管外空气自然对流换热系数 , 因此 , 在实际设计过程中将 (2) 式中的δ ₁  / λ ₁ 和δ ₄  / λ ₄ 项略去 , 最后得 :

1、 空气侧对流换热系数α ₀  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α ₀  = (1. 2 ～ 1. 3) α ^w  , α _w 为换热器未结霜时的外表面换热系数 ,W / (m ² · 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α _w 。

2、霜层导热系数λ2 的计算 

   研究表明霜层导热系数主要取决于密度 , 但也取决于霜层的微观结构 , 它是霜层结构、霜层内温度梯度引起水蒸气扩散及凝华潜热释放和霜表面粗糙度引起涡流效应相互作用的结果。目前 , 应用最广泛的是下面这个导热系数关联式。

   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。

  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、管内流体对流换热系数α1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

 

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。

  由式 ( 17) 可以求得总的传热面积。由于采用分区计算 , Δ T 分别取进出口温度与临界温度的差值。

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。这样不仅使模型更接近实际情况 , 使设计更加合理准确 , 也便于工程计算。

2、对于气化压力低于介质的临界压力的翅片管换热器也可以采用分区计算的方法 , 将其分为单相液体对流换热区、气液两相对流换热区和单相气体对流换热区 3 个传热区进行计算。

3、 低温工况下翅片管换热器表面容易发生结霜现象 , 为了提高翅片管换热器的换热效率 , 可以对换热器定期除霜 , 或采用多组换热器切换使用的方法来减少结霜对翅片管换热器正常运行的影响。