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    4.2.2設計例

    日期:2021-10-21 00:58:46點擊:197

    4.2.2設計例
    下面針對管內是單相流體的情況,舉例說明空冷器的設計計算方法。
    4. 2.1設計一臺空氣冷卻器,用于由某設備排岀的熱水的冷卻。
    已知,熱水流量:
    =130 t/h = 36. 1 kg/s熱水壓力為0.5 MPa熱水進入空冷器溫 度:;熱水流出空冷器溫度:,取水的平均比熱容cp = 4. 2 kJ/ (kg •℃)。
    解首先,進行初步設計。
    (1) 由管內介質的給定參數計算熱負荷。
    (2) 選擇空氣的設計氣溫。
    首先,根據當地氣象資料,日最高氣溫的年平均值為15
    ,考慮一定的安全系數,本 設計選擇=16作為設計入口氣溫。
    (3) 選擇空氣的出口溫度和空氣溫升。
    空氣的出口溫度要低于管內介質的出口溫度40
    設計選擇空氣出口溫度為=34℃,比水的出口溫度低6 ℃空氣溫升為
    (4) 空氣流量確定,由熱平衡式
    (5) 迎風面空氣質量流速的選擇。
    (6) 空冷器所需總迎風面積。
    (7) 翅片管束的尺寸及數目。
    選擇:管束長度L=12.0 m,寬度W=3.0 m,則單個管束迎風面積:
    o 迎風面上管束數目,選取M =6,則總迎風面積為F=36 mx6 m = 216 m2 o
    實取迎風面質量流速為
    (8) 翅片管參數的選擇和計算。
    基管尺寸:
    基管材質:碳鋼3078翅片外徑:50 mm翅片高度12.5 mm翅 片厚度t = 0. 5 mm翅片節距0 = 2.3 mm 翅片材質:AL加工方式:鋼/鋁軋制復合翅 片管。
    翅化比的計算:
    單翅片外表面積
    翅片間裸管面積
    1個節距內翅片管外表面積
    1個節距內的光管外表面積
    翅化比:
    (9) 翅片管束的參數選擇和計算。
    翅片管橫向管間距
    =56 mm考慮管束的邊框寬度為2x100 mm橫向管排數= (3 000-200)/56 = 50排,考慮到管束為叉排(錯排)排列,取=48排。
    (10) 傳熱面積的確定。
    翅片管有效長度
    單支翅片管有效傳熱面積(以基管外表面為基準)
    單排翅片管傳熱面積
    單管束傳熱面積,取管束縱向為4排管
    空冷器總傳熱面積
    翅片管總根數
    (11) 風機的選擇和相關參數。
    風機風葉直徑:
    風量和風壓功率/葉片數37 kW/4 片;臺數6臺;單臺迎風面積總迎風面積總風量6x 54xl04( )=
    20℃時的空氣密度為1. 2 kg/m3,空氣總質量流量為= 1 080 kg/s,變頻調節至與(4)中確定的754 kg/s接近。
    (12) 風機和管束的平面布置如圖4. 2. 1所示。
    以上設計屬于初步設計,下面,需逐項進行精確計算,以驗證上述初步設計的可靠性, 并可根據情況做必要的修改。
    (13) 空氣最窄流通截面上質量流速的計算。
    1個翅片節距(2. 3 mm)內的迎風面積
    1個翅片節距內的最窄流通面積
    最窄截面與迎風面積之比
     
     
    圖4. 2. 1風機和管束的平面布置

    最窄流通截面上的空氣質量流速
    (14) 翅片管外換熱系數的計算。
    由關聯式(2. 2.7)可知
    式中,空氣在平均溫度25℃下的物性為:導熱系數:A=0. 025 51 W/(m •);黏度= 1.849xl0-5kg/(m • s)普朗特數:Pr = 0. 729 6基管外徑:翅片間隙:Y= 0. 023-0.000 5=0.001 8 m翅片高度:H=0.012 5 m最窄流通截面上的空氣質量流速: =7. 645 kg/(m2 • s) o
    將上述各參數代入式(2. 2. 7),計算結果為
    (15) 翅片效率的計算。
    應用環形翅片效率的簡化計算式(2. 4. 7)
    式中為換熱系數為翅片材質AL的導熱系數,=200 W/ () 為翅片厚度, = 0. 000 5 mL為翅片高度,L = H = 0. 012 5 m=L +/2 = 0. 012 75 m為翅根半徑,=0. 012 5 mo
    計算結果為 

    翅片效率: 
    (16) 以光管外表面為基準的換熱系數ho的計算。

    計算式: 
    其中,為翅片外表面積
    為翅片之間的裸管面積
    為光管面積
    代入上式
    (17)管內換熱系數的計算。
    翅片管總數
    N=1 152
    2排管為1管程,則管程數為2,每一管程的翅片管數為
    N/2 = l 152/2 = 576
    管內水總流量為
    130 t/h = 36. 1 kg/s = 0.037 
    管內水總流通截面積
    管內水質量流速
    管內水平均流速
    管內雷諾數

    式中,為水的密度,= 970 kg/m3 為水的黏度,為水 的流速o
    代入式(2. 6.2),管內水的換熱系數為
    式中,分別為水在平均溫度下的導熱系數和普朗特數。
    (18)傳熱系數
    的計算。
    以光管外表面積為基準的傳熱系數為
    式中,。分別是管內水和管外空氣的污垢熱阻,見第2. 9節;為基管與翅片之間 的接觸熱阻,見第2. 10節。
    總熱阻: 
    傳熱系數: 
    (19)空冷器傳熱溫差計算,見第2. 11節.
    修正系數F的計算
    查圖 2. 11.3,F=0. 9
    (20)傳熱面積的計算
    按步驟(10),初步設計中選用的總傳熱面積為
    該面積大于精確設計的面積
    因而初步設計的結果是安全的,設計余量約40% ,可采用初步設計結果,無需重新計 算和修改。
    (20)空氣流動阻力計算。
    由式(2. 2. 9)和式(2. 2. 10)


     
    式中/為阻力系數;N為縱向管排數為最窄流動截面上的質量流速,= 7. 645 kg/( m2 .s) Db為基管外徑,為翅片管的橫向管間距,= 0. 056 ms2為縱向管間距,為空氣在平均溫度下的密度, 為空氣黏度,
    代入上式得
    此阻力值遠遠低于風機在標準情況下的阻力170 Pa,說明風機有較大的阻力儲備。 ⑵)討論。
    該計算例中管內換熱系數較低,
    ,這是由于管內流速較低造成 的,=0.205 m/s。為了增加管內流速,應盡量減少管內流通面積,在一定的傳熱面積下, 增加管子長度是減少管子數目有效的技術措施,這也正是在本例中,選取翅片管長度為
    12 m的原因。
    此外,傳熱面積的安全系數較大,這對于空冷器的設計是必要的,它可以適應眾多參 數的變化,尤其在炎熱的夏季,當實際氣溫高于設計氣溫時,仍可滿足熱流體出口溫度的 要求。

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