缠绕管式换热器的简捷计算

缠绕管式换热器的简捷计算

曲　平　王长英　俞裕国

(大连理工大学化工学院,辽宁大连,116012)

摘要　建立了缠绕管式换热器简捷计算的数学模型。并对某厂各缠绕管式换热器进行了核算与扩产110%工况的计算。计算结果表明所建数学模型基本合理、可靠。

关键词　缠绕管式换热器　数学模型　简捷计算

缠绕管式换热器(CTH E )的发展与深冷技术

的发展密切相关,最早是由德国的林德公司于1898年制造。我国一些化肥厂引进了该公司生产

的这种类型的换热器。缠绕管式换热器的结构紧凑,传热效率高。其单位体积的换热面积大,适合深冷系统的换热。但其制造工艺要复杂一些,对材质的要求相对较高;此外,设备的清洗也比较困难。

文中建立了缠绕管式换热器简捷计算的数学模型。并对某厂的缠绕管式换热器进行了换热面积与压力损失的核算,计算结果表明了所建数学模型的可靠性,在此基础上,对扩产110%的情况进行了缠绕管式换热器的计算。本工作能够为装置扩产改造的核算提供参考依据。1　缠绕管式换热器模型的建立111　几何结构模型[1

]

图1

　缠绕管式换热器的几何结构示意图

图2　错流流动示意图

假设在壳侧流体流动方向上相邻两绕管间距为一常数,且相反缠绕方向的相邻两绕管的相对位置为x ,则有两个特征位置:

收稿日期:1998-01-13。

S m ax ={[(c +d )

2]2+(a +d )2}1 2

-d ,当x =(c +d )

2时(1)S m in =a ,当x =0时(2)相邻两绕管的间隙S m 将处于S m ax 与S m in 之

间,其计算公式:

S m =[2

(c +d )]∫

(c +d ) 2

S d x

(3)

积分结果:

S m =

a +d

2[1+(c +d 2a +2d )]1 2

+(a +d )2

c +d

·ln {

c +

d 2a +2d +[1+(c +d 2a +2d

)2]1

2}-d (4)壳侧流道截面积:S 0=D m ΠkS m -(S 1+S 2)

(5)其中:S 1=Πa 2

11010

7·k 4(6)S 2=Πc 2

(n -k )l

(410l c )(7)D m =D i +(k -1)a +kd +S m

(8)由壳侧流道截面积可求得壳侧流道的当量直径:

D e =410S 0 L

(9)浸润周边L =210(ΠD m +kS m )

(10)传热管的缠绕角为Α与缠绕管换热器的轴向管束

1998年 大　氮　肥

L arge Scale N itrogenous Fertilizer Industry

第21卷　第3期

长度l c 、缠绕圈数W j 的关系分别为:

l c =l sin Α

(11)W j =l co s Α (ΠD j )(12)各缠绕管层j 的中心圆平均直径D j 为:

D j =D i +(j -1)a +jd +2e

(13)

式中,e 是第1层绕管与芯筒之间的隔板厚度,m 。

对于多流股(共m 个)缠绕管换热器,设第i 流股的管长为l i ,管子根数为z i ,则总的壳侧换热面积为:

A 0=2m i =1

A i =Πd 2m i =1

z i l i (14)

112　壳侧传热膜系数模型[2]

缠绕管式热换器中,传热管在缠绕芯筒周围

介于隔板中间呈螺旋状依次缠绕多层,形成圆筒状盘管而构成流道。传热管的缠绕方向逐层相反,缠绕角与纵向间距通常是均匀的,且管长相同。因此,随着传热管缠绕直径的增加,各层传热管数目也随之成比例增加。这些盘管层所组成的管束,其壳侧流道形式因圆周方向位置的不同而变化,由于相邻两个盘管呈直列、错列的变化,则流道构成就变成管子布置为直列、错列组合排列时的管外流动的流道构成。

传热膜系数:

a 0=01338F tF iF n R e 01610P r 01333

0(Κ0 D e )(15)其中,F t ——管子排列(流道结构)修正系数;

F i ——管子倾斜修正系数;F n ——管排数修正系数。

F i =[co s Β]

-0161

{(1-

<90)co s <+<100

sin <}

< 235

(16)Β如图2所示,表示实际流动方向偏离盘管中心线方向的角度:

Β=Α(1-Α90

)(

1-k 0125)(17)<=Α

+Β(18)k —盘管的特性数,盘管层左右缠绕交替时,值取1;仅一个方向缠绕时,值取0。

F n =1-01558n +01316n 2-01112

n

3

(19)其中,n 是流动方向一条直线上的管排数。当

n >10时,可近似认为F n =1。

F t =(

F in-line +F staggerd

2

)(20)直列布置时的修正系数F in-line 与规则错列布置时的修正系数F staggerd 可由文献[2]查得。113　管侧传热膜系数模型[2]

从层流到紊流过渡的临界雷诺数:

(R e )c =2300[1+816(d i D m )0145

](21)

①当10010

Αi ={3165+0108[1+018(d i D m )019]R e i i

·P r i 01333

}(Κi d i )

(22)i =015+012903(d i D m )

01194

(23)

②当(R e )c

]R e i i P r i 01333}(Κi d i )

(24)i =018-0122(d i D m )

011

(25)

③当2200010

Αi ={01023[1+316(1-d i D m )(d i D m )018

]·R e 018i P r i 01333

}(Κi d i )

(26)114　总传热系数与总传热面积的计算

总传热系数K =

1

1 Α0+R 0+(bd ) (Κd m )+d (Αi d i )+R i d

d i (27)

总传热面积A =

Q

∗Εm ∃t m

(28)平均温差∃t m =

∃T 1-∃T 2

ln (∃T 1

∃T 2

)(29)

其中:∃T 1=T 1-t 2,∃T 2=T 2-t 1

Εm 为平均温差校正系数。115　压力损失的计算[2]11511　壳程压力损失

∃P 0=01334C t C i C n

nG 2

2g c Θ0

(30)传热管倾斜修正系数

C i =(co s Β)-118

(co s <)11355(31)管排数修正系数

Cn =019524(1+

01375

n

)

(32)

管子布置修正系数C t =

C in-line

+C staggerd

2

(33)

直列布置时的修正系数C in-line 与规则错列布置时的修正系数C staggerd 可由文献[2]查得。11512　管程压力损失

∃P i =

f i G 2

i 2g c Θi (l

d i

)(34)

摩擦系数

f i =[1+

28800R e i (d i D m

)0162]013164

(R e i )0125(35)

2　缠绕管式换热器的计算

用所建立的缠绕管式换热器的模型,对某厂

的几台缠绕管式换热器进行了核算,以验证其模型的准确度。在此基础上进行了扩产110%工况

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971·第3期曲　平等1缠绕管式换热器的简捷计算