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。

2 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℃,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:

Q=m(hou-hin)=(Ql+Qg)n(1)

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。

3.1 空气侧对流换热系数α0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α0=(1.2~1.3)αw,αw 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αw。

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αl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

由式(17)可以求得总的传热面积。由于采 用分区计算,ΔT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。