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3. 6.1气-液型和气-汽型热管换热器的设计步骤

日期：2022-01-11 01:15:35点击：380

3. 6.1气-液型和气-汽型热管换热器的设计步骤
1.已知条件和热平衡
（1）对气-液型热管换热器。
气体质量流量:

；入口温度

出口温度

。
液体质量流量

入口温度

；出口温度

。

上述给出的条件应满足热平衡式：

此外，有时还要给出气体侧和液体侧的压力和阻力要求。
(2)气-汽型热管换热器。给出的条件应满足热平衡式：
气体加热相变介质时，

气体被相变介质加热时，

式中，

分别为气体和相变介质的质量流量，

分别为气体介质的进岀口温度,

分别为相变介质的进出口焰值,kJ/kg。
2. 工质和管材的选择
与气-气型热管换热器相同，仍主要按管内工作温度T_v进行选择，管内工作温度可由式3.3.3和表3. 3. 2估算。
估算出T_v；之后，由表3. 3. 1选择合适的工质，由表3. 3. 3选择合适的管材，此外，还要考虑3. 3节说明的其他因素。
应当特别注意的是，在考虑管材与工质的化学相容性的时候，不但应考虑管内工质与所需管材的相容性，也要考虑管外介质与管材的相容性。
3. 放置形式和扩展表面的选择
与气-气型热管换热器相同，放置形式基本有两种：热管立式放置，加热段深入水平的烟道中，冷却段插入上部的被加热介质中，这时，可直接采用重力式热管，如图3- 1.5所示;或热管接近水平放置，采用重力辅助热管，将具有一定倾角的热管加热段插入垂直烟道中，而冷却段伸入冷却介质中，一般采用套管式结构，被加热介质在套管中流动，或直接插入汽包中。如图3. 1. 6至图3. 1. 8所示。
扩展表面的选择:与气体换热的管段，采用翅片管，翅化比可在5~20之间选择；与液体换热或与相变介质换热的管段，因为其换热系数足够大，一般不釆用扩展表面，直接用光管。
4. 长度比的选择
(1) 经济长度比。
由式(3.4.5)可知

式中，

分别为冷却段和加热段的传热系数，见式(3.4.6)和式(3.4.7)。在初步设计阶段，可按表3. 6. 1的估算值选取.
(2) 安全长度比。
若热流体温度较高，大于热管的允许工作温度T_v则须计算许用安全长度比，实际选取的长度比应小于该许用安全长度比;若热流体温度较低，为了防止露点腐蚀，应计算防露点腐蚀的安全长度比,实际选取的长度比应大于该安全长度比。详见3. 4节。

表3.6.1传热系数

估算值

管外换热特点	从管外至管内的传热系数
气体在翅片管外对流
水在管外对流	2 000 ?3 000
水在管外相变换热	3 000 ?5 000
有机流体管外对流	500 ~ 1 000
有机流体管外相变换热	1 000 ~ 1 500

注:表中

为翅化比。
5. 气体流速和迎风面积的确定

设定气体的迎风面流速，确定气体迎风面参数。因为设计面积是以气体侧的基管外表面为基准，因而需要先确定迎风面上的相关参数。
6. 估算和结构设计
(1) 选择换热器传热系数

所选择的传热系数是以气体侧基管外表面为基准的传热系数，作为第一次近似，

可由表3. 6. 2选取。

表3. 6.2传热系数

的选择

翅化比	2	3	4	5
翅化比	40	50	60	70
5	140	170	200	230
10	250	300	340	350
15	340	400	450	490
20	420	450	530	550

表3.6.2中的U_o值是由下列近似式计算出来的:

式中，

为以基管外表面为基准的气体侧换热系数;

为翅化比；

为液体侧或相变侧的换热系数，取

；而长度比

取2,式中的修正值0.8用来考虑其他各项热阻的影响。
应当说明：表3. 6. 2所列之值，是对于流体为水的情况而言的，对于有机流体，由表 3. 6. 2所查之值再乘以0.7。
(2) 计算传热平均温差
按对数平均温差计算：

(3) 估算总传热面积：

由此,再考虑20%左右的设计余量，即可计算出总的热管数目和纵向管排数。
7.精确计算
(1) 按冷热流体的中点温度计算传热系数，包括:气体侧换热系数的计算，液体侧或相变侧换热系数的计算，其他各项热阻的计算。各项热阻均以气体侧的光管外表面积为计算基准。
(2) 传热平均温差的计算。

对于气-汽型换热器

式中，

为对数平均温差。
对于气-液型换热器,

须乘以温差修正系数F

最后计算岀传热面积

与估算之值进行比较,要求精确计算面积大于估算面计,设计安全余量控制在20% ~ 40%为宜，若不满足上述条件，需重新设计。

8.阻力计算
以气体流动阻力的计算为主。

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