空气压缩热利用热管换热器的设计计算(互联网+)

空气压缩热利用热管换热器的设计计算

杨宝莹

摘 要： 热管技术以其独特的技术在很多领域得到了广泛的应用，在压缩热领域热管技术也逐渐受到重视，除了理论研究热管技术在压缩热领域的应用外，设计出合适的换热设备对热管在压缩热领域的应用也及其重要。热管换热器的计算内容主要有热力计算和校核计算。其中热力设计计算大致可分为常规计算法，离散计算法和定壁温计算法。空气压缩热利用热管换热器一般为气－气型换热器，文章主要针对气－气型热管换热器的常规计算法进行介绍，并给出了一个具体实例的计算结果，以进一步促进热管换热器在空气压缩热利用领域的应用研究。 关键词： 热管 压缩热 热力计算

1 引言[1][2][4]

热管换热技术因其卓越的换热能力及其它换热设备所不具有的独特换热技术在航空，化工，石油，建材，轻纺，冶金，动力工程，电子电器工程，太阳能等领域已有很广泛的应用，空气压缩热利用领域冷热流体温差小，因此热管技术也逐渐受到重视。根据实际需要设计出合理的热管换热器对于空气压缩热利用领域来说也极为重要。

同常规换热器计算一样，热管换热器的计算内容主要有两部分：热管换热器的热力计算和校核计算。在这里主要对热管换热器的热力计算做个介绍。热管换热器的热力设计计算目前大致可分为三类：常规计算法，离散计算法，定壁温计算法。常规计算法将整个热管换热器看成一块热阻很小的间壁，然后采用常规间壁式换热器的设计方法进行计算。离散计算法认为热量从热流体到冷流体的传递不是通过壁面连续进行的，而是通过若干热管进行传递，呈阶梯式变化，不是连续的。定壁温计算法是针对热管换热器在运行中易产生露点腐蚀和积灰而提出的，计算时将热管换热器的每排热管的壁温都控制在烟气露点温度之上。从而避免露点腐蚀及因结露而形成的灰堵。

压缩热利用系统要处理的对象压缩机排气或吸干机排气，都属于气态介质，因此空气压缩热利用热管换热设备为气－气热管换热器。本文将对空气压缩热利用气－气热管换热器的常规计算法的热力计算做个简要介绍，文中的一次空气是压缩机排气，二次空气是吸干机排气。

2 热管换热器的设计计算[3][4]

2.1已知设计参数

一次空气质量流量M h , 进出口温度T 1,T 11，二次空气质量流量M c , 进出口温度T 2,T 21。一般六个已知量中，只要给定5个即可，另一个参数可由热平衡方程算出，如需要，还需给出一、二次空气的允许压降，二次空气出口温度未知时的计算过程为： ①一次空气定性温度

T h =

2

'

11T T + (1) 查定性温度下的一次空气物性参数：定压比密度h

p C 导热系数h

λ粘度h

μ 普兰德数h

r P

②一次空气放出热量)('

11T T C M Q h

p h

h

-= (2)

③二次空气吸收热量h

c Q Q )1(η-= (3)

其中η为热损失率

④由一次空气温降可假设二次空气出口温度'

2T

⑤二次空气定性温度T c =2

'

2

2T T + (4)

查定性温度下的一次空气物性参数：定压比密度c

p C 导热系数c

λ，粘度c

μ 普兰德数c

r P

⑥校核二次空气出口温度c p

c c

C M Q T T +=2'2

(5)

2.2 基本选择 2.2.1工质选择

热管工质的选择主要取决于热管的工作温度，热管工作温度n

nT T T V ++=12

1 (6)

n 的取值见表1

表1 n 的取值

气-气型热管换热 当两侧流体和管长接近时 n=1 气-液型热管换热 当液体为水时

n=3-4

当液体为有机液体时 n=2-3 气-汽型热管换热 当相变流体为水时 n=4-5

当相变流体为有机物时

n=3-4

所选工质的主要要求为：

①应适应热管的工作温度，并有适当的饱和蒸汽压 ②与壳体，吸液芯材料应相容，且具有良好的热稳定性 ③应具有良好的综合热物理性质

④其它（包括经济性，毒性，环境污染等）

空气压缩热利用热管多采用氨作为工质。 2.2.2 壳体管材选择

壳体的作用是把工质与外界隔开，因此要防漏、耐压，并能向工质传热以及把工质的热量传出，且价廉易得。对壳体的要求主要为：

①与工质有良好的化学相容性，以免产生不凝结气体和腐蚀，影响热管的传热 ②导热系数高

③承压性能好，机械强度高，易于机械加工 ④与工质有良好的浸润性

空气压缩热利用低温热管换热器的管材多采用钢，磷铜、铝做原料。 2.2.3 放置形式和吸液芯的选择

根据需要选用分离式，重力式和水平式，水平式需要吸液芯，吸液芯的作用是产生毛细力，对吸液芯的主要要求为：

①与工质和壳体有良好的化学相容性 ②导热性能好

③与工质有优良的浸润性

④易于加工，与内壁能很好的吻合

吸液芯类型多采用的材料为不锈钢、铜、铝、镍等。 2.2.4 管外扩展表面的选择

根据要求选择合适的翅片结构，具体参数见表2（单位mm ）。

表2 管外扩展表面参数

光 管 内 径 d i 光管外 径d r 翅片外 径d f 翅片厚度δ 翅片间 距 t 翅片高

度H

2.3 结构设计

①热管迎面空气质量流速G 的确定

G h ，G c 的范围可在2.4-3.6kg/m 2s,对于气-气型换热器，一次空气和二次空气两端质量流速应满足

c h G G =538

.1)(c

h M M (7)

在任何一侧流体的G 值确定后，可由上式确定出另一侧流体的G 值。

②迎风面积A h =h h G

M (8) A c =c c G M

(9)

③热管长度

根据用户需求可先确定出热管一端的长度，再根据经济长度比确定另一端热管长度。

L 经=c h L

L =538

.0)( c h M M (10)

④迎风面高度E E h =h h L

A (11) E c =c c

L A

(12)

⑤迎风面管子根数B= T

h

S E (13)

实际迎风面高度E ’=BS T (14) 实际迎风面积 A h ’=E ’L h (15) A c =E ’L c (16) 实际迎风质量流速

G h ’=

'

h h A M (17) G c ’

='c c

A M (18)

2.4 传热系数的计算

① 最小流通面积NFA h =[(S T -d 0)-2(H ×δ×n f )]L h ×B (19)

NFA c =[(S T -d 0)-2(H ×δ×n f )]L c ×B (20)