1、汽化器傳熱設(shè)計(jì)計(jì)算總則 （成都清源低溫科技有限公司技術(shù)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(zhì)使其汽化的設(shè)備。由于其具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于低溫液體汽化器、低溫貯運(yùn)設(shè)備自增壓器等。 實(shí)際應(yīng)用中，低溫工況下星型翅片導(dǎo)熱管汽化器普遍存在結(jié)霜現(xiàn)象，考慮地區(qū)、溫度和季節(jié)變化在內(nèi)，各種汽化器的結(jié)霜面積大約占總面積的60%85%。霜層在星型翅片導(dǎo)熱管表面的沉積增加了冷壁面與空氣間的導(dǎo)熱熱阻，減弱了傳熱效果，同時(shí)，霜層的增長(zhǎng)產(chǎn)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(jù)現(xiàn)有的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)

2、來進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的，并且忽略了星型翅片導(dǎo)熱管在結(jié)霜工況下對(duì)傳熱性能的影響，實(shí)際應(yīng)用偏差較大，有些汽化量不足，影響生產(chǎn)，過大則造成不必要的浪費(fèi)。因此如何合理設(shè)計(jì)空溫式汽化器，方便工程應(yīng)用是當(dāng)前急需解決的問題。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn) 對(duì)此進(jìn)行過不少的理論分析與實(shí)驗(yàn)研 究，目前仍未得出一個(gè)比較實(shí)用且相對(duì)精確的關(guān)聯(lián)式。本文探討這些問題在于為空溫式汽化器的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考依據(jù)。 圖1空溫式汽化器結(jié)構(gòu)示意圖 2傳熱量的計(jì)算 由熱力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，汽化器管內(nèi)工作介質(zhì)的壓力在臨界壓力以上，溫度低于臨界溫度時(shí)為液體，高于臨界溫度時(shí)為氣體；在臨界壓力和臨界溫度以下時(shí)，有一相變的氣液兩相區(qū)，溫度高于壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)為氣體，低于

3、飽和溫度時(shí)為過冷液體。如果壓力高于臨界壓力，它的換熱特點(diǎn)是分為預(yù)熱段（臨界溫度以 下）和蒸發(fā)段（臨界溫度以上）兩個(gè)區(qū)段，沒有兩相共存的汽化階段。因此，介質(zhì)的壓力和溫度決定汽化器的設(shè)計(jì)方案，不同的流態(tài)傳熱特性有很大差別，需分別考慮、計(jì)算。 本文選定的空溫式汽化器為L(zhǎng)NG高壓汽化器，LNG進(jìn)口溫度為-162，工作壓力為25MPa。所以，LNG在星型翅片導(dǎo)熱管內(nèi)吸熱經(jīng)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(dǎo)熱管結(jié)構(gòu)示意圖按照熱力學(xué)第一定律，汽化器的汽化過程中吸收的總熱量，有如下關(guān)系式： ()()nQQhhmQglinout+=-=(1)Q為星型翅片導(dǎo)熱管在單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量

4、KJ/s m為單位時(shí)間內(nèi)汽化液體質(zhì)量Kghout為汽化器出口氣體焓值KJ/kg hin為汽化器進(jìn)口液體焓值KJ/kgQl為單排星型翅片導(dǎo)熱管液相區(qū)單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量KJ/s Qg為單排星型翅片導(dǎo)熱管氣相區(qū)單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量KJ/sn為星型翅片導(dǎo)熱管的排數(shù) 3傳熱系數(shù)的確定 空溫式汽化器管內(nèi)流動(dòng)著低溫液體，液體吸熱產(chǎn)生相變。同時(shí)星型翅片導(dǎo)熱管表面溫度低于周圍環(huán)境空氣的露點(diǎn)溫度，星型翅片導(dǎo)熱管表面結(jié)霜，不同相區(qū)霜層厚度不同，導(dǎo)熱熱阻也不同。汽化器從開啟到正常運(yùn)行傳熱與熱阻要經(jīng)歷非穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個(gè)階段：在非穩(wěn)態(tài)階段霜開始形成時(shí)表面粗糙度增大，引起傳熱面積增大，同時(shí)氣體流速也增大，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，汽化器表面

5、的霜層厚度要比非穩(wěn)態(tài)時(shí)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(jìn)而增大傳熱熱阻。因此，汽化器工作時(shí)相同的產(chǎn)氣量在穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)需要的傳熱面積要大，作為計(jì)算的上限值，而非穩(wěn)態(tài)不考慮結(jié)霜的傳熱面積作為計(jì)算的下限值。 低溫工質(zhì)的傳熱過程十分復(fù)雜，本文對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。 (1)沿管程分為兩段：?jiǎn)蜗嘁后w對(duì) 流換熱區(qū)、單相氣體對(duì)流換熱區(qū)； (2)各相區(qū)采用均相模型；(3)傳熱管壁僅考慮徑向?qū)??？倐鳠嵯禂?shù)按照下式確定： bh aldldlda044221111 1 1 + += fRK(2) 其中，總傳熱系數(shù)中構(gòu)成值由下式推導(dǎo)而得出： 3 3033302)1(2,)

6、tanh(dladdlah+= bmmhmhRf為污垢熱阻m2K/Wd1為星型翅片導(dǎo)熱管壁厚m1為星型翅片導(dǎo)熱管導(dǎo)熱系數(shù) W/(mK) d2為霜層厚度m 2為霜的導(dǎo)熱系數(shù)W/(mK)d3為翅片厚度m 3為翅片導(dǎo)熱系數(shù)W/(mK)d3為不銹鋼內(nèi)襯厚度m4為不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)W/(mK)為翅片的總效率 0為空氣對(duì)流換熱系數(shù) W/(m2K) 1為管內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù) W/(m2K) b為翅片寬度mh為翅片高度m為肋化系數(shù) 因?yàn)殇X和不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大 于管外空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中將(2)式中的 4 4 11ldld和項(xiàng)略去，最后得到如下公式：bh alda02211 1 1 + +

7、= fRK(3) 3.1空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)0的確定 由于結(jié)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(shù)0=(1.21.3)w，w為汽化器未結(jié)霜時(shí)的外表面換熱系數(shù)?？諟厥狡鞫疾捎眯切托切统崞瑢?dǎo)熱管，對(duì)于星型星型翅片導(dǎo)熱管可按空氣對(duì)平壁的自然對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式來求解w。 層流(Ra=GrPr=21048109)： 4/1Pr)(54.0=GrNu(4) 紊流(Ra=GrPr=810981011)： 3/1Pr)(54.0=GrNu(5) 其中格拉曉夫準(zhǔn)數(shù)Gr由下式確定： 2 3 nbTlgGrD=(6) Ra為瑞利數(shù)Pr為普朗特?cái)?shù)Nu為努謝爾特?cái)?shù)為體脹系數(shù)1/Kg為重力加速度m/s

8、2 下載文檔到電腦，查找使用更方便1下載券8人已下載下載 還剩2頁(yè)未讀，繼續(xù)閱讀 定制HR最喜歡的簡(jiǎn)歷我要定制簡(jiǎn)歷 l為星型翅片導(dǎo)熱管長(zhǎng)度mT為流體和管壁間溫度差K為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)W/(mK) 由式(7)求得星型翅片導(dǎo)熱管未結(jié)霜時(shí)外表面對(duì)流換熱系數(shù)： l Nu wl a=(7) 3.2霜層導(dǎo)熱系數(shù)2的計(jì)算 研究表明霜層導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于密度，但也取決于霜層的微觀結(jié)構(gòu)，它是霜層結(jié)構(gòu)、霜層內(nèi)溫度梯度引起水蒸氣擴(kuò)散及凝華潛熱釋放和霜表面粗糙度引起渦流效應(yīng)相互作用的結(jié)果。目前應(yīng)用最廣泛的是：Yonko和SepSy提出的導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式：2=0.02422+7.21410-4fr+1.179710-6fr

9、2(8) fr為霜的密度Kg/m3，霜的密度fr主要與霜層表面溫度Tfr和風(fēng)速ufr有關(guān)。 霜層密度由下式確定： rur Tfffr25340455 .0+=r(9) 空溫式汽化器在工作過程中都會(huì)結(jié)霜，前幾排管子的結(jié)霜一般較嚴(yán)重，而后幾排管子的結(jié)霜相對(duì)較輕。在相同的換熱面積的情況下，星型翅片導(dǎo)熱管間距越大、管排數(shù)越少、表面結(jié)霜速度就越慢，但是管排數(shù)減少會(huì)影響汽化器的緊湊性。因此，空溫式汽化器要充分考慮其結(jié)構(gòu)的合理性，在 對(duì)汽化器的體積要求不是很嚴(yán)格的情況下，可以適當(dāng)增大星型翅片導(dǎo)熱管間距、減少管排數(shù)來減少結(jié)霜。3.3管內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù)1計(jì)算 由流體的物性參數(shù)求得雷諾數(shù) m nr D= Re，

10、判斷流體是層流還是湍 流，然后根據(jù)流態(tài)計(jì)算流動(dòng)摩擦系數(shù)。因?yàn)?，管?nèi)流體采用分區(qū)計(jì)算的方法，所以計(jì)算參數(shù)也應(yīng)按相應(yīng)流態(tài)選??；摩擦系數(shù)f決定于壁表面的粗糙度Ks和Re。 層流時(shí)：認(rèn)為粗糙度對(duì)于換熱的影響可忽略，摩擦系數(shù)僅與雷諾數(shù)有關(guān)，由下式確定： Re 64 = f (10) 湍流時(shí)：由相關(guān)表中查得粗糙度后，由式(11)或簡(jiǎn)化式(12)、(13)計(jì)算湍流摩擦系數(shù)，對(duì)于已有的實(shí)際設(shè)備，可以用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出流體進(jìn)出口的壓力降，根據(jù)壓力降和磨擦系數(shù)之間的關(guān)系式(14)求出湍流摩擦系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式如式(16)所示。 2 74.1Relg2- + =Ksf(11) 25.0Re316.05000R

11、e3000-=f，(12)2.0Re184.05000Re-=f，(13) 2 2 m uDlf pr=D(14)8 Pr3/2f St= (15)pmcuSt=ra1(16) D為管段的直徑m為密度kg/m3v為體積流速m3/s為動(dòng)力黏度pas cp為比定壓熱容KJ/(kgK)um為流體的截面平均流度m/sSt為斯坦頓數(shù)Pr為普朗特?cái)?shù) 4傳熱面積計(jì)算 Q=(KlA1T1+KgAgTg)n=(hc-hin)+(hout-hc)m(17)Kl、Kg分別表示液相區(qū)和氣相區(qū)的換熱系數(shù)W/(m2K) Al、Ag分別表示液相區(qū)和氣相區(qū)的換熱面積m2 hc為L(zhǎng)NG在臨界點(diǎn)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(jì)算，T分別取進(jìn)出口溫度與臨界溫度的差值。 5結(jié)束語(yǔ) (1)對(duì)于汽化壓力高于介質(zhì)臨界壓力的星型翅片導(dǎo)熱管汽化器，可分為2個(gè) 傳熱區(qū)進(jìn)行計(jì)算，即單相液體對(duì)流換熱區(qū)和單相氣體對(duì)流換熱區(qū)。這樣不僅使模型更接近實(shí)際情況，使設(shè)計(jì)更加合理準(zhǔn)確，也便于工程計(jì)算。(2)對(duì)于汽化壓力低于介質(zhì)的臨界壓力的星型翅片導(dǎo)熱管汽化器也可以采用分區(qū)計(jì)算的方法，將其分為單相液體對(duì)流換熱區(qū)、氣液兩相對(duì)流換熱區(qū)和單相氣體對(duì)流換熱區(qū)3個(gè)傳熱區(qū)進(jìn)行計(jì)算. (3)低溫工況下星型翅片導(dǎo)熱管汽化器表面容易發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象，為了提高星型翅片導(dǎo)熱管汽化器的換熱效率，可以對(duì)汽化器定期除霜，或采