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1、2001年第3期热管换热器的设计计算39热管换热器的设计计算摘要:简要介绍由冷热流体换热的工艺参数确定热管换热器结构参数的具体方法,从而设计出结构合理的热管换热器。关键词:热管换热器;结构参数;设计计算中图分类号:TQ051.5文献标识码:A文章编号:1005-8370(2001)03-0039-05热管换热器是由若干独立传热的热管按一定的Qcdv=1.640.5(1)排列方式所组成。热管及热管换热器的传热特性决γ(Pvρv)定了热管换热器具有很多优点和广泛的适应性,因式中:dv———管内蒸汽流
2、通截面的直径,m;[1]而热管换热器的应用很普遍。下面就热管换热器ρ3;v———管内蒸汽的密度,kg/m的结构参数设计内容作一些简要介绍。Pv———管内蒸汽的压力,Pa;γ———管内工质的汽化潜热,kJ/kg;1热管的参数计算Qc———声速限的传热量,kW。由于温度状态不同,ρv、Pv、γ值不同,从而dv不同,1.1热管管径的计算应选用最大者。实际计算时分别按工作状态(工作热管管径的大小对热管的性能有影响,即对热温度TV见1.3所定义)和启动状态(水作工质一般管换热器的性能有影响。对单管传热量来
3、说,管径取50℃时启动)两种条件进行计算。越大,传热面积就越大,单管传热量就越多;对热管1.1.2携带极限的管径传热热阻来说,随管径的增大,管外放热系数要下热管中从冷凝段回流到蒸发段的液体的一部降,热阻要增大(此项是热管传热的主要热阻),对传分,由于蒸汽流的流动将被携带到冷凝段,因而造成热不利;对热管的强度来说,在其他条件相同的情况蒸发段干枯,引起蒸发段过热,这一极限称为热管的下,管径越小,所能承受的管内压力就越高,管径小携带限。些有利。从以上看来,管径越小,热管换热器的性能对重力式无吸液芯热管
4、,携带极限的管径可用越好。但管径的大小还直接影响了管内流通面积的下式计算:大小,从而影响着热管的几项传热极限。受流通截1.78Qent面影响最为显著的传热极限有两个,一个是声速极dc=1-1/4-1/4-2限,另一个是携带极限。πγ(ρL+ρV)·[g·σ(ρL-ρV)]41.1.1声速极限的管径(2)在热管的加热段如果增加输入的热量超过一定式中:dc———蒸汽通道截面直径,m;值时,工质蒸汽流在加热段的出口处达到音速,便出Qent———携带极限传热量,kW;现蒸汽流量的阻塞现象。由此现象产生的
5、传热量的γ———工作状态下工质的汽化热,kJ/kg;3界限称为音速极限(声速限)。ρV、ρL———工作状态下工质汽、液密度,kg/m;对以水为工质的热管,根据声速限计算热管管σ———工作状态下工质液表面张力,N/m;2径可用下式:g———重力加速度,m/s。40纯碱工业1.1.3管径的选择步骤式中:L1、L2———分别为加热段和冷却段的热管长首先,以声速极限和携带极限作为控制因素,按度,m;照管的设计热负荷的1.5～2倍,由式(1)和式(2)来K1、K2———分别为热端和冷端的传热系数(见2计算
6、热管的最小管径,所选管径必须大于两者中的2.3中所定义),W/m·K。最大者。对于气—气型热管换热器,90%以上的传热热其次,参照已有设备的管径进行选取,管径、管阻集中在管外放热侧,因此上式可简写成长和单管传输热功率的经验关系如表1。在设计计K2αM1-0.5382L经=≈=(5)算之前,可根据实际情况由表1估计传热量Q值及K1α1M2管径do,再由式(1)和式(2)验算管内径di是否满足式中:α1、α2———分别为热端和冷端的管外给热系数要求。2(见2.3中定义),W/m·K;M1、M2———
7、分别为热流体和冷流体的质量流表1管径、管长与单管传热功率的经验关系量,kg/h。加热段的长度(mm)单管传输功率(kW)管径do(外径)(mm)在计算时,需先确定L经,再根据传热原理求500～1000<116～25K1、K2。为此,可先估计K1、K2值,估算出L经,再进1000～2000<325～32行精确的传热计算。K1与K2值可按表2估计。2000～3500<732～60表2K1、K2估计值与管外传热特性的关系最后,由强度计算进行核算,看所选的管径能否外部换热特点从管外到管内的传热系数K1(
8、K2)气体在翅片管外对流40×βW/m2满足强度要求。管内可承受的压力与管径的关系可·K水在管外对流2000～3000W/m2表示如下:·K有机流体在管外对流500～1000W/m2δ×2[σ]·KPv=(3)do-δ注:β为翅化比,见1.5中定义。式中:δ———管壁厚度,mm;[σ]———许用应力,Pa;1.2.2安全长度比do———管外径,mm;每根热管都有其可承受的管内最高工作压力Pv———管内允许承受的压力,Pa。Pv以及相应的最高工作温度[TV],管内工作温度超对碳钢管材,水为工质时,
