空冷器板翅式傳熱元件翅片高度的優(yōu)化計(jì)算

張向南，張彥軍，盧 芳(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070)

符號(hào)說明:

hi——管內(nèi)給熱系數(shù)，W/(m2·K)

λi——定性溫度下介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

de——基管的當(dāng)量直徑，m

Li——基管長度，m

Pr——定性溫度下熱介質(zhì)普朗特?cái)?shù)

φi——壁溫校正系數(shù)，文中近似為1

ΔPt——管程壓降，Pa

Gi——基管內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量流速，kg/(m2·s)

ρi——定性溫度下熱介質(zhì)密度，kg/m3

Ntp——管程數(shù)

fi——管程摩檫因子，無量綱

hf——管外給熱系數(shù)(以翅片面積為基準(zhǔn))

λa——定性溫度下空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

Gmax——空氣在翅片間的質(zhì)量流速，kg/(m2·s)

μa——空氣定性溫度下的動(dòng)力粘度，Pa·s

Pra——定性溫度下空氣的普朗特?cái)?shù)

Sf——翅片間距，m

Hf——翅片高度，m

ho——管外給熱系數(shù)(以基管面積為基準(zhǔn))

Ao——單位長度基管的外表面積，m2/m

AΣ——單位長度基管的翅片表面積，m2/m

Ai——單位長度基管的內(nèi)表面積，m2/m

λ1——空氣入口處摩擦系數(shù)

λ2——翅片流道間摩擦系數(shù)

λ3——空氣出口處摩擦系數(shù)

ρα——定性溫度下空氣密度，kg/m3

v1——翅片通道間風(fēng)速，m/s

v2——迎風(fēng)面風(fēng)速，m/s

Lo——翅片長度，m

deo——翅片通道當(dāng)量直徑，m

ri——管內(nèi)流體結(jié)垢熱阻，(m2·K)/W

ro——管外流體結(jié)垢熱阻，(m2·K)/W

rw——管壁熱阻，(m2·K)/W

rj——翅片間隙熱阻，(m2·K)/W

0 引言

在水資源日益稀缺的今天，空冷器以其顯著的節(jié)水性能被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)工業(yè)裝置中，尤其在缺水地區(qū)采用空冷系統(tǒng)，可以節(jié)省大量的工業(yè)用水，在很大程度上解決了缺水地區(qū)的工業(yè)用水供應(yīng)問題以及缺水地區(qū)的建廠問題。目前空冷器已廣泛應(yīng)用于石化、電力、冶金等系統(tǒng)。在很多石油與化工廠中，約有90%的冷卻負(fù)荷由空冷器來承擔(dān)，并且逐漸應(yīng)用于工業(yè)裝置的低溫位冷凝冷卻工位中。

空冷器傳熱元件從20世紀(jì)30年代發(fā)展至今，其核心傳熱元件經(jīng)歷了光管、圓形翅片管、橢圓管矩形翅片、扁鋼管矩形翅片管、扁鋼管釬焊蛇形鋁翅片管、波紋板片等型式，其中扁鋼管釬焊蛇形鋁翅片管后被稱為板翅式傳熱元件，采用釬焊工藝，在空氣側(cè)表面布置蛇形翅片，強(qiáng)化了空氣側(cè)傳熱系數(shù)。實(shí)踐證明，板翅式傳熱元件較其他傳熱元件具有傳熱效率高、節(jié)水效果好、清洗方便等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于電站空冷凝汽裝置，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［1－2］。

文中針對(duì)某裝置冷卻項(xiàng)目擬采用空冷技術(shù)，設(shè)備采用板翅式傳熱元件，在設(shè)計(jì)條件下，對(duì)傳熱元件進(jìn)行工藝計(jì)算，分析對(duì)比不同翅片高度對(duì)傳熱和流阻的影響，為傳熱元件的翅片高度選擇提供理論依據(jù)［3－5］。

1 設(shè)計(jì)條件

根據(jù)裝置要求，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，在設(shè)計(jì)環(huán)境溫度25.5℃條件下，不借助噴淋水對(duì)空氣增濕降溫，單臺(tái)空冷器需滿足如表1所示工藝要求，工藝介質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 工藝介質(zhì)參數(shù)

由表1可知，單臺(tái)空冷器具有以下特點(diǎn):

(1)工藝介質(zhì)處理量大，熱負(fù)荷大;

(2)工藝介質(zhì)操作溫度(45～33℃)較低;

(3)工藝介質(zhì)與空氣的傳熱溫差小，傳熱動(dòng)力小。

2 工藝方案

經(jīng)工藝計(jì)算，單臺(tái)空冷器采用一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)直徑10500 mm，風(fēng)量800 m3/s，空氣入口溫度25.5℃，出口溫度37.6℃，工藝介質(zhì)與空氣進(jìn)行交錯(cuò)流換熱［6－7］。

圖1 工藝介質(zhì)與空氣交錯(cuò)流換熱示意

空冷器采用板翅式傳熱元件，單排管結(jié)構(gòu)，基管材質(zhì)為碳鋼，管外釬焊密排鋁翅片，強(qiáng)化空氣側(cè)傳熱［8］，見圖 1。

3 結(jié)構(gòu)方案

3.1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

本方案中管內(nèi)采用單管程，工藝介質(zhì)從空冷器上部集合管進(jìn)入，自上而下流過管束，由下部集合管流出;風(fēng)機(jī)為引風(fēng)式結(jié)構(gòu)，空氣在風(fēng)機(jī)作用下，由外向內(nèi)掠過管束，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)冷卻［9］。單臺(tái)空冷器斷面呈“口”字形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)安裝換熱管束，管束迎風(fēng)面尺寸(長×高)為12 m×12 m，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 傳熱元件結(jié)構(gòu)

傳熱元件采用板翅式傳熱元件，其結(jié)構(gòu)(見圖3)尺寸如下［10］:

(1)基管截面尺寸(長×寬×厚):219 mm×19 mm ×1.5 mm;長度 12000 mm;

(2)翅片截面尺寸(長×寬×厚):219 mm×翅高×0.3 mm，翅片間距2.31 mm(翅片高度為變化對(duì)比參數(shù))。

圖2 空冷器整體結(jié)構(gòu)示意

圖3 傳熱元件結(jié)構(gòu)示意

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基本假設(shè)

解析計(jì)算過程中進(jìn)行如下假設(shè)［11－12］:

(1)空氣側(cè)為強(qiáng)制通風(fēng)，不考慮空氣偏流;

(2)不考慮管內(nèi)介質(zhì)偏流;

(3)計(jì)算中不考慮空氣在風(fēng)箱、風(fēng)筒其他處壓降。

4.2 計(jì)算依據(jù)

4.2.1 管內(nèi)給熱系數(shù)計(jì)算

翅片高度在10～26 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，管內(nèi)流速變化范圍為0.167～0.346 m/s，加之熱介質(zhì)屬于無相變冷卻，經(jīng)計(jì)算雷諾數(shù)可知，熱介質(zhì)處于過渡流區(qū)，則根據(jù)下式可得出管內(nèi)給熱系數(shù):

4.2.2 管程壓降計(jì)算

4.2.3 管外給熱系數(shù)計(jì)算

翅片高度在10～26 mm范圍內(nèi)變化過程中，風(fēng)機(jī)風(fēng)量保持不變，則翅片間通道風(fēng)速變化范圍為3.67 ～4.62 m/s，屬于強(qiáng)制通風(fēng)，則根據(jù)下式可得出管外給熱系數(shù)(以翅片面積為基準(zhǔn)):

在不考慮垢阻情況下，管外給熱系數(shù)(以基管面積為基準(zhǔn)):

4.2.4 風(fēng)側(cè)壓降計(jì)算

空氣在翅片入口處為漸縮形態(tài)，入口處壓降為:

翅片通道間壓降為:

空氣在翅片出口處為漸擴(kuò)形態(tài)，出口處壓降為:

空氣在通過翅片過程中總壓降:

總傳熱系數(shù)(以基管面積為基準(zhǔn)):

總傳熱系數(shù)(以翅片面積為基準(zhǔn)):

4.3 計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)該項(xiàng)目的工藝參數(shù)進(jìn)行解析計(jì)算，傳熱元件在不同翅片高度下，板翅式空冷器的傳熱及流阻性能計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 不同翅片高度下空冷器的性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總

4.4 對(duì)比分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，該項(xiàng)目中板翅式空冷器的傳熱及流阻性能隨傳熱元件翅片高度的變化趨勢(shì)見圖4。

圖4 總傳熱系數(shù)隨翅片高度的變化趨勢(shì)

4.4.1 翅片高度對(duì)總傳熱系數(shù)的影響

從圖4中可以看出，當(dāng)翅片高度H≤12 mm時(shí)，以翅片面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)K值隨著翅片高度的增加而迅速增加;當(dāng)翅片高度達(dá)到12 mm 時(shí)，K 值達(dá)到最大，為 28.45 W/(m2·K);當(dāng)翅片高度H＞12 mm時(shí)，K值隨翅片高度的增加而下降。

4.4.2 翅片高度對(duì)總換熱面積的影響

圖5示出總換熱面積隨翅片高度的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，在翅片高度逐漸增加過程中，空冷器總換熱面積呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，前半段總換熱面積隨翅片高度變化更為明顯，當(dāng)翅片高度增加到一定數(shù)值后，上升趨勢(shì)將逐漸平緩。

圖5 總換熱面積隨翅片高度的變化趨勢(shì)

總換熱面積主要受基管數(shù)量和翅化比的影響，在12 m×12 m的迎風(fēng)面積上(管束長度為12 m，疊厚為12 m)，在基管尺寸不變的情況下，當(dāng)翅片高度增加時(shí)，在管束12 m疊厚方向上布置的基管數(shù)量逐漸減少，即基管外表面積減少，但是翅片管的翅化比隨翅片高度增加而大幅增加，導(dǎo)致管束總翅片面積仍然呈增加趨勢(shì)。

4.4.3 翅片高度對(duì)總傳熱系數(shù)與總換熱面積乘積的影響

圖6示出總傳熱系數(shù)×總換熱面積隨翅片高度的變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯?dāng)翅片高度H≤14 mm時(shí)，以翅片外表面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)與總換熱面積的乘積隨著翅片高度的增加而迅速增加;當(dāng)翅片高度達(dá)到14 mm時(shí)，兩者乘積達(dá)到最大，為1091937 W/K;當(dāng)翅片高度H＞14 mm時(shí)，兩者乘積隨翅片高度的增加而緩慢下降。

圖6 總傳熱系數(shù)×總換熱面積隨翅片高度的變化趨勢(shì)

4.4.4 翅片高度對(duì)空氣側(cè)風(fēng)速及壓降的影響

圖7 空氣側(cè)風(fēng)速及壓降隨翅片高度的變化趨勢(shì)

圖7示出空氣側(cè)風(fēng)速及壓降隨翅片高度的變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，在翅片高度逐漸增加過程中，空氣側(cè)翅片通道的流通面積逐漸增加，穿過翅片通道的空氣流速逐漸下降，因此空氣流阻隨翅片高度的增加呈明顯下降趨勢(shì)。

4.4.5 翅片高度對(duì)管內(nèi)流速及壓降的影響

圖8示出管內(nèi)流速及壓降隨翅片高度的變化趨勢(shì)。可以看出，在翅片高度逐漸增加過程中，基管數(shù)量和管內(nèi)流通面積均逐漸減少，管內(nèi)流速逐漸增加，因此管內(nèi)流阻隨翅片高度的增加呈明顯上升趨勢(shì)。

圖8 管內(nèi)流速及壓降隨翅片高度的變化趨勢(shì)

4.4.6 翅片高度對(duì)空氣側(cè)單位壓降下的總傳熱系數(shù) K/ΔP的影響

圖9示出空氣側(cè)單位壓降的總傳熱系數(shù)隨翅片高度的變化趨勢(shì)。

圖9 空氣側(cè)單位壓降的總傳熱系數(shù)隨翅片高度的變化趨勢(shì)

由圖9可以看出，在翅片高度逐漸增加過程中，空氣側(cè)單位壓降的總傳熱系數(shù)先增加后降低，當(dāng)翅片高度增加到22 mm時(shí)，該值達(dá)到最大為0.4165 W/(m2·K·Pa)，表示單臺(tái)設(shè)備的單位泵功下總傳熱系數(shù)最大。盡管此時(shí)設(shè)備臺(tái)數(shù)較翅片高度為14 mm時(shí)有所增加，但單臺(tái)設(shè)備的操作費(fèi)用降低，適合設(shè)備長周期運(yùn)行。

5 結(jié)論

由表2可知，在單臺(tái)空冷器熱負(fù)荷不變的條件下，翅片高度在一定范圍內(nèi)(如12～18 mm)變化時(shí)，翅片通道間風(fēng)速變化幅度較小(4.36～3.93 m/s)，冷、熱流體有效溫差可認(rèn)為基本不變，當(dāng)翅片高度為14 mm時(shí)，傳熱元件在傳熱系數(shù)和散熱面積的匹配上處于較優(yōu)范圍，此時(shí)設(shè)備臺(tái)數(shù)較少，初期投資較低。

同時(shí)，在翅片高度增加過程中，空氣側(cè)單位壓降的總傳熱系數(shù)先增后降，當(dāng)翅片高度達(dá)到22 mm 時(shí)，達(dá)到最大值0.4165 W/(m2·K·Pa)，盡管此時(shí)設(shè)備臺(tái)數(shù)較翅片高度為14 mm時(shí)有所增加，但單臺(tái)設(shè)備的操作費(fèi)用較低。

綜上所述，最終翅片高度的確定，還需綜合考慮在不同翅片高度下裝置的初期投資和后期運(yùn)行費(fèi)用之間的關(guān)系，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)得到。

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