空气压缩热利用热管换热器的设计计算

空气压缩热利用热管换热器的设计计算 杨宝莹摘 要： 热管技术以其独特的技术在很多领域得到了广泛的应用，在压缩热领域热管技术也逐渐受到重视，除了理论研究热管技术在压缩热领域的应用外，设计出合适的换热设备对热管在压缩热领域的应用也及其重要。热管换热器的计算内容主要有热力计算和校核计算。其中热力设计计算大致可分为常规计算法，离散计算法和定壁温计算法。空气压缩热利用热管换热器一般为气气型换热器，文章主要针对气气型热管换热器的常规计算法进行介绍，并给出了一个具体实例的计算结果，以进一步促进热管换热器在空气压缩热利用领域的应用研究。关键词： 热管 压缩热 热力计算1 引言124热管换热技术因其卓越的换热能力及其它换热设备所不具有的独特换热技术在航空，化工，石油，建材，轻纺，冶金，动力工程，电子电器工程，太阳能等领域已有很广泛的应用，空气压缩热利用领域冷热流体温差小，因此热管技术也逐渐受到重视。根据实际需要设计出合理的热管换热器对于空气压缩热利用领域来说也极为重要。同常规换热器计算一样，热管换热器的计算内容主要有两部分：热管换热器的热力计算和校核计算。在这里主要对热管换热器的热力计算做个介绍。热管换热器的热力设计计算目前大致可分为三类：常规计算法，离散计算法，定壁温计算法。常规计算法将整个热管换热器看成一块热阻很小的间壁，然后采用常规间壁式换热器的设计方法进行计算。离散计算法认为热量从热流体到冷流体的传递不是通过壁面连续进行的，而是通过若干热管进行传递，呈阶梯式变化，不是连续的。定壁温计算法是针对热管换热器在运行中易产生露点腐蚀和积灰而提出的，计算时将热管换热器的每排热管的壁温都控制在烟气露点温度之上。从而避免露点腐蚀及因结露而形成的灰堵。压缩热利用系统要处理的对象压缩机排气或吸干机排气，都属于气态介质，因此空气压缩热利用热管换热设备为气气热管换热器。本文将对空气压缩热利用气气热管换热器的常规计算法的热力计算做个简要介绍，文中的一次空气是压缩机排气，二次空气是吸干机排气。2 热管换热器的设计计算342.1已知设计参数一次空气质量流量Mh, 进出口温度T1,T11，二次空气质量流量Mc, 进出口温度T2,T21。一般六个已知量中，只要给定5个即可，另一个参数可由热平衡方程算出，如需要，还需给出一、二次空气的允许压降，二次空气出口温度未知时的计算过程为：一次空气定性温度Th= (1)查定性温度下的一次空气物性参数：定压比密度 导热系数粘度 普兰德数一次空气放出热量 (2)二次空气吸收热量 (3)其中为热损失率由一次空气温降可假设二次空气出口温度二次空气定性温度Tc= (4) 查定性温度下的一次空气物性参数：定压比密度 导热系数，粘度 普兰德数校核二次空气出口温度 (5)2.2 基本选择2.2.1工质选择热管工质的选择主要取决于热管的工作温度，热管工作温度 (6)n的取值见表1表1 n的取值气-气型热管换热当两侧流体和管长接近时n=1气-液型热管换热当液体为水时n=3-4当液体为有机液体时n=2-3气-汽型热管换热当相变流体为水时n=4-5当相变流体为有机物时n=3-4所选工质的主要要求为：应适应热管的工作温度，并有适当的饱和蒸汽压与壳体，吸液芯材料应相容，且具有良好的热稳定性应具有良好的综合热物理性质其它（包括经济性，毒性，环境污染等）空气压缩热利用热管多采用氨作为工质。2.2.2 壳体管材选择壳体的作用是把工质与外界隔开，因此要防漏、耐压，并能向工质传热以及把工质的热量传出，且价廉易得。对壳体的要求主要为：与工质有良好的化学相容性，以免产生不凝结气体和腐蚀，影响热管的传热导热系数高承压性能好，机械强度高，易于机械加工与工质有良好的浸润性空气压缩热利用低温热管换热器的管材多采用钢，磷铜、铝做原料。2.2.3 放置形式和吸液芯的选择根据需要选用分离式，重力式和水平式，水平式需要吸液芯，吸液芯的作用是产生毛细力，对吸液芯的主要要求为：与工质和壳体有良好的化学相容性导热性能好与工质有优良的浸润性易于加工，与内壁能很好的吻合吸液芯类型多采用的材料为不锈钢、铜、铝、镍等。2.2.4 管外扩展表面的选择根据要求选择合适的翅片结构，具体参数见表2（单位mm）。表2 管外扩展表面参数光 管内 径di光管外 径dr翅片外 径df翅片厚度翅片间 距t翅片高 度H2.3 结构设计热管迎面空气质量流速G的确定 Gh ，Gc的范围可在2.4-3.6kg/m2s,对于气-气型换热器，一次空气和二次空气两端质量流速应满足= (7)在任何一侧流体的G值确定后，可由上式确定出另一侧流体的G值。迎风面积Ah= (8) Ac= (9)热管长度根据用户需求可先确定出热管一端的长度，再根据经济长度比确定另一端热管长度。L经= (10)迎风面高度E Eh= (11) Ec= (12)迎风面管子根数B= (13)实际迎风面高度E=BST (14)实际迎风面积 Ah=ELh (15) Ac=ELc (16)实际迎风质量流速Gh= (17) Gc= (18)2.4 传热系数的计算 最小流通面积NFAh =(ST-d0)-2(Hnf)LhB (19)NFAc=(ST-d0)-2(Hnf)LcB (20)流体最大质量流速GmaxGmaxh= (20) Gmaxc= (21)以翅片管外表面积计的一、二次空气两侧换热系数计算对叉排环形翅片管且气流垂直绕流翅片管的换热器的换热器管束外的对流换热系数推荐按下式计算（标准误差在5%左右）对低翅片管束=1.21.7 dr=13.516mm= (22)对于高翅片管束=1.72.4 dr=1241mm= (23)翅化后以光管为基准的换热系数与以翅片管外表面积为基准的换热系数之间的关系为= (24)其中为翅化比，定义为翅化后热管的外表面积与光管外表面积之比 (25) 其中： Ab 翅片间光管面积Af翅片的外表面积A0翅化端光管外表面积为翅片效率 法一 直接计算得出 (26) Tw翅片表面温度平均值Tf流体温度T0翅片根部温度法二 查表法5求出， 值 查传热学中相应的表即可得出翅片材料导热系数 翅片平均厚度总传热系数计算（以光管外表面积为基准）热管的传热热阻主要包括外部热阻和内部热阻6。外部热阻：一、二次空气与热管两端管外表面的传热热阻；内部热阻：热管两端管壁径向导热热阻，热管两端吸液芯径向、轴向导热热阻，管壁轴向导热热阻，与工质移动有关的蒸汽轴向流动热阻、蒸发段和冷凝段汽液交界面热阻，污垢热阻。其中与工质移动有关的蒸汽在管内传递和流动热阻相对较小，可忽略不计。热管的等温性能好，它的一个突出优点就是具有很小的内部热阻，因此在实际工程计算中，可根据需要忽略不计管内热阻，若污垢热阻较小，也可忽略不计。因此以一次空气侧光管外表面计的总传热系数为k为：k= (27)2.5 热管数目计算由传热方程计算出热管传热面积 (28)传热平均温差k以一次空气侧光管外表面积计的总传热系数所需热管数目 (29)2.6 阻力计算 (30) (31)一次空气侧阻力为 (32)二次空气侧阻力为 (33)3 应用实例根据以上的设计过程，我公司设计出符合我们要求热管换热器。已知条件：压缩机排气量50m3/min，吸干机排气量4m3/min，压缩机排气温度为130，出口温度为80，吸干机排气温度为30，通过计算，出口温度为70。热管管内工作温度为1/2（13070）100，按各种工质的工作范围，选氨工质合适。铝与氨相容，故选铝为管材，热管两端气流都是气气换热，因此两端都需带翅片，管外扩展表面具体参数见表3（单位mm）。表3 管外扩展表面具体参数光 管内 径di光管外 径dr翅片外 径df翅片厚度翅片间 距t翅片高 度H1621380.31.88.5计算后的热管换热器结构设计参数见表4表4 热管换热器结构设计参数项目数值热管规格/381.8（翅片外径翅片间距）蒸发段有效长度/600冷凝段有效长度/600横向管间距/46横向排数8纵向管间距/40纵向每排根数12总热管数/根96总换热面积（以热侧计）/45.6换热器外形尺寸/325 X6X1400计算出的热管冷凝段与加热段迎面风速都为2.45m/s，此流速在合理范围内，对应的阻力较小，都为135Pa，总传热系数为24.2w/m2。4 结论文中以热管换热器的设计过程为基础，给出了针对空气压缩热利用热管换热器的基本设计过程，并给出了一个实际设计实例。关于热管换热器的一些传热极限校核计算可参考相关文献如文献4进行计算。在实际设计中，有时可根据经验先确定某些热管参数，然后再进行相关的校核。一般应用于空气压缩热利用领域的热管多采用铝氨热管，如果热管换热器是在已运转的系统中作为附加设备设计的时候，应根据现场具体参数的要求进行设计，选择合理换热器结构。参考文献1 蔡卫东.热管技术研究进展及其在制冷空调行业中的应用.制冷与空调,2003,3（3）：31-36