空冷器的设计讲解

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35 Mpa，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。

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
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：
b－翅片平均厚度，m ；
b =0.5(b
p +b
r
)
b
p
翅片顶部厚度，m ；
b
r
翅片根部厚度，m ；
d－光管外径，m ；
D－翅片外径，m ；
d
r
－翅片根部直径，m
H－翅片高度，m ；
S－翅片间距，m ；
S
T
－翅片管横向管心距，m ；
S
L
－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：
o r
f A A
A+
＝
ε（4.2-1）
式中：ε
－翅化比
A
f
－翅片表面积，m2；
A
r
－翅片根部面积，m2；
A
o
－光管外表面积，m2。

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：
E f ＝
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：
b
h H 1632.0092.1E m o
f •λ-= （4.2-2） 式中：E f －翅片管的传热效率 H －翅片的高度，m ；
h o －翅片管对空气侧的传热系数，W/(m 2.K)
λm －翅片材料的导热系数，对于铝 为203.5 W/(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， E f =1.092-0.1736 U F 0.359 低翅片效率， E f =1.092-0.1298 U F 0.359 式中的U F 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，
0.76
0.780.80.820.840.860.880.90.920.94 2.3
2.5
2.8
3.2
3.5
迎面风速m/s
翅片效率
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：
b
r
f f A A A +εE ＝
（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：h 0 － 管外侧的传热系数 W/m 2.K
ε
μ
ρλ718
.0296.0333.0718.0282.0718.00
)()(1378.0F
r
r U H
S p a d h -=
Pr －空气的普兰特准数；λ
μ=C Pr ； 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) ;
U F －标准状态下的迎风面风速，m/s ； ρ－空气密度，kg/m 3 ；
S-翅片净间距，m H-翅片高度，m d r -翅根直径，m
ε－ 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。

)
(75.0a r r d D S
b
d ---=
T T
S S (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）
ε
718
.0296.0718.0282.00)(69.8F r U H S a d h -=
200
400
600
800
1000
1200
1400
1.5
2
2.5
3
3.5
4
管外侧传热系数 W /(m ^2.K )_
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 ）： h 0=441.51U F
0.718
低翅片管（翅片高H=12.5mm ）: h o =395.11U F 0.718
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E f =0.85;低翅片管的翅片效率E f =0.9
翅片间距S=2.31mm
2、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-0.318
2
515
.0
927
.0
r
T
2
)
(
)
d
S
(
s
L
T G
n
S
S
ρ
⨯
-
（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：
△P s=0.0678 N t S T-0.927a1.684U F1.684（4.2-7）
式中：△P
s
－管外侧静压降，pa
N
t
－沿气流方向翅片管的排数；
S
T
－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；
U
F
－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。

5
10
15
20
25
1.5
2
2.5
3
3.5
4
静压降 m m 水柱
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、运输费和安装费，即一次投资；二是操作费。

在一定热负荷条件下，空冷器的费用与管外侧传热系数、积垢热阻、空气量及压力降有关。

根据已知的工艺条件可计算某一组翅片参数下的空冷器换热面积和功率消耗，
前者可计算出一次投资费用，后者可计算出操作费用。

两者相加即可得出总费用。

经过对各组翅片参数下总费用的比较，便可找出相同工艺条件下费用比较合理的一组翅片参数。

下面就各个参数对费用的关系作一个定性的分析。

为翅片管参数的选择提供参考。

（1）翅片高度
翅片面积愈大，折合到光管外表面的膜传热系数也就愈高。

因此当管内的膜传热系数较高时，采用高翅片管对提高总传热系数的效果也愈显著。

所以应根据管内传热系数的高低选择翅片管的高度。

参见表 4.2－1
表4.2－1 翅片高度的选择
（2）
翅片管的单位长度传热面积与片距成反比，在一定风速下，翅片管所能传递的热量与换热面积成正比。

也就是说，片距愈小传递的热量愈大，同时压力降也愈大。

表4.2-2为迎面风速为2.8m／s、管心距为62mm、翅片外径为57mm的条件下，片距的变化对管外传热系数、压力降、总费用的影响。

管外传热系数变化趋势 1 0.93 0.87 0.80 0.73
压力降变化趋势 1 0．89 0．78 0．67 0．59
总费用变化趋势 1 0.98 0.97 0.97 0.97 注：上表的评价是以翅片距2.3mm为基准的。

从表4.2-2看出，在一定风速下，管外传热系数及阻力降随片距增大而下降的幅度较大。

在计算总费用时，假定管内的传热系数为700 W/(m2K).从总费用的变化趋势可以看出，费用逐渐下降，当片距增到某一值时就不再下降了，因为设备费用的增加与操作的减少几乎相等，故总费用几乎不变。

当然，当管内条件改变时，最
低费用值的片距可能会出现在别的地方。

针对上述情况，翅片管间距的改变对总费用的影响不大，当管排数在4以下，管外压力降在风机的许可范围之内时，可以采用S＝2.3 mm 的常用片距。

当管排数较多，为了降低管外侧压力降，宜采用片距较大的翅片管。

（3）翅片管管心距
按照以上的工艺条件考查翅片管排列的管心距对传热系数、压力降和总费用的影响，其结果列于表4.2-3。

从表4.2-3看，一台冷却一定热负荷的空冷器，其传热系数、压力降和总费用随管心距的增大而下降。

传热系数和总费用的下降速率相同，压力降的下降速率较快。

从而可以看出适当增加管心距对空冷器是有利的。

此外，管心距增大，压力降减少也降低了空冷器噪声。

表4.2-3 管心距对给热系数、压力降及费用的影响
管心距，mm 60 61 62 63 64 65 66 67
管外传热系数变化趋势 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 压力降（四排）变化趋势 1.00 0.96 0.92 0.88 0.85 0.81 0.79 0.75 总费用变化趋势 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93
（4）管排数
管排数对投资及操作费用影响较大,表4.2-4列出了管排数对设备费用的影响。

从表中可以看出选用多管排数较为经济。

排数少，传热效果好，所需面积略小，但占地大，单位传热面积造价高，同时由于空气温升小，风量就要大。

当管内介质传热系数小，则管排数应适当增加。

但管排数过多，对数平均温差降低，传热面就增大，同时气流阻力损失增加，电机的功率也就上升；当管内传热系数较高时，要尽量减少管排数并提高风速，从而获得较大的管外侧传热系数。

因此设计时对管排数要进行合理选择。

可根据管内介质及介质温度变化范围参考4.2－4、表4 .2-5和表4.2-6选择管排数。

如空气温升小于15－20℃，则应适当增加排数。

表4.2-4 管排数对设备费用的影响
表4.2－5 依据管内介质选用管排数
（6）迎风面速度的选择
管束迎风面的面积S F为管束外框内壁以内的面积，一台空冷器的迎风面积近似于管束宽B乘管长L及管束数N S。

空气在标准状态（指P=0.1013MPa，t=20℃）下通过迎风面的速度简称为标准迎风面速度。

在设计计算中，用迎风面的风速作为基本参数，比用通过管间的实际风速要方便得多。

迎风面风速的选择要适当，风速过高会使得空气侧的压力降太大，风机的功率消耗大；相反，风速太低，则会使得传热速率低，换热面积增加。

另外，风速的选择还应与风机的性能相适应。

对目前国产L、LL、KLM、G翅片管，采用鼓风式空冷器时，推荐的迎风速
度列于表4.2－7。

当采用引风式空冷器时，因风机入口处空气温度较高，为了节省动力可采用较低的迎风速度，但空冷器的传热面积要稍大一些。

表4.2－7 推荐的迎风速度
（7）. 管程数的选用
1) 气体或液体冷却时，在满足允许压力降条件下应尽量提高流速，一般液体流速在0.5 ~1.5m／s之间，气体质量流速在5 ~10kg／m2·s左右，管内流体处于湍流流动状态最为有利，因此选用二以上的管程数比较适宜。

2)对于冷凝过程，如果对数平均温差的校正系数大于0.8，可采用一管程
否则（如：含不凝气时）应考虑采用两管程或多管程以提高管内流速。

4-3计算步骤概述
1 估算传热面积
（1）首先要依据工艺条件计算出总热负荷。

（2）根据经验选取总传热系数
（3）根据总传热系数估算空气出口温度
（4）计算平均温差
（5）估算出所需的传热面积。

空冷器的设计过程是一个猜算过程，按估算的传热面积，初步确定空冷器总体结构、管束和构架、风机的参数；
2空冷器总体设计
(1)管束的长度
一般般情况下，管束的长度应为为下列长度之一：3、4.5、6、9、10.5、12。

单
位为m.。

（2）管束的宽度
管束的宽度可根据下式计算：
C D N A S A B P
o T
R ++=
.. 式中 B-管束的计算宽度，mm
A R –管束的估算光管面积，m 2
A o –管束翅片管的单管光管面积，m 2 N P -管排数
S T -翅片管横向管心距,mm D-翅片外径.mm
C-包括管束边梁侧板厚度和翅片与侧梁间隙在内的横向尺寸，一般为20 ～30 mm 管束的长度和宽度应与所选的构架相适应。

否则应进行调整。

管束的宽度应与构架相适应，例如放置空冷器的构架6m 时，最好选用2个宽度为3m 或3个2m 的管束。

如果拼凑这些尺寸有困难时，也可按计宽度设计管束和构架。

（3）构架参数
构架的跨度要比管束的长度短300mm .。

主要考虑管束的进出口管嘴的安装方便。

构架的宽度与管束的宽度一致。

（4）风机参数
根据构架的尺寸初步选定风机的直径、台数，同时应使构架的风箱应有足够的高度，保证风机扩散角不大于45o 。

3管束参数确定
（1） 翅片管的参数：型式、高度、片距、片厚、光管外径、管心距等 （2） 管束的参数：管束的长度和宽度、管排数、管心距、管程数、光管面积、
管程流通面积等 （3） 管束的迎风面积
（4） 管束的通风面积与迎风面积之比 管束中的流通面积与迎风面积之比为
S
S S
bH b d S S T o F o ./5.1)2(1++-=
S o-通风面积，
S F-迎风面积
S T-翅片管中心距
S-翅片间距
b-翅片厚度
H- 翅片高度
（5）管束的通风面积
4详细核算
依据已知条件和初定的管束参数进行精确的传热及压力降计算,将计算面积与所选用的面积进行比较，令其相对误差不大于给定的误差值。

若大于时需调整空冷器参数，重新进行计算，直到满足要求为止。

详细核算过程如下：
（1）计算管内膜传热系数
（2）计算管外膜传热系数
（3）计算总传热系数
（4）计算空气出口温度
（5）计算平均温差
（6）计算所需的传热面积
（7）计算面积余量，面积余量应在许可范围之内，余量一般为10～20%。

如果不满足此要求，则需从第一步中重新选取总传热系数，重复上计算过程，直至满足要求为止。

（8）计算管程压力降
管程的压力降应符合设计条件要求，否则应重新设定管程数，自第二步开始重新计算，直至压力降满足要求为止。

5 风机计算
（1）计算风量。

（2）计算管束的管外压力降。

（3）计算风机轴功率、电机功率。

若管束的管外压力降超过风机的承受能力，则要重新设定管束参数，如加大翅片片距
或管间距。

重新进行计算，直至满足要求为止。

6 噪声计算
计算结果若超过设备的额定值，则需调整风机参数，甚至需调整空冷器型号，再重新计算之。

4.4 液相冷却的空冷器设计
4.4.1计算步骤
（1）根据总体设计的要求，考虑该项目使用空冷器的合理性。

进行选用空冷还是水冷，选用干空冷还是湿空冷，是否设置后冷器等项的分析比较；
（2）确定设计条件，如确定空气设计温度；
（3）计算热介质需要冷却的热负荷；
（4）按空冷器估算方法计算所需的传热面积，初选空冷器的参数及台数；
（5）按初选设备进行详细核算。

计算管内、外膜传热系数及总传热系数；
（6）计算空气出口温升，空气的出口温度及有效平均温差；
（7）详细计算所需的换热面积，对计算面积与选用面积进行比较，若相对误差小于给定的误差值，则计算结束，否则需调整空冷器参数，自（4）重新计算，直
至满足要求为止；
（8）根据空冷器管束面积初选风机型号及台数；
（9）计算管程压力降
（10）按选定的风机型号计算全风压、叶片角度、风机轴功率、电机功率及噪声等。

如果计算结果超过所选风机的额定值，则需调整风机或空冷器型号，重新自（4）算起，直至满足要求为止。

（11）计算空冷器噪声。

4.4.2 液体冷却过程计算例题
1 已知条件：
介质：航煤，馏程为130~230C
质量流量：67000kg/h
进口温度：165℃
出口温度：55℃ 入口压力：0.2Mpa 允许压降：60kPa
结垢热阻：0.000173 m 2.K/W 介质物性：
比重：ρ204＝0．776； 特性因数；K F =12．1 粘度，μ135=0.388×10-3 pa.s μ50=0.714×10-3 pa.s
进口热焓 H l 1＝412.4KJ/kg 出口热焓 H l 2 146.5KJ/kg 热流冷却的热负荷 ：
Q R =W i (H l l -H l 2) =67000/3600*(412.4-146.5)*1000=4947983.5 W
空气设计温度：t 1=35℃ 空气设计最低温度 ：t=-10℃ 空气侧污垢热阻：r o =0.00018 m 2K/W 海拨高度：50m 2 估算传热面积
（1）估算空气出口温度t 2：
据表3.2－6选取经验总传热系数K 0＝400W ／（m 2·K ） t 2=t 1+0.88×10-3·K 0·F f ·（
12
12
t T T -+）℃ 由热流温差＝165－55＝110℃
从图3.2－1查出F f ＝1.17 代入上式得 t 2＝35＋0.88×10-3×400×1.17×（352
55
165-+） ＝65.77℃ （2）对数平均温差：
355577
.651651)
3555()77.65165(1)(1
22121-----=
---=
∆n t t t T n
t T Tm ＝49.46℃
（3）估算换热面积： A R ＝08.25046
.494005
.4947983=⨯
3初步选取空冷器规格参数 管束长：L=9m 管束宽B=2.5m 管束数量n=2 管束参数： 翅片型式：L 型 管排数N t =6 管程数N p =6
光管外径：d=25 mm 光管内径：di=20 mm 翅片高：H=16 mm 翅片间距：S= 2.31 mm 翅片厚度：b=0.4mm 每米长度的翅片数：433 管心距：S T =63.5 mm 每m 翅片面积A f =1.84m 2 每m 光管面积Ao=0.07854m 2 翅化比ε=25.41 迎风面积S F =22.05 m 2
通风面积与迎风面积之比a=0.528 管子数 n=228
管束面积A=160m 2
管程流通面积：S i =0.011932 m 2 构架规格：9*5 风机直径D=3.6m 风机数量：2台 通风方式：鼓风式
注意：选用面积比初估面积需留10～20％的余量。

4 详细核算传热面积 (1)计算管内膜传热系数 定性温度
T D ＝0.4T 1＋0.6T 2
＝0.4×165+0.6×55=93.5℃ 定性温度下的物性: 比热：C P ＝2.35kJ/(kg ·K) 导热系数：λ＝0.143W/(m ·K) 重度：ρ＝715kg/m 3 μ＝0.44×10－3pa ·s 质量流速
s m kg Si Wi Gi ⋅=⨯=⋅=2/88.7792
*011932.0360067000
3600
雷诺数
36.354711044.088
.77902.0Re 3
=⨯⨯=
⋅=-μ
i
i G d
勃兰特准数
Pr ＝22.7143
.01044.01035.2)(33=⨯⨯⨯=⋅-λ
μp C
管内膜传热系数
首先假设壁温正系数φ＝1.0，按式（3.2－29）计算： h i =0.027
333.08.0333.08.0)220.7()36.35471(025
.0143
.0027.0(Pr)(Re)⨯⨯
=o
d λ
=1302.28W/(m 2K) (2) 计算管外膜传热系数 按勃利格斯关联式进行详细计算。

定性温度
空气出口温度先按估算法求出的值。

所以定性温度为 t D ＝0.5*（t 1+t 2）=0.5 *(35+65.77) =50.39℃ 定性温度下的物性 空气比热：с a = 1009J/(kg·K) 导热系数：λa =0.0285W/(m·K)
粘度：μ a =0.0195厘泊＝0.0195×10-3Pa·s 重度：ρa =1.093kg/m 3
按所选的 6管排， 取标准迎风速U NF ＝2.5m/s 。

迎风面面积：
S F ＝L ×B ×N S ＝22.05×2＝44.1m 2 标准状态下的风量
V ＝U NF ×S F ×3600＝2.5×44.1×3600=396900m 3/h 空气的流通面积为：
So=0.5286×S F =0.53×44.1=23.31m 2 空气的质量流率 G max =
s m kg ⋅=2/699.53600
*31.23205
.1*396900
翅根外径d r =0.0258m Re=
6.754010
0195.0699
.50258.03
max
=⨯⨯=
⋅-μ
G d r 勃兰特准数
Pr ＝69.0285
.0100195.010093=⨯⨯=-a
a
a C λμ
翅片效率
E f =1.092+0.1376U
F 0.359=1.092+0.1376*2.50.359=0.9
有效翅化比
ε=(E f .A f +Ao)/Ao=(0.9*1.84+0.07854)/0.07854=22.02
管外膜传热系数 ho=0.1378
ε⋅296.0296.0718.0)((Pr)(Re)
s
do λ
=0.1378
02.22)16
4.031.2()69.0()6.7540(0258.0028
5.0296
.0333.0718.0⋅- =960.2W/(m 2·k) 壁温校正系数 管壁温度为 t w =
7.7539.50)39.505.93(2
.96012.136412
.1364)(=+-+=+-+d d d o io io t t T h h h
壁温下介质的重度及粘度。

ρ=725 kg/m 3 μw =0.71厘沲
μw ＝0.725×0.71×10-3=0.5148×10-3pa·s ∴φ＝（978.0)5148
.044.0()(14.014.0==w D μμ (3) 总传热系数 g p f o i
o i i o r r r r d d r h h K ++++++=
)1
(11
φ
取r i =0.00017m 2·k/w r o =0.00018 m 2·k/w (r f +r p )=0.00024423 m 2·k/w 间隙热阻为r g =
00010051.0%101
=⨯o
h m 2·k/w
∴0005247.002
.0025
.0)00017.028.1302978.01(2.96011
+⨯+⨯+=
K
=390w/(m 2·k) (4) 有效平均温差 计算空气温升 ∆t=
13.391000
005.1093.15.2*205.225
.4947983=⨯⨯⨯⨯=
⋅p
F F C U A Q ρ
空气出口温度为： t 2=35＋39.13＝74.13 对数平均温差
℃82.46355513
.741651)
3555()13.74165(1)()(1
2211221=-----=-----=
∆n t T t T n
t T t T Tm
温度效率：
3.035
16535
13.741112=--=--=t T t t P 2 温度相关系数 81.23513.74551651221=--=--=
t t T T R 查 图3.2－9得F T ＝0.95 有效温差:
△T ＝△Tm*46.07＝46.82*0.95=44.48℃ (5) 传热面积 59.28448
.443905.4947983=⨯=∆⋅=
T K Q A o R R m 2
实际选用面积余量 %4.12%10059
.28459
.284320%100=⨯-=⨯-=
R R F A A A C 面积余量在许可范围之内. 5 管程压力降计算
沿程压力降：
∆Pt ＝⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅⎥⎦⎤⎢⎣⎡φρi i D i f d Nt L G 22
其中 f i =0.4513(Re)-0.2653=0.4513(35471.36)-0.2653=0.02888
∆Pt ＝
kpa 91.331000
*978.002888
.002.069715288.7792=⨯⨯⨯⨯ 管箱压力降：
∆Pr=[][]641000*715288.7794222⨯⎥⎦⎤
⎢⎣⎡⨯=⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡t D i N G ρ
=10.21kpa 进出口压力降：
进出口各二个，公称直径为100 mm 。

kPa G P D N N 37.01000
*715*271.592*5.125.12
2
===∆ρ
其中 s m kg d n W G N
i
N ./71.5923600
*1.0*4
*
2*267000
.4
.222
===
π
π
管程总压力降：
∆P i =∆P t+∆Pr+△P N =33.91+10.21+0.37 =44.49kpa 管程压力降在许可范围之内。

6 风机计算
根据风机的选择原则，估选风机为：G －TF36R4型风机2台，叶轮直径为3.6米。

由于控制噪声的需要，叶尖速度选为50米／秒。

故风机的转数为
n=
6
.31416.350
6060⨯⨯=⋅t t D V π≌265.26转／分 全风压
通过管束的压力降∆P st
∆P s =f·N B ·D G ρ2max
2
f=37.86(
515
.02
1927.01316.0max
)()(
)S S d S G d r r '⋅⋅⋅--μ
=37.86001.1)5.063.05.063.0()0258.05.063.0()10
95.138.50258.0(
515
.0927.0316.05
=⋅⋅⨯⨯--- ∆P s =1.001×6×
pa 488.79093
.1238.52
=⨯ 风机动压头
∆P D ＝B B
U ρ⋅2
2 U B ＝
64.52
6.3785.05
.2*1.443600785.02
2=⨯⨯=⋅⋅⋅F f o n D V 米／秒 ∆P D ＝pa U B B 34.16146.12
64.622
2=⨯=⋅ρ 其中 ρB ＝1.2053/146.135
273293
m kg =+
全风压
H ＝∆Pst ＋∆P D ＝79.488＋16.34＝95.83 pa 电机功率为：
该装置海拔50米，∴F L ＝1.01 )()
20273273)(
)((1
1
3
21L o F t V H N ++⋅⋅=
ηηη
＝
01.1)293
35
273)(25.2*1.44)(83.95(65.086.095.01⨯+⨯⨯
＝10.77 kw 其中：风机效率：η1=0.65 传动效率：η2=0.86 电机效率：η3=0.95
冬季最低气温-10℃，此时的功率消耗为
N=N o (273+t 1)/(273+t 3)=10.77*(273+35)/(273-10)=12.61 kW
电机额定功率选用17 kw，用皮带传动。

7 噪声计算
L p=35.8+30logV t+10logN z-20logD f
=35.8+30×log(50)+10log(10.77)-20log(3.6)
=86.08分贝
由于2台风机同时操作，总噪声值应为：
L p总＝86.08+3=89.08分贝
2台共同操作时也已满足石油化工企业部部标准SH3024－1995《石油化工企业环境保护设计规范》中，空冷器总噪声应低于90分贝的规定。

4.5 气体冷凝冷却空冷器设计
4.5-1气体冷凝冷却过程分类与特点
气体冷凝冷却过程可分为三类。

一是单纯的气体冷却过程，这一过程的特点是气相冷却，被冷却介质只是温度下降而不发生相变过程。

二是可凝气的冷凝过程。

被冷凝的气体在冷凝过程中由气体变成了液体，物理形态产生了变化。

三是含不凝气的冷凝冷却过程。

这是一个较为复杂的过程，即既有不凝气的冷却又有可凝气体的冷凝，它是上述二个过程的综合。

其难点之一是管内的传热量的计算，要通过闪蒸平衡计算出各点的热量及汽化率，然后求出总热负荷。

难点之二是管内的传热过程是两相传热，它的传热系数计算较为烦杂。

4.5-2 气体冷凝冷却器设计应采取的措施
1气体冷却过程的措施
（1）采用低翅片管
由于单纯的气体冷却过程的传热系数较低，热阻较大，管外侧的强化传热意义不很大，因而可以采用翅化比较小的低翅片。

（2）强化管内的传热
由于管内的气体的传热数低，因而应该尽可能地提高管内的流速以强化管内侧的传热。

单纯的气体冷却过程不产生凝液，无冰冻现象，因此不用考虑防冻措施。

2 可凝气冷凝的措施
（1）采用高翅片管。

单纯的可凝气冷凝，是一个快速的相变放热过程。

管内的传热系数很大。

为了适应管内的传热状态，管外应采用高翅片管。