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4.4.2變工況計算舉例和分析

日期：2021-10-24 05:36:45點擊：200

4.4.2變工況計算舉例和分析
例4.4.1試對例4. 2. 1的空冷器設計結果進行變工況計算，已知：熱水流量

130 t/h = 36. 1 kg/s,熱水進口溫度

熱水出口溫度

，空氣流量G_a = 754. 3 kg/s,空氣設計進口溫度

，空氣設計岀口溫度

，設計熱負荷Q = 13 645. 8 kW,實取傳熱面積A_o = 1067. 64 m²_o
變工況：當空氣入口溫度提至當地最高氣溫

和降至最低氣溫

時，試
計算：
(1) 水的出口溫度

；
(2) 空氣出口溫度

；
(3) 熱負荷Q。
計算依據:按“傳熱效率-傳熱單元數法”，因管內為單相流體，選用式(2. 12.6),式 (2. 12.7)和式(2. 12.9)計算，步驟如下：
水的熱容量

空氣熱容量

熱容量比較

熱容量比較
水的實際換熱量為
水最大可能換熱量為

(1)當

時的變工況計算:

換熱效率：
由式(2. 12.9)得

計算傳熱單元數N,面積

。取設計值：


代入式(2. 12.9)中，得	£ = 0. 806

由其定義式，

,進而求得變工況后的參數：

結論：當空氣入口溫度升至30 ℃時，水出口溫度由40℃升至49.4 ℃傳熱量由

13 645.8 kW降至12 219 kW,空氣出口溫度由34℃升至46. 1 °C.
以上的計算結果是針對設計傳熱面積(671.7

)計算出來的，而實取傳熱面積為1 067. 67

,遠遠大于設計面積，因此，在實取面積下的變工況計算結果為(假定傳熱系數不變)：

代入式(2. 12. 9)中，得

由此，計算結果如下：

應當指出，按照冷熱流體逆流換熱的規律計算，空氣的入口溫度為30℃,對應熱流體的出口溫度為39℃，空氣的出口溫度為48.2 ℃對應熱流體的入口溫度130℃。

由此可以看出，由于實取傳熱面積大于計算傳熱面積，可以有效地克服炎熱氣候條件對空冷器的不利影響，使空冷器的傳熱效果仍能滿足設計要求。
(2)當

時變工況計算。
當設計面積

時,根據上述計算結果：

可計算出如下各量：

當實取面積A_o = 1 067. 67 m²時

計算結果為

結論:(1)在釆用較小的設計面積時，在炎熱的夏天30°C下，介質水的出口溫度為 49.4°C，大大高于出口溫度40°C的要求，然而在冬季-30 °C的氣溫下，該面積能滿足出口水溫的要求，且不會結冰。
(2) 在釆用較大的實取面積時,在炎熱的夏天30°C下，介質水的岀口溫度可以滿足 40°C的要求，然而在冬季-30°C的氣溫下，該面積使出口水溫過低，產生結冰而不能運行。
(3) 為了既能滿足夏天運行的需要，又能滿足冬季運行的要求，唯一可行的方案是采
用傳熱面積的自動調節:隨著氣溫的逐漸升高，使傳熱面積逐漸增大;而隨著氣溫的逐漸降低，使傳熱面積逐漸減小。調節方法有：
① 調節風量，手動調節或變頻調節；
② 改變百葉窗開度；
③ 改變管束的開啟數量，直接增減傳熱面積和迎風面積；
④ 在寒冷的季節，使用熱風再循環。
例4.4.2對例4.3. 1的設計結果進行變工況計算。原設計條件是:管內蒸汽的入口溫度為130 °C是飽和溫度，冷凝后水的出口溫度為40°C，入口蒸汽流量為18 t/h (5.0 kg/s)；空氣的設計入口溫度為16 風量為625 kg/s,當空氣入口溫度升至30°C 時，需要進行變工況計算.由于管內的換熱過程分兩個階段:飽和蒸汽的凝結和凝結水的冷卻，兩個階段是分別設計的，因而變工況計算也需分別進行。

(1) 凝結水冷卻段的變工況計算。
① 已知:設計面積A =332 m²,傳熱量

= 1 894 kW,傳熱系數

入口溫度

= 130°C，出口溫度

= 40°C，

為凝結段與冷卻段交界點處的介質溫度。
② 熱容量計算。
水的熱容

空氣熱容

因

,故水側的熱容量最小。
③ 傳熱效率計算

代入式(2. 12.9)，對單相流體的情況

(4)計算結果

注：

為凝結段和冷卻段分界點處的空氣溫度。
(2) 蒸汽凝結段的變工況計算。
① 已知：設計面積

換熱量

,傳熱系數

(m² • ℃) .
② 熱容量和傳熱單元數：因管內蒸汽凝結為相變過程，熱容

為無限大,管外空氣的熱容為最小值

③ 傳熱效率

：對相變介質，按式(2. 12.8)計算

④ 初步計算結果：

與原設計結果

有13 %的差別，為計算誤差。事實上，二者應該是相等的，因為不管工況如何變化,全部蒸汽凝結所需熱量是不變的。
(3) 蒸發段和冷卻段分界點的移動和傳熱面積的重新分配。
由于變工況，空氣進口溫度由16℃升為30℃ 空氣的出口溫度由36 ℃升至 47.7℃家由于冷流體空氣整體溫度的提高，使各段的傳熱溫差

變小,對于凝結段,

,由于傳熱量

和傳熱系數

不變，溫差

的減小會導致傳熱面積

,的增大，但總的面積是不變的，凝結段傳熱面積的增大，必然導致冷卻段傳熱面積的減少，這將使得凝結段和冷卻段在圖4. 3. 1中分界點向右移動。這將進一步導致冷卻段介質出口溫度的升高。
反之,在寒冷的季節，或當大氣溫度低于設計氣溫時,凝結段占有的傳熱面積會減少，冷卻段的傳熱面積會增大,二者的面積分界點向左移動，介質出口溫度下降，甚至結冰。綜上所述，當空冷器中同時擁有凝結段和冷卻段時，在總傳熱面積不變的情況下，兩段所占有的傳熱面積之比，會隨著氣溫的變化而“飄動”。

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