汽化器傳熱設計計算

?；鱾鳠嵩O計計算件管IO69-O6M243-OL889-F88688]twj?；鱾鳠嵩O計計算件管IO69-O6M243-OL889-F88688]twj序列號：［K8UY-K汽化器傳熱設計計算總則（成都清源低溫科技有限公司技術部?王道德）1引言空溫式汽化器是通過吸收外界環(huán)境中的熱量并傳遞給低溫介質使其汽化的設備。由于其具備結構簡單、運行成本低廉等優(yōu)點廣泛應用于低溫液體汽化器、低溫貯運設備自增壓器等。實際應用中，低溫工況下星型翅片導熱管汽化器普遍存在結霜現象，考慮地區(qū)、溫度和季節(jié)變化在內，各種汽化器的結霜面積大約占總面積的60%85%。霜層在星型翅片導熱管表面的沉積增加了冷壁面與空氣間的導熱熱阻，減弱了傳熱效果，同時，霜層的增長產生的阻塞作用大大增加了空氣流過汽化器的阻力，造成氣流流量的下降，使汽化器的換熱量大大地減少。以往的空溫式汽化器都是依據現有的相關經驗來進行設計制造的，并且忽略了星型翅片導熱管在結霜工況下對傳熱性能的影響，實際應用偏差較大，有些汽化量不足，影響生產過大則造成不必要的浪費。因此如何合理設計空溫式汽化器，方便工程應用是當前急需解決的問題。國內文獻對此進行過不少的理論分析與實驗研究，目前仍未得出一個比較實用且相對精確的關聯(lián)式。本文探討這些問題在于為空溫式汽化器的設計計算提供參考依據。圖1空溫式汽化器結構示意圖2傳熱量的計算由熱力學相關知識可知，汽化器管內工作介質的壓力在臨界壓力以上，溫度低于臨界溫度時為液體，高于臨界溫度時為氣體；在臨界壓力和臨界溫度以下時，有一相變的氣液兩相區(qū)，溫度高于壓力對應的飽和溫度時為氣體，低于飽和溫度時為過冷液體。如果壓力高于臨界壓力，它的換熱特點是分為預熱段（臨界溫度以下）和蒸發(fā)段（臨界溫度以上）兩個區(qū)段，沒有兩相共存的汽化階段。因此，介質的壓力和溫度決定汽化器的設計方案，不同的流態(tài)傳熱特性有很大差別，需分別考慮、計算。本文選定的空溫式汽化器為LNG高壓汽化器，LNG進口溫度為-162°C,工作壓力為25MPa所以，LNG在星型翅片導熱管內吸熱經液相、氣相兩種相變過程，不考慮氣液兩相區(qū)汽化階段。圖2星型翅片導熱管結構示意圖按照熱力學第一定律，汽化器的汽化過程中吸收的總熱量，有如下關系式：nQQhhminout(1)Q為星型翅片導熱管在單位時間內的傳熱量——KJ/sm為單位時間內汽化液體質量——Kghout為汽化器出口氣體焓值——KJ/kghin為汽化器進口液體焓值——KJ/kgQl為單排星型翅片導熱管液相區(qū)單位時間內的傳熱量——KJ/sQg為單排星型翅片導熱管氣相區(qū)單位時間內的傳熱量——KJ/sn為星型翅片導熱管的排數3傳熱系數的確定空溫式汽化器管內流動著低溫液體，液體吸熱產生相變。同時星型翅片導熱管表面溫度低于周圍環(huán)境空氣的露點溫度，星型翅片導熱管表面結霜，不同相區(qū)霜層厚度不同，導熱熱阻也不同。汽化器從開啟到正常運行傳熱與熱阻要經歷非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個階段：在非穩(wěn)態(tài)階段霜開始形成時表面粗糙度增大，引起傳熱面積增大，同時氣體流速也增大，穩(wěn)態(tài)工作時，汽化器表面的霜層厚度要比非穩(wěn)態(tài)時的大，而且隨著霜層厚度的增大翅片間的空氣流道不斷減小，增大了空氣流通阻力進而增大傳熱熱阻。因此，汽化器工作時相同的產氣量在穩(wěn)態(tài)傳熱時需要的傳熱面積要大，作為計算的上限值，而非穩(wěn)態(tài)不考慮結霜的傳熱面積作為計算的下限值。低溫工質的傳熱過程十分復雜，本文對計算過程進行了適當的簡化。沿管程分為兩段：單相液體對流換熱區(qū)、單相氣體對流換熱區(qū)；各相區(qū)采用均相模型；傳熱管壁僅考慮徑向導熱o總傳熱系數按照下式確定：04111111fRK(2)其中，總傳熱系數中構成值由下式推導而得出：330333)1(2)tanh(bmmhmhRf為污垢熱阻——m2K/W1為星型翅片導熱管壁厚為星型翅片導熱管導熱系數W/(m?K)2為霜層厚度——m2為霜的導熱系數—W/(m?K)3為翅片厚度——m3為翅片導熱系數—W/(m?K)3為不銹鋼內襯厚度m為不銹鋼導熱系數W/(m?K)為翅片的總效率0為空氣對流換熱系數——W/(m2K)1為管內流體對流換熱系數W/(m2?K)b為翅片寬度——mh為翅片高度——m為肋化系數因為鋁和不銹鋼的導熱系數遠大于管外空氣自然對流換熱系數，因此在實際設計過程中將(2)式中的4411和項略去，最后得到如下公式：0221111fRK(3)3.1空氣側對流換熱系數0的確定由于結霜后翅片表面粗糙度增加，一般的，空氣與霜層之間的換熱系數a0=(1.21.3)aw，aw為汽化器未結霜時的外表面換熱系數?？諟厥狡鞫疾捎眯切托切统崞瑢峁?，對于星型星型翅片導熱管可按空氣對平壁的自然對流換熱準則方程式來求解awo層流(Ra=Gr?Pr=2X104Z~~/8X4/1Pr)(540GrNu(4)紊流(Ra=Gr?Pr=8X109Z~~/8X3/1Pr)(540GrNu(5)其中格拉曉夫準數Gr由下式確定：23Tlg(6)Ra為瑞利數Pr為普朗特數Nu為努謝爾特數B為體脹系數 1/Kg為重力加速度——m/s2下載文檔到電腦，查找使用更方便1下載券8人已下載還剩2頁未讀，繼續(xù)閱讀定制HR最喜歡的簡歷l為星型翅片導熱管長度——為流體和管壁間溫度差——K為空氣的導熱系數—W/(m?K)由式(7)求得星型翅片導熱管未結霜時外表面對流換熱系數：lNuw(7)3.2霜層導熱系數入2的計算研究表明霜層導熱系數主要取決于密度，但也取決于霜層的微觀結構它是霜層結構、霜層內溫度梯度引起水蒸氣擴散及凝華潛熱釋放和霜表面粗糙度引起渦流效應相互作用的結果。目前應用最廣泛的是Yonko和SepSy提出的導熱系數關聯(lián)式：入2=0.02422+7.214X10-4Pfr+1.1797X10-6Pfr2(8)P為霜的密度——Kg/m3，霜的密度pfr主要與霜層表面溫度Tfr和風速ufr有關。霜層密度由下式確定rurTfr253404550(9)空溫式汽化器在工作過程中都會結霜，前幾排管子的結霜一般較嚴重而后幾排管子的結霜相對較輕。在相同的換熱面積的情況下，星型翅片導熱管間距越大、管排數越少、表面結霜速度就越慢，但是管排數減少會影響汽化器的緊湊性。因此，空溫式汽化器要充分考慮其結構的合理性，在對汽化器的體積要求不是很嚴格的情況下，可以適當增大星型翅片導熱管間距、減少管排數來減少結霜。3.3管內流體對流換熱系數a計算由流體的物性參數求得雷諾數DRe，判斷流體是層流還是湍流，然后根據流態(tài)計算流動摩擦系數因為，管內流體采用分區(qū)計算的方法所以計算參數也應按相應流態(tài)選??；摩擦系數f決定于壁表面的粗糙度Ks和Reo層流時：認為粗糙度對于換熱的影響可忽略，摩擦系數僅與雷諾數有關，由下式確定：Re64湍流時：由相關表中查得粗糙度后，由式(11)或簡化式(12)、(13)計算湍流摩擦系數，對于已有的實際設備可以用實驗的方法測出流體進出口的壓力降，根據壓力降和磨擦系數之間的關系式(14)求出湍流摩擦系數。對流換熱系數的關聯(lián)式如式(16)所示。Relg2Ksf(11)250Re31605000Re3000f，Re18405000Ref，(13)22muDlfp(14)8/2fSt(15)pmcuSt1(16)D為管段的直徑mp為密度——kg/m3v為體積流速—3/su為動力黏度——pa?scp為比定壓熱容——KJ/(kg?K)um為流體的截面平均流度m/sSt為斯坦頓數Pr為普朗特數4傳熱面積計算A1AT1+KgAgATg)n=[(hc-hin)+(hout-hc)]mKKg分別表示液相區(qū)和氣相區(qū)的換熱系數W/(m2K)Al、Ag分別表示液相區(qū)和氣相區(qū)的換熱面積——m2LNG在臨界點處的焓——KJ/kg由式(17)可以求得總的傳熱面積。由于采用分區(qū)計算，AT分別取進出口溫度與臨界溫度的差值。5結束語(1)對于汽化壓力高于介質臨界壓力的星型翅片導熱管汽化器，可分為2個傳熱區(qū)進行計算，即單相液體對流換熱區(qū)和單相氣體對流換熱區(qū)。這樣不僅使模型更接近實際情況，使設計更加合理準確，也便于工程計算。對于汽化壓力低于介質的臨界壓力的星型翅片導熱管