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空冷器的设计doc
第四章空冷器的设计
4.1空冷器的设计条件
4.1-1设计条件
1.空气设计温度
设计气温系指设计空冷器时所采用的空气入口温度。
采用干式空冷器时,设计气温应按当地夏季平均每年不保证五天的日平均气温[1][2][3]。
采用湿式空冷器时,将干式空冷器的设计气温作为干球温度,然后按相对湿度查出湿球温度,该温度即为湿式空冷器的设计气温。
我国各主要城市的气温列于附表4-1。
从该表可见我国绝大多数地区夏季平均每年不保证五天的日平均气温低于35℃。
当接近温度大于15-20℃时,采用干式空冷器比较合理。
在干燥炎热的地区,为了降低空气入口温度可以采用湿式空冷器。
2.介质条件
(1)适宜空冷器的介质条件
适于采用空冷器的介质有石油化工过程中的气体,液体,水和水蒸汽等。
3.热流的操作条件
(1)流量。
根据工艺要求而定。
(2)操作压力。
根据国家标准“空冷式换热器”的规定,最高的设计压
为35Mpa,这个压力可以满足石油化行业空冷器的操作要求。
(3)入口温度
热流的入口温度越高其对数平均温差越大,因而所需要的传热面积就越小,这是比较经济的。
但是,考虑能量回收的可能性,入口温度不宜高,一般控制在120~130℃以下,超过该温度的那部分热量应尽量采用换热方式回收。
在个别情况下,如回收热量有困难或经济上不合算时,可适当介质入口温度。
就空冷器本身而言,考虑到介质温度升高会导致热阻的增加,传热效率下降,绕片式翅片管的工作温度可用到165℃而锒片式翅片管可用到200℃
如果热流入口温度较低(低于70~80℃),可考虑用湿式空冷器。
(4)出口温度与接近温度
对于干式空冷器出口温度一般以不低于55~65℃为宜[3],若不能满足工艺要求,可增设后湿空冷,或采用干-湿联合空冷。
接近温度系指热流出口温度与设计气温之差值。
干式空冷器的最低值应不低于15℃[3],否则将导致空冷器的面积过大,这是不经济的。
上述的设计数据应填入表4.1-1的”空气冷却器规格表”内.
表41-1空冷器设计规格表
表号
空气冷却器规格表
审核
项目号
校对
位号
编制
日期
版次
用户
厂址
装置
型式及规格
单元面积
光管
m2
翅片管
m2
换热量
W
传热系数
光管W/m2K
翅片管
W/m2K
特性数据---管内侧
液体名称
进口
出口
致命毒性
有无
进入液体总量
重度kg/m3
进口
出口
比热J/kg.K
液体kg/h
泡点℃
蒸气kg/h
倾点℃
不凝汽kg/h
潜热
水蒸汽kg/h
粘度,Pa.s
水kg/h
管内结垢热阻
m2K/W
压力MPa
压降kPa
允许
计算
特性参数空气侧
空气总量m3/s
海拨高度
m
空气量/台风机m3/s
进口温度(设计干球温度)℃
静压Pa
出口温度℃
迎风面风速m/s
结构设计
设计压力
试验压力
设计温度
管束
管箱型式
管子规格
尺寸长×宽
管箱材料
管子材料:
无缝
焊制
数量
管程数
管子长度m
布置
丝堵材料
管子数量
管束串联并联
垫片材料
管心距
台数串联并联
腐蚀裕量
翅片型式
架规格长×宽
进口管数
直径mm
翅片材料
出口管数
直径mm
翅片外径
构架数量
化学清洗
片距
架中心距
特殊接管
法兰面型式
印记
有
无
百叶窗自动手动
温度表
振动切换开关有无
压力表
机械设备
风机型号
驱动机型式
减速机型式
风机台数
驱动机台数
减速机台数
风机直径
驱动机转数
转/分
传动比
风机功率
驱动机功率
功率
调节型式:
手调自调调频
转数:
转/分
支架
支座
材料:
叶片轮毂
控制发生故障时的风机角度 最大 最小锁住
百叶窗
控制发生故障时的风机速度 最大 最小锁住
出口温度控制精度
±℃
空气再再循环
内循环
外循环
蒸汽盘管
有
无
占地面积
M2
总重kg
运输重kg
图号
4.2翅片管参数的优化
翅片管是空气冷却器的传热元件,翅片管的参数对空冷器的传热效率、功率消耗和噪声等有直接的关系[4]。
因此,选择合适的翅片管参数对空冷器设计是非常重要的的.以下就翅片管参数对传热和阻力降的影响及如何选择作出评述。
1翅片管的参数
翅片管的参数主要是指它的几何参数如图1所示。
图4.2-1翅片管的几何参数
图中几何参数的意义如下:
b-翅片平均厚度,m;
b=0.5(bp+br)
bp翅片顶部厚度,m;
br翅片根部厚度,m;
d-光管外径,m;
D-翅片外径,m;
dr-翅片根部直径,m
H-翅片高度,m;
S-翅片间距,m;
ST-翅片管横向管心距,m;
SL-沿气流方向的管排之管心距,m;
一般说来,翅片管的光管直径、翅片厚度基本上是固定的。
所以在评价翅片管的性能时选择的参数主要是翅片高度,翅片间距和管心距。
这些参数对翅片管的翅化比起主导作用,同时对传热和压力降也产生很大影响。
翅片管参数的优化主要是指空冷器设计中如何合理地选择片高、片距和管心距这三个参数,使所设计的空冷器得到较高的传热效率和较低的阻力损失。
从而使空器设计处于较优的状态。
2翅片管的翅化比和有效翅化比
在空气冷却器中,管外以空气作为冷却介质与管内的热介质进行热交换。
由于空气的导热系数低引起管外侧的传热系数也较低,为了弥补管外侧的传热系数的不足,所以在管外增加翅片以达到强化传热的目的。
管外的翅片总面积与光管表面积之比称之为翅化比。
翅化比表示如下:
(4.2-1)
式中:
ε0-翅化比
Af-翅片表面积,m2;
Ar-翅片根部面积,m2;
Ao-光管外表面积,m2。
这个翅化比是几何翅化比,它没有考虑到翅片的效率。
翅片管的传热效率与翅片管的表面温度有关,翅片表面温度自根部至顶部是递降的,愈到翅顶,其传热平均温差愈低,传热效果就愈差。
翅片的传热效率为:
Ef=
从文献[5]可得:
(4.2-2)
式中:
Ef-翅片管的传热效率
H-翅片的高度,m;
ho-翅片管对空气侧的传热系数,W/(m2.K)
λm-翅片材料的导热系数,对于铝为203.5W/(m.K)
将以上数据代入上式得到高低翅片管的效率如下:
高翅片效率,Ef=1.092-0.1736UF0.359
低翅片效率,Ef=1.092-0.1298UF0.359
式中的UF为标准状态下的迎面风速,m/s..
两种翅片高度的翅片效率与迎面风速的关系如图4.2-2所示。
从图中可以看出翅片高度是影响翅片效率的主要因素,低翅片比高翅片有较高的翅片效率。
翅片的效率随迎风面风速的增加而下降,
图4.2-2高低翅片的效率
翅片效率与翅片材料、翅片厚度和高度、空气侧传热系数有关。
当翅片效率求得后便可由下式求翅片管有效翅化比:
(4.2-3)
式中:
ε-翅片管有效翅化比。
从图4.2-2可以看出,低翅片有较高的翅片效率,但由于它的翅化比低,最终的有效翅化比还是比不上高翅片,所以在设计中当管内侧的传热系数较高时还是采用高翅片为好。
如果管内的传热系数较低时则应采用低翅片管。
2、翅片管几何参数与管外侧传热系数的关系
计算管外空气侧传热系数的公式很多,在进行翅片管参数评价时可采比较通用的Briggs公式[6],该公式的标准误差为5.1%。
该式适用于各种翅片高度、片距、管心距等.将空气参数、迎面风速代入相应的准数并加以化简,便得到以光管外表面为基准的管外侧传热系数如下式所示:
(4.2-3)
式中:
h0-管外侧的传热系数W/m2.K
Pr-空气的普兰特准数;
;
λ-空气导热系数,W/m.K;
μ-空气的粘度,pa.s;
C-空气的比热,J/(kg.K);
UF-标准状态下的迎风面风速,m/s;
ρ-空气密度,kg/m3;
S-翅片净间距,m
H-翅片高度,m
dr-翅根直径,m
ε-翅片管的有效翅化比
a-系数,为迎风面积与最窄通风面积之比值。
它是与翅片管的高度、管心距和片厚有关的参数。
(4.2-4)
将空气为60℃时的物性参数代入可得管外侧的传热系数表达式:
(4.2-5)
从上式可看出,管外给热系数是翅片管根部直径、片距、片高、管心距、迎风面风速和有效翅化比等的函数,除迎风面风速外均是翅片管的几何参数,这些几何参数有的是互相关联的,为了确切地说明这些几何参数对空气膜给热系数的影响,下面就以高低两种翅片,各选两种管心距和三种不同片距,计算出不同风速下的空气膜给热系数,并将其结果绘成下图(图4.2-3)
图4.2-3翅片管的管外空气侧传热系数
从图4.2-3可看出:
(1)各种几何参数的翅片管,其管外空气侧的传热系数随迎风面风速的增加而增加
(2)翅片管空气侧的传热系数随翅片的高度的增加而增加;
(3)翅片管空气侧传热系数随翅片间距的增加而下降;
(4)翅片管空气侧传热系数随管心距的增加而下降;
为了工程上的估算方便,下面给出两种翅片管的简化计算公式:
高翅片管(翅片高H=16m):
h0=441.51UF0.718
低翅片管(翅片高H=12.5mm):
ho=395.11UF0.718
上两式的简化条件是:
空气定性温度60℃;光管外径do=25mm;翅片厚度b=0.4mm;高翅片的翅片效率Ef=0.85;低翅片管的翅片效率Ef=0.9
翅片间距S=2.31mm
2、翅片管的几何参数与管外压力降的关系
空气流经翅片管管外侧时,气流对翅片表面的摩擦、气体的收缩和膨胀引起了气流的压力损失,通常称之为管外压力降。
这种压力降主要与风速、翅片管型式、几何参数及制造质量有关。
至今为止,压力降的精确理论计算尚未见到,目前所采用的计算公式均是经验公式。
国内外在这方面都做出大量的实验,归纳出各种型式的关联式,下面是罗宾逊(Robinson)和勃列格斯(Briggs)[7]通过试验归纳的计算式:
△Ps=37.86Re-0.318
(4.2-6)
若取空气定性温度为60℃时的物性参数代入(4.2-6)式得:
△Ps=0.0678NtST-0.927a1.684UF1.684(4.2-7)
式中:
△Ps-管外侧静压降,pa
Nt-沿气流方向翅片管的排数;
ST-管束的横向管心距,m;
a-管束的迎风面积与最小通风面积之比;
UF-迎风面风速m/s
为了便于分析比较,将不同片高、片距和管心距的翅片管,改变迎风面风速按(4.2-7)式计算出相应参数下的管外静压降,并将结果绘于图4.2-4。
图4.2-4翅片管的管侧静压降
从图4.2-4可看出:
(1)管外静压降随风速的增加而增加;
(2)在相同的风速下,管外静压降随管心距的增加而下降、随翅片间距的加而减少。
空冷器中翅片管的管外静压降是决定功率消耗的重要因素。
另一方面,静压降的增加也导致了噪声的增大。
因此,从降低功率消耗和噪声来看,都需要找出一组较为合适的翅片管参数,使得它的压力降最小。
3翅片管几何参数的选择
尽管空冷器采用的冷却介质是取之不尽的空气,但要达到高效地利用空气亦不
是一件易事。
因此空冷器的优化设计就成了众所关心的课题。
为了达到空冷器的优化设计的目的,需要将空冷器的翅片管几何参数与整个空冷器费用进行关联,找出它们之间的关系,为合理选用翅片参数提供依据。
空冷器的费用包括:
一是设备费、运输费和安装费,即一次投资;二是操作费。
在一定热负荷条件下,空冷器的费用与管外侧传热系数、积垢热阻、空气量及压力降有关。
根据已知的工艺条件可计算某一组翅片参数下的空冷器换热面积和功率消耗,前者可计算出一次投资费用,后者可计算出操作费用。
两者相加即可得出总费用。
经过对各组翅片参数下总费用的比较,便可找出相同工艺条件下费用比较合理的一组翅片参数。
下面就各个参数对费用的关系作一个定性的分析。
为翅片管参数的选择提供参考。
(1)翅片高度
翅片面积愈大,折合到光管外表面的膜传热系数也就愈高。
因此当管内的膜传热系数较高时,采用高翅片管对提高总传热系数的效果也愈显著。
所以应根据管内传热系数的高低选择翅片管的高度。
参见表4.2-1
表4.2-1翅片高度的选择
管内传热系数hI/w/(m2K)
翅片高度H
>1000
高翅片
1000-1800
高或低翅片
100-1000
低翅片
<100
光管
(2)翅片间距
翅片管的单位长度传热面积与片距成反比,在一定风速下,翅片管所能传递的热量与换热面积成正比。
也就是说,片距愈小传递的热量愈大,同时压力降也愈大。
表4.2-2为迎面风速为2.8m/s、管心距为62mm、翅片外径为57mm的条件下,片距的变化对管外传热系数、压力降、总费用的影响。
表4.2-2片距对给热系数、压力降和费用的影响
片距,mm
2.3
2.54
2.82
3.18
3.63
管外传热系数变化趋势
1
0.93
0.87
0.80
0.73
压力降变化趋势
1
0.89
0.78
0.67
0.59
总费用变化趋势
1
0.98
0.97
0.97
0.97
注:
上表的评价是以翅片距2.3mm为基准的。
从表4.2-2看出,在一定风速下,管外传热系数及阻力降随片距增大而下降的幅度较大。
在计算总费用时,假定管内的传热系数为700W/(m2K).从总费用的变化趋势可以看出,费用逐渐下降,当片距增到某一值时就不再下降了,因为设备费用的增加与操作的减少几乎相等,故总费用几乎不变。
当然,当管内条件改变时,最低费用值的片距可能会出现在别的地方。
针对上述情况,翅片管间距的改变对总费用的影响不大,当管排数在4以下,管外压力降在风机的许可范围之内时,可以采用S=2.3mm的常用片距。
当管排数较多,为了降低管外侧压力降,宜采用片距较大的翅片管。
(3)翅片管管心距
按照以上的工艺条件考查翅片管排列的管心距对传热系数、压力降和总费用的影响,其结果列于表4.2-3。
从表4.2-3看,一台冷却一定热负荷的空冷器,其传热系数、压力降和总费用随管心距的增大而下降。
传热系数和总费用的下降速率相同,压力降的下降速率较快。
从而可以看出适当增加管心距对空冷器是有利的。
此外,管心距增大,压力降减少也降低了空冷器噪声。
表4.2-3管心距对给热系数、压力降及费用的影响
管心距,mm
60
61
62
63
64
65
66
67
管外传热系数变化趋势
1.00
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
0.93
压力降(四排)变化趋势
1.00
0.96
0.92
0.88
0.85
0.81
0.79
0.75
总费用变化趋势
1.00
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
0.93
(4)管排数
管排数对投资及操作费用影响较大,表4.2-4列出了管排数对设备费用的影响。
从表中可以看出选用多管排数较为经济。
排数少,传热效果好,所需面积略小,但占地大,单位传热面积造价高,同时由于空气温升小,风量就要大。
当管内介质传热系数小,则管排数应适当增加。
但管排数过多,对数平均温差降低,传热面就增大,同时气流阻力损失增加,电机的功率也就上升;当管内传热系数较高时,要尽量减少管排数并提高风速,从而获得较大的管外侧传热系数。
因此设计时对管排数要进行合理选择。
可根据管内介质及介质温度变化范围参考4.2-4、表4
.2-5和表4.2-6选择管排数。
如空气温升小于15-20℃,则应适当增加排数。
表4.2-4管排数对设备费用的影响
管排数
2
3
4
5
6
7
8
费用系数
1.25
1.15
1.00
0.916
0.856
0.837
0.815
表4.2-5依据管内介质选用管排数
类别
建议
管排数
类别
建议
管排数
冷却过程:
冷凝过程:
轻碳氢化合物(汽油、煤油等)
4或6
轻碳氢化合物(汽油、煤油等)
4或6
轻柴油
4或6
水蒸汽
4
重柴油
4或6
重整或加氢反应器出口气体
6
润滑油
4或6
塔顶冷凝器
4或6
塔底重质油品
6或8
烟气
4
汽缸或高炉冷却水
4
表4.2-6依据管内介质温度变化范围选用管排数
热流体温度变化范围/℃
总传热系数/(W/m2.K)
推荐管排数
ΔT≤6
3
6<ΔT≤10
3
10<ΔT≤50
4
50<ΔT≤100
<350
5
100<ΔT≤170
<230
6
ΔT>170
<180
8
(6)迎风面速度的选择
管束迎风面的面积SF为管束外框内壁以内的面积,一台空冷器的迎风面积近似于管束宽B乘管长L及管束数NS。
空气在标准状态(指P=0.1013MPa,t=20℃)下通过迎风面的速度简称为标准迎风面速度。
在设计计算中,用迎风面的风速作为基本参数,比用通过管间的实际风速要方便得多。
迎风面风速的选择要适当,风速过高会使得空气侧的压力降太大,风机的功率消耗大;相反,风速太低,则会使得传热速率低,换热面积增加。
另外,风速的选择还应与风机的性能相适应。
对目前国产L、LL、KLM、G翅片管,采用鼓风式空冷器时,推荐的迎风速度列于表4.2-7。
当采用引风式空冷器时,因风机入口处空气温度较高,为了节省动力可采用较低的迎风速度,但空冷器的传热面积要稍大一些。
表4.2-7推荐的迎风速度
管排数
3
4
5
6
7
8
迎风速度/(m/s)
3.2
2.8
2.7
2.5
2.4
2.3
(7).管程数的选用
1)气体或液体冷却时,在满足允许压力降条件下应尽量提高流速,一般液体流速在0.5~1.5m/s之间,气体质量流速在5~10kg/m2·s左右,管内流体处于湍流流动状态最为有利,因此选用二以上的管程数比较适宜。
2)对于冷凝过程,如果对数平均温差的校正系数大于0.8,可采用一管程
否则(如:
含不凝气时)应考虑采用两管程或多管程以提高管内流速。
4-3计算步骤概述
1估算传热面积
(1)首先要依据工艺条件计算出总热负荷。
(2)根据经验选取总传热系数
(3)根据总传热系数估算空气出口温度
(4)计算平均温差
(5)估算出所需的传热面积。
空冷器的设计过程是一个猜算过程,按估算的传热面积,初步确定空冷器总体结构、管束和构架、风机的参数;
2空冷器总体设计
(1)管束的长度
一般般情况下,管束的长度应为为下列长度之一:
3、4.5、6、9、10.5、12。
单位为m.。
(2)管束的宽度
管束的宽度可根据下式计算:
式中B-管束的计算宽度,mm
AR–管束的估算光管面积,m2
Ao–管束翅片管的单管光管面积,m2
NP-管排数
ST-翅片管横向管心距,mm
D-翅片外径.mm
C-包括管束边梁侧板厚度和翅片与侧梁间隙在内的横向尺寸,一般为20~30mm
管束的长度和宽度应与所选的构架相适应。
否则应进行调整。
管束的宽度应与构架相适应,例如放置空冷器的构架6m时,最好选用2个宽度为3m或3个2m的管束。
如果拼凑这些尺寸有困难时,也可按计宽度设计管束和构架。
(3)构架参数
构架的跨度要比管束的长度短300mm.。
主要考虑管束的进出口管嘴的安装方便。
构架的宽度与管束的宽度一致。
(4)风机参数
根据构架的尺寸初步选定风机的直径、台数,同时应使构架的风箱应有足够的高度,保证风机扩散角不大于45o。
3管束参数确定
(1)翅片管的参数:
型式、高度、片距、片厚、光管外径、管心距等
(2)管束的参数:
管束的长度和宽度、管排数、管心距、管程数、光管面积、管程流通面积等
(3)管束的迎风面积
(4)管束的通风面积与迎风面积之比
管束中的流通面积与迎风面积之比为
So-通风面积,
SF-迎风面积
ST-翅片管中心距
S-翅片间距
b-翅片厚度
H-翅片高度
(5)管束的通风面积
4详细核算
依据已知条件和初定的管束参数进行精确的传热及压力降计算,将计算面积与所选用的面积进行比较,令其相对误差不大于给定的误差值。
若大于时需调整空冷器参数,重新进行计算,直到满足要求为止。
详细核算过程如下:
(1)计算管内膜传热系数
(2)计算管外膜传热系数
(3)计算总传热系数
(4)计算空气出口温度
(5)计算平均温差
(6)计算所需的传热面积
(7)计算面积余量,面积余量应在许可范围之内,余量一般为10~20%。
如果不满足此要求,则需从第一步中重新选取总传热系数,重复上计算过程,直至满足要求为止。
(8)计算管程压力降
管程的压力降应符合设计条件要求,否则应重新设定管程数,自第二步开始重新计算,直至压
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