空冷器的设计

空气冷却器2006-3-52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。空气冷却器2006-3-53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翅片外径空气冷却器2006-3-54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：空气冷却器2006-3-55b－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，mH－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：orfAAA＝0（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。空气冷却器2006-3-56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＝度主流温度－翅片根部温均温度主流温度－翅片表面平从文献[5]可得：bhH1632.0092.1Emof（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，空气冷却器2006-3-57图2高低翅片效率0.760.780.80.820.840.860.880.90.920.942.32.52.83.23.5迎面风速m/s翅片效率0.0160.0125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：brffAAAE＝（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718.0296.0333.0718.0282.0718.00)()(1378.0FrrUHSpadh空气冷却器2006-3-58Pr－空气的普兰特准数；CPr；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，mH-翅片高度，mdr-翅根直径，mε－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。)(75.0arrdDSbdTTSS(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）718.0296.0718.0282.00)(69.8FrUHSadh空气冷却器2006-3-5902004006008001000120014001.522.533.54迎风面风速m/s管外侧传热系数W/(m^2.K)_0.0620.0160.00230.0620.0160.00280.0540.01250.00230.0540.01250.00280.0590.01250.0036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空气冷却器2006-3-5102、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-0.3182515.0927.0rT2)()dS(sLTGnSS（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，paNt－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。空气冷却器2006-3-51105101520251.522.533.54迎面风速m/s静压降mm水柱0.0620.0160.00230.0620.0160.00280.0670.0160.00280.0540.01250.00230.0540.01250.0028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