空冷器的設(shè)計(jì)

1、 空氣冷卻器 第四章 空冷器的設(shè)計(jì)4.1 空冷器的設(shè)計(jì)條件 4.1-1 設(shè)計(jì)條件1. 空氣設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)氣溫系指設(shè)計(jì)空冷器時(shí)所采用的空氣入口溫度。采用干式空冷器時(shí)，設(shè)計(jì)氣溫應(yīng)按當(dāng)?shù)叵募酒骄磕瓴槐ＷC五天的日平均氣溫123。采用濕式空冷器時(shí)，將干式空冷器的設(shè)計(jì)氣溫作為干球溫度，然后按相對濕度查出濕球溫度，該溫度即為濕式空冷器的設(shè)計(jì)氣溫。我國各主要城市的氣溫列于附表41。從該表可見我國絕大多數(shù)地區(qū)夏季平均每年不保證五天的日平均氣溫低于35。當(dāng)接近溫度大于1520時(shí)，采用干式空冷器比較合理。在干燥炎熱的地區(qū)，為了降低空氣入口溫度可以采用濕式空冷器。2. 介質(zhì)條件（1） 適宜空冷器的介質(zhì)條件適于采用空冷

2、器的介質(zhì)有石油化工過程中的氣體,液體，水和水蒸汽等。3. 熱流的操作條件（1） 流量。根據(jù)工藝要求而定。（2） 操作壓力。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“空冷式換熱器”的規(guī)定 ，最高的設(shè)計(jì)壓為35 Mpa，這個(gè)壓力可以滿足石油化行業(yè)空冷器的操作要求。（3） 入口溫度熱流的入口溫度越高其對數(shù)平均溫差越大，因而所需要的傳熱面積就越小，這是比較經(jīng)濟(jì)的。但是，考慮能量回收的可能性，入口溫度不宜高，一般控制在120130以下，超過該溫度的那部分熱量應(yīng)盡量采用換熱方式回收。在個(gè)別情況下，如回收熱量有困難或經(jīng)濟(jì)上不合算時(shí)，可適當(dāng)介質(zhì)入口溫度。就空冷器本身而言，考慮到介質(zhì)溫度升高會(huì)導(dǎo)致熱阻的增加，傳熱效率下降，繞片式翅片管的工

3、作溫度可用到165 而鋃片式翅片管可用到200如果熱流入口溫度較低（低于7080），可考慮用濕式空冷器。 （4） 出口溫度與接近溫度對于干式空冷器出口溫度一般以不低于5565為宜3，若不能滿足工藝要求，可增設(shè)后濕空冷，或采用干濕聯(lián)合空冷。接近溫度系指熱流出口溫度與設(shè)計(jì)氣溫之差值。干式空冷器的最低值應(yīng)不低于153，否則將導(dǎo)致空冷器的面積過大，這是不經(jīng)濟(jì)的。 上述的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)應(yīng)填入表4.1-1的”空氣冷卻器規(guī)格表”內(nèi).表41-1 空冷器設(shè)計(jì)規(guī)格表表號 空氣冷卻器規(guī)格表審核項(xiàng)目號校對位號編制日期版次 用戶廠址裝置型式及規(guī)格單元面積光管m2 翅片管m2換熱量 W傳熱系數(shù)光管 W/m2K翅片管 W/m2K

4、 特 性 數(shù) 據(jù) - 管內(nèi)側(cè)液體名稱進(jìn)口出口致命毒性有 無進(jìn)入液體總量重度kg/m3進(jìn)口出口比熱J/kg.K液體kg/h泡點(diǎn)蒸氣kg/h傾點(diǎn) 不凝汽kg/h潛熱水蒸汽kg/h粘度,Pa.s水kg/h管內(nèi)結(jié)垢熱阻 m2K/W壓力MPa壓降 kPa允許計(jì)算 特 性 參 數(shù) 空氣側(cè)空氣總量 m3/s海撥高度 m空氣量/臺(tái)風(fēng)機(jī) m3/s進(jìn)口溫度(設(shè)計(jì)干球溫度)靜壓 Pa出口溫度迎風(fēng)面風(fēng)速 m/s 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)壓力試驗(yàn)壓力設(shè)計(jì)溫度管束管箱型式管子規(guī)格尺寸 長×寬管箱材料管子材料: 無縫焊制數(shù)量管程數(shù)管子長度m布置絲堵材料管子數(shù)量管束 串聯(lián) 并聯(lián) 墊片材料管心距臺(tái)數(shù) 串聯(lián) 并聯(lián)腐蝕裕量翅片

5、型式架規(guī)格 長×寬進(jìn)口管數(shù) 直徑 mm翅片材料出口管數(shù)直徑 mm翅片外徑構(gòu)架數(shù)量化學(xué)清洗片距架中心距特殊接管法蘭面型式印記 有無百葉窗 自動(dòng) 手動(dòng)溫度表振動(dòng)切換開關(guān) 有 無壓力表 機(jī) 械 設(shè) 備風(fēng)機(jī)型號驅(qū)動(dòng)機(jī)型式減速機(jī)型式風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)減速機(jī)臺(tái)數(shù)風(fēng)機(jī)直徑驅(qū)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù) 轉(zhuǎn)/分傳動(dòng)比風(fēng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)機(jī)功率功率調(diào)節(jié)型式: 手調(diào) 自調(diào) 調(diào)頻轉(zhuǎn)數(shù):轉(zhuǎn)/分支架支座材料: 葉片 輪轂控制發(fā)生故障時(shí)的風(fēng)機(jī)角度 最大 最小 鎖住百葉窗控制發(fā)生故障時(shí)的風(fēng)機(jī)速度 最大 最小 鎖住出口溫度控制精度 ± 空氣再再循環(huán)內(nèi)循環(huán)外循環(huán)蒸汽盤管 有無占地面積 M2總重 kg運(yùn)輸重 kg圖號 4.2翅片管參數(shù)的

6、優(yōu)化翅片管是空氣冷卻器的傳熱元件，翅片管的參數(shù)對空冷器的傳熱效率、功率消耗和噪聲等有直接的關(guān)系4。因此，選擇合適的翅片管參數(shù)對空冷器設(shè)計(jì)是非常重要的的.以下就翅片管參數(shù)對傳熱和阻力降的影響及如何選擇作出評述。1 翅片管的參數(shù)翅片管的參數(shù)主要是指它的幾何參數(shù)如圖1所示。 圖4.2-1 翅片管的幾何參數(shù) 圖中幾何參數(shù)的意義如下： b翅片平均厚度，m ； b =0.5(bp+br) bp 翅片頂部厚度，m ； br 翅片根部厚度，m ； d光管外徑，m ； D翅片外徑，m ； dr翅片根部直徑，m H翅片高度，m ； S翅片間距，m ； ST翅片管橫向管心距，m ； SL沿氣流方向的管排之管心距，m

7、 ；一般說來，翅片管的光管直徑、翅片厚度基本上是固定的。所以在評價(jià)翅片管的性能時(shí)選擇的參數(shù)主要是翅片高度，翅片間距和管心距。這些參數(shù)對翅片管的翅化比起主導(dǎo)作用，同時(shí)對傳熱和壓力降也產(chǎn)生很大影響。翅片管參數(shù)的優(yōu)化主要是指空冷器設(shè)計(jì)中如何合理地選擇片高、片距和管心距這三個(gè)參數(shù)，使所設(shè)計(jì)的空冷器得到較高的傳熱效率和較低的阻力損失。從而使空器設(shè)計(jì)處于較優(yōu)的狀態(tài)。2 翅片管的翅化比和有效翅化比在空氣冷卻器中，管外以空氣作為冷卻介質(zhì)與管內(nèi)的熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)低引起管外側(cè)的傳熱系數(shù)也較低，為了彌補(bǔ)管外側(cè)的傳熱系數(shù)的不足，所以在管外增加翅片以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。管外的翅片總面積與光管表面積之

8、比稱之為翅化比。翅化比表示如下： （4.2-1）式中：0翅化比 Af翅片表面積，m2；Ar翅片根部面積，m2；Ao光管外表面積，m2。這個(gè)翅化比是幾何翅化比，它沒有考慮到翅片的效率。翅片管的傳熱效率與翅片管的表面溫度有關(guān)，翅片表面溫度自根部至頂部是遞降的，愈到翅頂，其傳熱平均溫差愈低，傳熱效果就愈差。翅片的傳熱效率為： Ef從文獻(xiàn)5可得： （4.2-2） 式中：Ef翅片管的傳熱效率 H 翅片的高度，m ； ho翅片管對空氣側(cè)的傳熱系數(shù)，W/(m2.K) m翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)，對于鋁 為203.5 W/(m.K) 將以上數(shù)據(jù)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.

9、1736 UF0.359 低翅片效率， Ef=1.092-0.1298 UF0.359 式中的UF 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的迎面風(fēng)速，m/s .兩種翅片高度的翅片效率與迎面風(fēng)速的關(guān)系如圖4.2-2 所示。從圖中可以看出翅片高度是影響翅片效率的主要因素，低翅片比高翅片有較高的翅片效率。翅片的效率隨迎風(fēng)面風(fēng)速 的增加而下降， 圖4.22 高低翅片的效率翅片效率與翅片材料、翅片厚度和高度、空氣側(cè)傳熱系數(shù)有關(guān)。當(dāng)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： 翅片管有效翅化比 。 從圖4.2-2可以看出，低翅片有較高的翅片效率，但由于它的翅化比低，最終的有效翅化比還是比不上高翅片，所以在設(shè)計(jì)

10、中當(dāng)管內(nèi)側(cè)的傳熱系數(shù)較高時(shí)還是采用高翅片為好。如果管內(nèi)的傳熱系數(shù)較低時(shí)則應(yīng)采用低翅片管。2、 翅片管幾何參數(shù)與管外側(cè)傳熱系數(shù)的關(guān)系 計(jì)算管外空氣側(cè)傳熱系數(shù)的公式很多，在進(jìn)行翅片管參數(shù)評價(jià)時(shí)可采比較通用的Briggs公式6，該公式的標(biāo)準(zhǔn)誤差為5.1。該式適用于各種翅片高度、片距、管心距等.將空氣參數(shù)、迎面風(fēng)速代入相應(yīng)的準(zhǔn)數(shù)并加以化簡，便得到以光管外表面為基準(zhǔn)的管外側(cè)傳熱系數(shù)如下式所示： （4.2-3） 式中：h0 管外側(cè)的傳熱系數(shù) W/m2.K Pr空氣的普蘭特準(zhǔn)數(shù)； 空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/m.K； 空氣的粘度，pa.s ; C空氣的比熱，J/(kg.K) ; UF標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的迎風(fēng)面風(fēng)速，m/s ；

11、 空氣密度，kg/m3 ； S-翅片凈間距，m H-翅片高度，m dr-翅根直徑，m 翅片管的有效翅化比 a系數(shù)，為迎風(fēng)面積與最窄通風(fēng)面積之比值。它是與翅片管的高度、管心距和片厚有關(guān)的參數(shù)。 (4.2-4) 將空氣為60時(shí)的物性參數(shù)代入可得管外側(cè)的傳熱系數(shù)表達(dá)式： （4.2-5） 從上式可看出，管外給熱系數(shù)是翅片管根部直徑、片距、片高、管心距、迎風(fēng)面風(fēng)速和有效翅化比等的函數(shù)，除迎風(fēng)面風(fēng)速外均是翅片管的幾何參數(shù)，這些幾何參數(shù)有的是互相關(guān)聯(lián)的，為了確切地說明這些幾何參數(shù)對空氣膜給熱系數(shù)的影響，下面就以高低兩種翅片，各選兩種管心距和三種不同片距，計(jì)算出不同風(fēng)速下的空氣膜給熱系數(shù)，并將其結(jié)果繪成下圖（

12、圖4.2-3） 圖4.2-3 翅片管的管外空氣側(cè)傳熱系數(shù)從圖4.2-3可看出：（1） 各種幾何參數(shù)的翅片管，其管外空氣側(cè)的傳熱系數(shù)隨迎風(fēng)面風(fēng)速的增加而增加（2） 翅片管空氣側(cè)的傳熱系數(shù)隨翅片的高度的增加而增加；（3） 翅片管空氣側(cè)傳熱系數(shù)隨翅片間距的增加而下降；（4） 翅片管空氣側(cè)傳熱系數(shù)隨管心距的增加而下降；為了工程上的估算方便，下面給出兩種翅片管的簡化計(jì)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上兩式的簡化條件是：空氣定性溫度60 ；光管外徑do=25mm；翅片厚度b=0.4mm;高翅片的

13、翅片效率Ef=0.85;低翅片管的翅片效率Ef=0.9 翅片間距S=2.31mm2、 翅片管的幾何參數(shù)與管外壓力降的關(guān)系空氣流經(jīng)翅片管管外側(cè)時(shí)，氣流對翅片表面的摩擦、氣體的收縮和膨脹引起了氣流的壓力損失，通常稱之為管外壓力降。這種壓力降主要與風(fēng)速、翅片管型式、幾何參數(shù)及制造質(zhì)量有關(guān)。至今為止，壓力降的精確理論計(jì)算尚未見到，目前所采用的計(jì)算公式均是經(jīng)驗(yàn)公式。國內(nèi)外在這方面都做出大量的實(shí)驗(yàn)，歸納出各種型式的關(guān)聯(lián)式，下面是羅賓遜（Robinson）和勃列格斯（Briggs）7通過試驗(yàn)歸納的計(jì)算式： Ps37.86Re-0.318 （4.2-6）若取空氣定性溫度為60時(shí)的物性參數(shù)代入（4.2-6）式得

14、： Ps=0.0678 NtST-0.927a1.684UF1.684 （4.2-7）式中：Ps 管外側(cè)靜壓降，pa Nt 沿氣流方向翅片管的排數(shù)； ST 管束的橫向管心距 ，m ； a 管束的迎風(fēng)面積與最小通風(fēng)面積之比； UF 迎風(fēng)面風(fēng)速 m/s 為了便于分析比較，將不同片高、片距和管心距的翅片管，改變迎風(fēng)面風(fēng)速按（4.2-7）式計(jì)算出相應(yīng)參數(shù)下的管外靜壓降，并將結(jié)果繪于圖4.2-4。 圖4.2-4 翅片管的管側(cè)靜壓降從圖4.2-4可看出：（1） 管外靜壓降隨風(fēng)速的增加而增加；（2） 在相同的風(fēng)速下，管外靜壓降隨管心距的增加而下降、隨翅片間距的加而減少。空冷器中翅片管的管外靜壓降是決定功率消

15、耗的重要因素 。另一方面，靜壓降的增加也導(dǎo)致了噪聲的增大。因此，從降低功率消耗和噪聲來看，都需要找出一組較為合適的翅片管參數(shù)，使得它的壓力降最小。3 翅片管幾何參數(shù)的選擇盡管空冷器采用的冷卻介質(zhì)是取之不盡的空氣，但要達(dá)到高效地利用空氣亦不是一件易事。因此空冷器的優(yōu)化設(shè)計(jì)就成了眾所關(guān)心的課題。 為了達(dá)到空冷器的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，需要將空冷器的翅片管幾何參數(shù)與整個(gè)空冷器費(fèi)用進(jìn)行關(guān)聯(lián)，找出它們之間的關(guān)系，為合理選用翅片參數(shù)提供依據(jù)?？绽淦鞯馁M(fèi)用包括：一是設(shè)備費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)和安裝費(fèi)，即一次投資；二是操作費(fèi)。在一定熱負(fù)荷條件下，空冷器的費(fèi)用與管外側(cè)傳熱系數(shù)、積垢熱阻、空氣量及壓力降有關(guān)。根據(jù)已知的工藝條件可計(jì)

16、算某一組翅片參數(shù)下的空冷器換熱面積和功率消耗，前者可計(jì)算出一次投資費(fèi)用，后者可計(jì)算出操作費(fèi)用。兩者相加即可得出總費(fèi)用。經(jīng)過對各組翅片參數(shù)下總費(fèi)用的比較，便可找出相同工藝條件下費(fèi)用比較合理的一組翅片參數(shù)。下面就各個(gè)參數(shù)對費(fèi)用的關(guān)系作一個(gè)定性的分析。為翅片管參數(shù)的選擇提供參考。（1） 翅片高度 翅片面積愈大，折合到光管外表面的膜傳熱系數(shù)也就愈高。因此當(dāng)管內(nèi)的膜傳熱系數(shù)較高時(shí)，采用高翅片管對提高總傳熱系數(shù)的效果也愈顯著。所以應(yīng)根據(jù)管內(nèi)傳熱系數(shù)的高低選擇翅片管的高度。參見表 4.21 表4.21 翅片高度的選擇 管內(nèi)傳熱系數(shù) hI /w/(m2 K)翅片高度 H > 1000高翅片 100018

17、00高或低翅片 1001000低翅片 < 100光管（2） 翅片間距翅片管的單位長度傳熱面積與片距成反比，在一定風(fēng)速下，翅片管所能傳遞的熱量與換熱面積成正比。也就是說，片距愈小傳遞的熱量愈大，同時(shí)壓力降也愈大。表4.2-2為迎面風(fēng)速為2.8ms、管心距為62mm、翅片外徑為57mm的條件下，片距的變化對管外傳熱系數(shù)、壓力降、總費(fèi)用的影響。表4.2-2 片距對給熱系數(shù)、壓力降和費(fèi)用的影響片距，mm 2.32.542.823.183.63管外傳熱系數(shù)變化趨勢10.930.870.800.73壓力降變化趨勢1089078067059總費(fèi)用變化趨勢10.980.970.970.97注：上表的評價(jià)

18、是以翅片距2.3mm為基準(zhǔn)的。從表4.2-2看出，在一定風(fēng)速下，管外傳熱系數(shù)及阻力降隨片距增大而下降的幅度較大。在計(jì)算總費(fèi)用時(shí)，假定管內(nèi)的傳熱系數(shù)為700 W/(m2K).從總費(fèi)用的變化趨勢可以看出，費(fèi)用逐漸下降，當(dāng)片距增到某一值時(shí)就不再下降了，因?yàn)樵O(shè)備費(fèi)用的增加與操作的減少幾乎相等，故總費(fèi)用幾乎不變。當(dāng)然，當(dāng)管內(nèi)條件改變時(shí)，最低費(fèi)用值的片距可能會(huì)出現(xiàn)在別的地方。針對上述情況，翅片管間距的改變對總費(fèi)用的影響不大，當(dāng)管排數(shù)在4以下，管外壓力降在風(fēng)機(jī)的許可范圍之內(nèi)時(shí)，可以采用S2.3 mm 的常用片距。當(dāng)管排數(shù)較多，為了降低管外側(cè)壓力降，宜采用片距較大的翅片管。（3） 翅片管管心距按照以上的工藝條

19、件考查翅片管排列的管心距對傳熱系數(shù)、壓力降和總費(fèi)用的影響，其結(jié)果列于表4.2-3。從表4.2-3看，一臺(tái)冷卻一定熱負(fù)荷的空冷器，其傳熱系數(shù)、壓力降和總費(fèi)用隨管心距的增大而下降。傳熱系數(shù)和總費(fèi)用的下降速率相同，壓力降的下降速率較快。從而可以看出適當(dāng)增加管心距對空冷器是有利的。此外，管心距增大，壓力降減少也降低了空冷器噪聲。表4.2-3 管心距對給熱系數(shù)、壓力降及費(fèi)用的影響管心距，mm 6061626364656667管外傳熱系數(shù)變化趨勢1.000.990.980.970.960.950.940.93壓力降（四排）變化趨勢1.000.960.920.880.850.810.790.75總費(fèi)用變化趨

20、勢 1.000.990.980.970.960.950.940.93（4）管排數(shù)管排數(shù)對投資及操作費(fèi)用影響較大,表4.2-4 列出了管排數(shù)對設(shè)備費(fèi)用的影響。從表中可以看出選用多管排數(shù)較為經(jīng)濟(jì)。排數(shù)少，傳熱效果好，所需面積略小，但占地大，單位傳熱面積造價(jià)高，同時(shí)由于空氣溫升小，風(fēng)量就要大。當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)傳熱系數(shù)小，則管排數(shù)應(yīng)適當(dāng)增加。但管排數(shù)過多，對數(shù)平均溫差降低，傳熱面就增大，同時(shí)氣流阻力損失增加，電機(jī)的功率也就上升；當(dāng)管內(nèi)傳熱系數(shù)較高時(shí)，要盡量減少管排數(shù)并提高風(fēng)速，從而獲得較大的管外側(cè)傳熱系數(shù)。因此設(shè)計(jì)時(shí)對管排數(shù)要進(jìn)行合理選擇。可根據(jù)管內(nèi)介質(zhì)及介質(zhì)溫度變化范圍 參考4.24、表4.2-5和表4.

21、2-6選擇管排數(shù)。如空氣溫升小于1520，則應(yīng)適當(dāng)增加排數(shù)。 表4.2-4 管排數(shù)對設(shè)備費(fèi)用的影響管排數(shù)2345678費(fèi)用系數(shù)1.251.151.000.9160.8560.8370.815表4.25 依據(jù)管內(nèi)介質(zhì)選用管排數(shù) 類 別建議管排數(shù)類 別建議管排數(shù)冷卻過程：冷凝過程： 輕碳?xì)浠衔?汽油、煤油等)4或6 輕碳?xì)浠衔?汽油、煤油等)4或6 輕柴油4或6 水蒸汽4 重柴油4或6 重整或加氫反應(yīng)器出口氣體6 潤滑油4或6 塔頂冷凝器4或6 塔底重質(zhì)油品6或8 煙氣4 汽缸或高爐冷卻水4表4.2-6 依據(jù)管內(nèi)介質(zhì)溫度變化范圍選用管排數(shù)熱流體溫度變化范圍/總傳熱系數(shù)/(W/m2.K)推薦管排

22、數(shù) T63 6<T103 10 <T504 50 <T100<3505 100<T170<2306 T>170<1808（6） 迎風(fēng)面速度的選擇管束迎風(fēng)面的面積SF為管束外框內(nèi)壁以內(nèi)的面積，一臺(tái)空冷器的迎風(fēng)面積近似于管束寬B乘管長L及管束數(shù)NS。空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（指P=0.1013MPa，t=20）下通過迎風(fēng)面的速度簡稱為標(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)面速度。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，用迎風(fēng)面的風(fēng)速作為基本參數(shù)，比用通過管間的實(shí)際風(fēng)速要方便得多。迎風(fēng)面風(fēng)速的選擇要適當(dāng)，風(fēng)速過高會(huì)使得空氣側(cè)的壓力降太大，風(fēng)機(jī)的功率消耗大；相反，風(fēng)速太低，則會(huì)使得傳熱速率低，換熱面積增加。另外，風(fēng)速的

23、選擇還應(yīng)與風(fēng)機(jī)的性能相適應(yīng)。 對目前國產(chǎn)L、LL、KLM、G翅片管，采用鼓風(fēng)式空冷器時(shí)，推薦的迎風(fēng)速度列于表4.27。當(dāng)采用引風(fēng)式空冷器時(shí)，因風(fēng)機(jī)入口處空氣溫度較高，為了節(jié)省動(dòng)力可采用較低的迎風(fēng)速度，但空冷器的傳熱面積要稍大一些。 表4.27 推薦的迎風(fēng)速度 管排數(shù)345678 迎風(fēng)速度 /(m/s)3.22.8 2.72.5 2.42.3 （7）. 管程數(shù)的選用 1) 氣體或液體冷卻時(shí)，在滿足允許壓力降條件下應(yīng)盡量提高流速，一般液體流速在0.5 1.5ms之間，氣體質(zhì)量流速在5 10kgm2·s左右，管內(nèi)流體處于湍流流動(dòng)狀態(tài)最為有利，因此選用二以上的管程數(shù)比較適宜。2) 對于冷凝過

24、程，如果對數(shù)平均溫差的校正系數(shù)大于0.8，可采用一管程否則（如：含不凝氣時(shí)）應(yīng)考慮采用兩管程或多管程以提高管內(nèi)流速。4-3計(jì)算步驟概述1 估算傳熱面積（1） 首先要依據(jù)工藝條件計(jì)算出總熱負(fù)荷。（2） 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取總傳熱系數(shù)（3） 根據(jù)總傳熱系數(shù)估算空氣出口溫度（4） 計(jì)算平均溫差（5） 估算出所需的傳熱面積?？绽淦鞯脑O(shè)計(jì)過程是一個(gè)猜算過程，按估算的傳熱面積，初步確定空冷器總體結(jié)構(gòu)、管束和構(gòu)架、風(fēng)機(jī)的參數(shù)；2空冷器總體設(shè)計(jì)(1)管束的長度 一般般情況下，管束的長度應(yīng)為為下列長度之一：3、4.5、6、9、10.5、12。單位為m.。（2）管束的寬度管束的寬度可根據(jù)下式計(jì)算： 式中 B-管束的計(jì)算寬

25、度，mmAR 管束的估算光管面積，m2Ao 管束翅片管的單管光管面積，m2NP-管排數(shù)ST-翅片管橫向管心距,mmD-翅片外徑.mmC-包括管束邊梁側(cè)板厚度和翅片與側(cè)梁間隙在內(nèi)的橫向尺寸，一般為20 30 mm管束的長度和寬度應(yīng)與所選的構(gòu)架相適應(yīng)。否則應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。管束的寬度應(yīng)與構(gòu)架相適應(yīng)，例如放置空冷器的構(gòu)架6m 時(shí)，最好選用2個(gè)寬度為3m 或3個(gè)2m的管束。如果拼湊這些尺寸有困難時(shí)，也可按計(jì)寬度設(shè)計(jì)管束和構(gòu)架。（3）構(gòu)架參數(shù)構(gòu)架的跨度要比管束的長度短300mm .。主要考慮管束的進(jìn)出口管嘴的安裝方便。構(gòu)架的寬度與管束的寬度一致。（4）風(fēng)機(jī)參數(shù)根據(jù)構(gòu)架的尺寸初步選定風(fēng)機(jī)的直徑、臺(tái)數(shù)，同時(shí)應(yīng)使構(gòu)

26、架的風(fēng)箱應(yīng)有足夠的高度，保證風(fēng)機(jī)擴(kuò)散角不大于45o。3管束參數(shù)確定（1） 翅片管的參數(shù)：型式、高度、片距、片厚、光管外徑、管心距等（2） 管束的參數(shù)：管束的長度和寬度、管排數(shù)、管心距、管程數(shù)、光管面積、管程流通面積等（3） 管束的迎風(fēng)面積（4） 管束的通風(fēng)面積與迎風(fēng)面積之比管束中的流通面積與迎風(fēng)面積之比為So-通風(fēng)面積，SF-迎風(fēng)面積ST-翅片管中心距S-翅片間距b-翅片厚度H- 翅片高度（5） 管束的通風(fēng)面積4詳細(xì)核算依據(jù)已知條件和初定的管束參數(shù)進(jìn)行精確的傳熱及壓力降計(jì)算,將計(jì)算面積與所選用的面積進(jìn)行比較，令其相對誤差不大于給定的誤差值。若大于時(shí)需調(diào)整空冷器參數(shù)，重新進(jìn)行計(jì)算，直到滿足要求為

27、止。詳細(xì)核算過程如下：（1） 計(jì)算管內(nèi)膜傳熱系數(shù)（2） 計(jì)算管外膜傳熱系數(shù)（3） 計(jì)算總傳熱系數(shù)（4） 計(jì)算空氣出口溫度（5） 計(jì)算平均溫差（6） 計(jì)算所需的傳熱面積（7） 計(jì)算面積余量，面積余量應(yīng)在許可范圍之內(nèi)，余量一般為1020%。 如果不滿足此要求，則需從第一步中重新選取總傳熱系數(shù)，重復(fù)上計(jì)算過程，直至滿足要求為止。 （8） 計(jì)算管程壓力降 管程的壓力降應(yīng)符合設(shè)計(jì)條件要求，否則應(yīng)重新設(shè)定管程數(shù)，自第二步開始重新計(jì)算，直至壓力降滿足要求為止。5 風(fēng)機(jī)計(jì)算（1） 計(jì)算風(fēng)量。（2） 計(jì)算管束的管外壓力降。（3） 計(jì)算風(fēng)機(jī)軸功率、電機(jī)功率。若管束的管外壓力降超過風(fēng)機(jī)的承受能力，則要重新設(shè)定管束參

28、數(shù)，如加大翅片片距或管間距。重新進(jìn)行計(jì)算，直至滿足要求為止。6 噪聲計(jì)算計(jì)算結(jié)果若超過設(shè)備的額定值，則需調(diào)整風(fēng)機(jī)參數(shù)，甚至需調(diào)整空冷器型號，再重新計(jì)算之。4.4 液相冷卻的空冷器設(shè)計(jì)4.4.1計(jì)算步驟（1） 根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求，考慮該項(xiàng)目使用空冷器的合理性。進(jìn)行選用空冷還是水冷，選用干空冷還是濕空冷，是否設(shè)置后冷器等項(xiàng)的分析比較；（2） 確定設(shè)計(jì)條件，如確定空氣設(shè)計(jì)溫度；（3） 計(jì)算熱介質(zhì)需要冷卻的熱負(fù)荷；（4） 按空冷器估算方法計(jì)算所需的傳熱面積，初選空冷器的參數(shù)及臺(tái)數(shù)；（5） 按初選設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)核算。計(jì)算管內(nèi)、外膜傳熱系數(shù)及總傳熱系數(shù)；（6） 計(jì)算空氣出口溫升，空氣的出口溫度及有效平均溫差

29、；（7） 詳細(xì)計(jì)算所需的換熱面積，對計(jì)算面積與選用面積進(jìn)行比較，若相對誤差小于給定的誤差值，則計(jì)算結(jié)束，否則需調(diào)整空冷器參數(shù)，自（4）重新計(jì)算，直至滿足要求為止；（8） 根據(jù)空冷器管束面積初選風(fēng)機(jī)型號及臺(tái)數(shù)；（9） 計(jì)算管程壓力降（10） 按選定的風(fēng)機(jī)型號計(jì)算全風(fēng)壓、葉片角度、風(fēng)機(jī)軸功率、電機(jī)功率及噪聲等。如果計(jì)算結(jié)果超過所選風(fēng)機(jī)的額定值，則需調(diào)整風(fēng)機(jī)或空冷器型號，重新自（4）算起，直至滿足要求為止。（11）計(jì)算空冷器噪聲。4.4.2 液體冷卻過程計(jì)算例題 1 已知條件：介質(zhì)： 航煤，餾程為130230C 質(zhì)量流量：67000kg/h進(jìn)口溫度：165出口溫度：55入口壓力：0.2Mpa允許壓降

30、：60kPa結(jié)垢熱阻：0.000173 m2.K/W介質(zhì)物性： 比重：0776； 特性因數(shù)；KF=121 粘度，135=0.388×10-3 pa.s 50=0.714×10-3 pa.s 進(jìn)口熱焓 Hl1412.4KJ/kg 出口熱焓 Hl2 146.5KJ/kg 熱流冷卻的熱負(fù)荷 ： QR=Wi(Hll-Hl2) =67000/3600*(412.4-146.5)*1000=4947983.5 W空氣設(shè)計(jì)溫度：t1=35空氣設(shè)計(jì)最低溫度 ：t=-10空氣側(cè)污垢熱阻：ro=0.00018 m2K/W海撥高度：50m 2 估算傳熱面積（1）估算空氣出口溫度t2：據(jù)表3.26

31、選取經(jīng)驗(yàn)總傳熱系數(shù)K0400W（m2·K） t2=t1+0.88×10-3·K0·Ff·（）由熱流溫差16555110從圖3.21查出Ff1.17 代入上式得 t2350.88×10-3×400×1.17×（） 65.77（2）對數(shù)平均溫差： 49.46 （3）估算換熱面積： AR3初步選取空冷器規(guī)格參數(shù)管束長：L=9m管束寬B=2.5m管束數(shù)量n=2管束參數(shù)：翅片型式：L型 管排數(shù)Nt=6管程數(shù)Np=6光管外徑：d=25 mm 光管內(nèi)徑：di=20 mm翅片高：H=16 mm 翅片間距：S= 2.31

32、mm 翅片厚度：b=0.4mm每米長度的翅片數(shù)：433管心距：ST=63.5 mm每m翅片面積Af=1.84m2每m光管面積Ao=0.07854m2翅化比=25.41迎風(fēng)面積SF=22.05 m2通風(fēng)面積與迎風(fēng)面積之比a=0.528 管子數(shù) n=228 管束面積A=160m2管程流通面積：Si=0.011932 m2 構(gòu)架規(guī)格：9*5風(fēng)機(jī)直徑D=3.6m風(fēng)機(jī)數(shù)量：2臺(tái)通風(fēng)方式：鼓風(fēng)式注意：選用面積比初估面積需留1020的余量。4 詳細(xì)核算傳熱面積 (1)計(jì)算管內(nèi)膜傳熱系數(shù) 定性溫度 TD0.4T10.6T2 0.4×165+0.6×55=93.5 定性溫度下的物性: 比熱：

33、CP2.35kJ/(kg·K)導(dǎo)熱系數(shù)：0.143W/(m·K)重度：715kg/m30.44×103pa·s 質(zhì)量流速 雷諾數(shù) 勃蘭特準(zhǔn)數(shù) Pr管內(nèi)膜傳熱系數(shù)首先假設(shè)壁溫正系數(shù)1.0，按式（3.229）計(jì)算：hi=0.027 =1302.28W/(m2K)(2) 計(jì)算管外膜傳熱系數(shù)按勃利格斯關(guān)聯(lián)式進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。定性溫度空氣出口溫度先按估算法求出的值。所以定性溫度為 tD0.5*（t1+t2）=0.5 *(35+65.77) =50.39 定性溫度下的物性 空氣比熱： a= 1009J/(kg·K)導(dǎo)熱系數(shù)：a=0.0285W/(m·

34、K)粘度： a=0.0195厘泊0.0195×10-3Pa·s重度：a=1.093kg/m3 按所選的 6管排， 取標(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)速UNF2.5m/s。迎風(fēng)面面積： SFL×B×NS22.05×244.1m2標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的風(fēng)量 VUNF×SF×36002.5×44.1×3600=396900m3/h空氣的流通面積為：So=0.5286×SF=0.53×44.1=23.31m2空氣的質(zhì)量流率 Gmax= 翅根外徑dr=0.0258m Re= 勃蘭特準(zhǔn)數(shù) Pr翅片效率 Ef=1.092+0.137

35、6UF0.359=1.092+0.1376*2.50.359=0.9有效翅化比 =(Ef.Af+Ao)/Ao=(0.9*1.84+0.07854)/0.07854=22.02 管外膜傳熱系數(shù)ho=0.1378 =0.1378 =960.2W/(m2·k) 壁溫校正系數(shù)管壁溫度為 tw= 壁溫下介質(zhì)的重度及粘度。 =725 kg/m3 w=0.71厘沲 w0.725×0.71×10-3=0.5148×10-3pa·s （(3) 總傳熱系數(shù) 取ri=0.00017m2·k/w ro=0.00018 m2·k/w (rf+rp)=

36、0.00024423 m2·k/w 間隙熱阻為rg= m2·k/w =390w/(m2·k)(4) 有效平均溫差 計(jì)算空氣溫升 t=空氣出口溫度為： t2=3539.1374.13對數(shù)平均溫差溫度效率： 2溫度相關(guān)系數(shù) 查 圖3.29得FT0.95有效溫差:TTm*46.0746.82*0.95=44.48(5) 傳熱面積 m2實(shí)際選用面積余量 面積余量在許可范圍之內(nèi).5 管程壓力降計(jì)算 沿程壓力降： Pt 其中 fi=0.4513(Re)-0.2653=0.4513(35471.36)-0.2653=0.02888 Pt 管箱壓力降： Pr= =10.21kpa

37、 進(jìn)出口壓力降： 進(jìn)出口各二個(gè)，公稱直徑為100 mm。 其中 管程總壓力降： Pi=Pt+Pr+PN=33.91+10.21+0.37 =44.49kpa 管程壓力降在許可范圍之內(nèi)。6 風(fēng)機(jī)計(jì)算根據(jù)風(fēng)機(jī)的選擇原則，估選風(fēng)機(jī)為：GTF36R4型風(fēng)機(jī)2臺(tái)，葉輪直徑為3.6米。由于控制噪聲的需要，葉尖速度選為50米秒。故風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)為 n=265.26轉(zhuǎn)分 全風(fēng)壓 通過管束的壓力降Pst Ps=f·NB· f=37.86( =37.86 Ps=1.001×6× 風(fēng)機(jī)動(dòng)壓頭 PD UB米秒 PD 其中 B1.205 全風(fēng)壓 HPstPD79.48816.3495

38、.83 pa 電機(jī)功率為：該裝置海拔50米，F(xiàn)L1.01 10.77 kw其中：風(fēng)機(jī)效率：1=0.65 傳動(dòng)效率：2=0.86 電機(jī)效率：3=0.95 冬季最低氣溫-10，此時(shí)的功率消耗為N=No(273+t1)/(273+t3)=10.77*(273+35)/(273-10)=12.61 kW電機(jī)額定功率選用17 kw，用皮帶傳動(dòng)。7 噪聲計(jì)算 Lp=35.8+30logVt+10logNz-20logDf =35.8+30×log(50)+10log(10.77)-20log(3.6) =86.08分貝由于2臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)操作，總噪聲值應(yīng)為： Lp總86.08+3=89.08分貝 2

39、臺(tái)共同操作時(shí)也已滿足石油化工企業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)SH30241995石油化工企業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范中，空冷器總噪聲應(yīng)低于90分貝的規(guī)定。4.5 氣體冷凝冷卻空冷器設(shè)計(jì)4.5-1氣體冷凝冷卻過程分類與特點(diǎn) 氣體冷凝冷卻過程可分為三類。一是單純的氣體冷卻過程，這一過程的特點(diǎn)是氣相冷卻，被冷卻介質(zhì)只是溫度下降而不發(fā)生相變過程。二是可凝氣的冷凝過程。被冷凝的氣體在冷凝過程中由氣體變成了液體，物理形態(tài)產(chǎn)生了變化。三是含不凝氣的冷凝冷卻過程。這是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，即既有不凝氣的冷卻又有可凝氣體的冷凝，它是上述二個(gè)過程的綜合。其難點(diǎn)之一是管內(nèi)的傳熱量的計(jì)算，要通過閃蒸平衡計(jì)算出各點(diǎn)的熱量及汽化率，然后求出總熱負(fù)荷。

40、難點(diǎn)之二是管內(nèi)的傳熱過程是兩相傳熱，它的傳熱系數(shù)計(jì)算較為煩雜。 4.5-2 氣體冷凝冷卻器設(shè)計(jì)應(yīng)采取的措施1氣體冷卻過程的措施 （1）采用低翅片管由于單純的氣體冷卻過程的傳熱系數(shù)較低，熱阻較大， 管外側(cè)的強(qiáng)化傳熱意義不很大，因而可以采用翅化比較小的低翅片。（2）強(qiáng)化管內(nèi)的傳熱由于管內(nèi)的氣體的傳熱數(shù)低，因而應(yīng)該盡可能地提高管內(nèi)的流速以強(qiáng)化管內(nèi)側(cè)的傳熱 。單純的氣體冷卻過程不產(chǎn)生凝液，無冰凍現(xiàn)象，因此不用考慮防凍措施。2 可凝氣冷凝的措施（1）采用高翅片管。單純的可凝氣冷凝，是一個(gè)快速的相變放熱過程。管內(nèi)的傳熱系數(shù)很大。為了適應(yīng)管內(nèi)的傳熱狀態(tài)，管外應(yīng)采用高翅片管。（2）提高迎面風(fēng)速。加大管外側(cè)的風(fēng)

41、速以提高傳熱溫差，盡可能快速地將熱量傳遞出去。（3）采用單管程?？赡睦淠鞔蠖鄶?shù)在真空條件下工作，為了減少阻力降，通常采用單管程（4）進(jìn)出口管箱的設(shè)計(jì)都需特殊處理。進(jìn)口管箱為了減少阻力和有利于氣體的分配采用大集合管。出口管箱的容積也較大，其目的是提供一個(gè)利于氣液分離的空間 。3含不凝氣的冷凝冷卻的措施 含不凝氣的冷凝冷卻是前面所述兩個(gè)過程的綜合。是一個(gè)較復(fù)雜也是工業(yè)中經(jīng)常碰到的傳熱過程。除了應(yīng)采用可凝氣體的冷卻器的措施外，要特別注意精心設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)要對傳熱負(fù)荷、總傳熱系數(shù)和壓力降進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，并盡可能用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對計(jì)算進(jìn)行修正。由于這種工況非常復(fù)雜，精心設(shè)計(jì)就更顯得重要。 對于全冷凝過程的計(jì)

42、算與冷卻過程基本相同，但需注意以下問題：定性溫度的確定：一般以1/2熱負(fù)荷處的冷凝溫度作為定性溫度。通過閃蒸平衡計(jì)算，作出熱負(fù)荷隨溫度變化的曲線，從曲線中可以查出冷凝1/2熱負(fù)荷處的溫度。如果熱負(fù)荷與流體溫度成正比關(guān)系變化，而且冷凝膜傳熱系數(shù)高于空氣膜傳熱系數(shù)很多，則定性溫度可取進(jìn)出口溫度的平均值。系單一組分，則全過程的冷凝溫度不變。采用阿柯斯法計(jì)算管內(nèi)膜傳熱系數(shù)時(shí)，若冷凝膜傳熱系數(shù)很大，可忽略氣體顯熱對流傳熱，此方法比較簡便。當(dāng)需要較精確計(jì)算時(shí)應(yīng)按兩相流方法計(jì)算管內(nèi)膜傳熱系數(shù)。4.5-3 可凝氣冷凝例題1已知條件：介質(zhì)：某穩(wěn)定塔頂汽油油氣冷凝。該過程為全冷凝過程，入口為完全汽相，出口為凝液。

43、 油氣流率：82000 kg/h 入口溫度：T1=140；出口溫度：T2=55。入口壓力:P1=0.2Mpa允許壓力降:P=60kPa管內(nèi)污垢熱阻:ri=0.00012m2.K/W介質(zhì)物化性質(zhì) ：比重：d420=0.7201；特性因數(shù)：K=12.0；分子量：M=103；熱焓：進(jìn)口，Hg1=632.2KJ/kg 出口，Hl2=154.9KJ/kg熱流冷凝的熱負(fù)荷。 QWi(Hg1-Hl2) W Q82000/3600×（632.2-154.9）×103=10871724 W2 估算傳熱面積 （1）確定設(shè)計(jì)氣溫、該設(shè)備位于某地區(qū)，當(dāng)?shù)睾０?0米，夏季平均每年不保證五天的日平均氣

44、溫為35，取此溫度為空氣設(shè)計(jì)溫度。（2）估算空氣出口溫度據(jù)表3.25選取經(jīng)驗(yàn)總傳熱系數(shù)K0=400w/(m2·k)，估算空氣出口溫度 t2=t1+0.88×10-3·Ko·Ff·由圖38查出Ff1.11t2=35+0.88×10-3×400×1.11×()=59.43（3）計(jì)算對數(shù)平均溫差： Tm（4）估算需要的傳熱面積 AR米2 管束數(shù)量N=AR/Ao=625.27/193=3.233初選空冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)管束數(shù)量N=4管束長：L=9m管束寬B=3m管束參數(shù)：翅片型式：L型 管排數(shù)NB=6管程數(shù)Np=2光管

45、外徑：d=25 mm 光管內(nèi)徑：di=20 mm翅片高：H=16 mm 翅片間距：S= 2.31 mm 翅片厚度：b=0.4mm每米長度的翅片數(shù)：433管心距：ST=63.5 mm每m翅片面積Af=1.84m2每m光管面積Ao=0.07854m2翅化比=23.41迎風(fēng)面積SF=26.01m2通風(fēng)面積與迎風(fēng)面積之比a=0.528 管子數(shù) n=276 管束面積Ao=193m2管程流通面積：0.043332 m2 構(gòu)架規(guī)格：2個(gè)9*6風(fēng)機(jī)直徑D=3.6m風(fēng)機(jī)數(shù)量：4臺(tái)通風(fēng)方式：鼓風(fēng)式選用面積比初估面積已留余量。4 核算（1）計(jì)算管內(nèi)膜傳熱系數(shù) 定性溫度該過程為完全冷凝，其冷膜傳熱系數(shù)高于空氣膜傳熱系

46、數(shù)較多，故取熱流速進(jìn)、出口溫度的平均值作為定性溫度即： TD（T1T2）（14055）97.5 定性溫度下的物性比熱(Cp)l=2.462KJ/kg導(dǎo)熱系數(shù)l=0.153w/(m·k)密度l=650kg/m3；g4.568kg/m3液體粘度 l=0.2795×10-3pa·s氣體粘度 g=0.00775×10-3pa·s 當(dāng)量流量 WE（W1·g+W2·g）( =(82000)( kg/h 當(dāng)量雷諾數(shù)為： (Re)E= = 勃蘭特準(zhǔn)數(shù) Pr管內(nèi)冷凝液膜傳熱系數(shù) 由于為完全冷凝過程，冷凝膜傳熱系數(shù)較大，故氣體顯熱膜傳熱系數(shù)可略去。（2）