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4.2.2设计例
日期:2021-10-21 00:58:46点击:343
4.2.2设计例
下面针对管内是单相流体的情况,举例说明空冷器的设计计算方法。
例
4. 2.1
设计一台空气冷却器,用于由某设备排岀的热水的冷却。
已知,热水流量:
=130
t/h = 36.
1
kg/s
;
热水压力为
0.5 MPa
;
热水进入空冷器温 度:
;热水流出空冷器温度:
,取水的平均比热容
c
p
=
4.
2
kJ/ (kg •℃
)。
解首先,进行初步设计。
(1) 由管内介质的给定参数计算热负荷。
(2) 选择空气的设计气温。
首先,根据当地气象资料,日最高气温的年平均值为
15
℃
,考虑一定的安全系数,本 设计选择
=
16
℃
作为设计入口气温。
(3) 选择空气的出口温度和空气温升。
空气的出口温度要低于管内介质的出口温度
40
℃
设计选择空气出口温度为
=
34℃
,比水的出口温度低
6
℃空气温升为
。
(4) 空气流量确定,由热平衡式
(5) 迎风面空气质量流速的选择。
(6) 空冷器所需总迎风面积。
(7) 翅片管束的尺寸及数目。
选择:管束长度
L=12.0 m,
宽度
W=3.0 m,
则单个管束迎风面积:
o
迎风面上管束数目
:
,
选取
M
=6,
则总迎风面积为F=
36
mx6 m
= 216
m
2
o
实取迎风面质量流速为
(8) 翅片管参数的选择和计算。
基管尺寸:
;
基管材质:碳钢
3078
;
翅片外径:
50
mm
;
翅片高度
;
12.5
mm
;
翅 片厚度
t = 0.
5
mm
;
翅片节距
0 = 2.3 mm
;
翅片材质:
AL
;
加工方式:钢/铝轧制复合翅 片管。
翅化比的计算:
单翅片外表面积
翅片间裸管面积
1
个节距内翅片管外表面积
1
个节距内的光管外表面积
翅化比:
(9) 翅片管束的参数选择和计算。
翅片管横向管间距
=56
mm
;
考虑管束的边框宽度为
2x100 mm
;
横向管排数
=
(3
000-200)/56 = 50
排,考虑到管束为叉排(错排)排列,取
=48
排。
(10) 传热面积的确定。
翅片管有效长度
单支翅片管有效传热面积(以基管外表面为基准)
单排翅片管传热面积
单管束传热面积,取管束纵向为
4
排管
空冷器总传热面积
翅片管总根数
(11) 风机的选择和相关参数。
风机风叶直径:
;
风量和风压
:
;
功率/叶片数
:
37
kW/4
片;台数
:
6
台;单台迎风面积
:
;
总迎风面积
:
;
总风量
:
6x 54xl0
4
(
)
=
20℃
时的空气密度为
1. 2 kg/m
3
,
空气总质量流量为
= 1 080
kg/s,
变频调节至与
(
4)
中确定的
754 kg/s
接近。
(12) 风机和管束的平面布置如图
4. 2.
1
所示。
以上设计属于初步设计,下面,需逐项进行精确计算,以验证上述初步设计的可靠性, 并可根据情况做必要的修改。
(13) 空气最窄流通截面上质量流速的计算。
1
个翅片节距
(2.
3
mm)
内的迎风面积
1
个翅片节距内的最窄流通面积
最窄截面与迎风面积之比
图4. 2. 1风机和管束的平面布置
最窄流通截面上的空气质量流速
(14) 翅片管外换热系数的计算。
由关联式
(2. 2.7)
可知
式中,空气在平均温度
25℃
下的物性为:导热系数:
A=0.
025 51
W/(m •
℃
);黏度
=
1.849xl0-
5
kg/(m • s)
;
普朗特数:
Pr = 0.
729 6
;
基管外径
:
;
翅片间隙: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气质量流速:
=7.
645
kg/(m
2
• s)
o
将上述各参数代入式
(2. 2.
7)
,计算结果为
(15) 翅片效率的计算。
应用环形翅片效率的简化计算式
(2. 4.
7)
式中为换热系数
;
为翅片材质
AL
的导热系数
,
=200 W/ (
)
;
为翅片厚度,
=
0.
000 5
m
;
L
为翅片高度
,L = H = 0.
012 5
m
;
=L +
/2 = 0. 012 75 m
;
为翅根半径,
=0. 012 5 m
o
计算结果为
翅片效率:
(16) 以光管外表面为基准的换热系数
h
o
的计算。
计算式:
其中,
为翅片外表面积
为翅片之间的裸管面积
为光管面积
代入上式
(17)
管内换热系数的计算。
翅片管总数
N=1
152
支
设
2
排管为
1
管程,则管程数为
2,
每一管程的翅片管数为
N/2 = l
152/2 = 576
支
管内水总流量为
130
t/h = 36.
1
kg/s = 0.037
管内水总流通截面积
管内水质量流速
管内水平均流速
管内雷诺数
式中,
为水的密度
,
= 970 kg/m
3
;
为水的黏度,
;
为水 的流速
,
o
代入式
(2. 6.2),
管内水的换热系数为
式中,
和
分别为水在平均温度下的导热系数和普朗特数。
(18)
传热系数
的计算。
以光管外表面积为基准的传热系数为
式中,
和
。分别是管内水和管外空气的污垢热阻,见第
2.
9
节;
为基管与翅片之间 的接触热阻,见第
2.
10
节。
总热阻:
传热系数:
(19)
空冷器传热温差计算,见第
2.
11
节.
修正系数
F
的计算
查图
2. 11.3,
得
F=0.
9
(20)
传热面积的计算
按步骤(
10)
,初步设计中选用的总传热面积为
该面积大于精确设计的面积
。
因而初步设计的结果是安全的,设计余量约
40%
,可采用初步设计结果,无需重新计 算和修改。
(20)
空气流动阻力计算。
由式
(2. 2.
9)
和式
(2. 2.
10)
式中/为阻力系数;
N
为纵向管排数
,
;
为最窄流动截面上的质量流速,
=
7.
645
kg/( m
2
.
s)
;
D
b
为基管外径,
为翅片管的横向管间距,
=
0.
056
m
;
s
2
为纵向管间距
,
为空气在平均温度下的密度
,
为空气黏度
,
代入上式得
此阻力值远远低于风机在标准情况下的阻力
170
Pa,
说明风机有较大的阻力储备。 ⑵)讨论。
该计算例中管内换热系数较低,
,这是由于管内流速较低造成 的
,
=0.205
m/s
。为了增加管内流速,应尽量减少管内流通面积,在一定的传热面积下, 增加管子长度是减少管子数目有效的技术措施,这也正是在本例中,选取翅片管长度为
12
m
的原因。
此外,传热面积的安全系数较大,这对于空冷器的设计是必要的,它可以适应众多参 数的变化,尤其在炎热的夏季,当实际气温高于设计气温时,仍可满足热流体出口温度的 要求。
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