1、 空氣冷卻器 第四章 空冷器的設計4.1 空冷器的設計條件 4.1-1 設計條件1. 空氣設計溫度設計氣溫系指設計空冷器時所采用的空氣入口溫度。采用干式空冷器時，設計氣溫應按當地夏季平均每年不保證五天的日平均氣溫123。采用濕式空冷器時，將干式空冷器的設計氣溫作為干球溫度，然后按相對濕度查出濕球溫度，該溫度即為濕式空冷器的設計氣溫。我國各主要城市的氣溫列于附表41。從該表可見我國絕大多數地區夏季平均每年不保證五天的日平均氣溫低于35。當接近溫度大于1520時，采用干式空冷器比較合理。在干燥炎熱的地區，為了降低空氣入口溫度可以采用濕式空冷器。2. 介質條件（1） 適宜空冷器的介質條件適于采用空冷

2、器的介質有石油化工過程中的氣體,液體，水和水蒸汽等。3. 熱流的操作條件（1） 流量。根據工藝要求而定。（2） 操作壓力。根據國家標準“空冷式換熱器”的規定 ，最高的設計壓為35 Mpa，這個壓力可以滿足石油化行業空冷器的操作要求。（3） 入口溫度熱流的入口溫度越高其對數平均溫差越大，因而所需要的傳熱面積就越小，這是比較經濟的。但是，考慮能量回收的可能性，入口溫度不宜高，一般控制在120130以下，超過該溫度的那部分熱量應盡量采用換熱方式回收。在個別情況下，如回收熱量有困難或經濟上不合算時，可適當介質入口溫度。就空冷器本身而言，考慮到介質溫度升高會導致熱阻的增加，傳熱效率下降，繞片式翅片管的工

3、作溫度可用到165 而鋃片式翅片管可用到200如果熱流入口溫度較低（低于7080），可考慮用濕式空冷器。 （4） 出口溫度與接近溫度對于干式空冷器出口溫度一般以不低于5565為宜3，若不能滿足工藝要求，可增設后濕空冷，或采用干濕聯合空冷。接近溫度系指熱流出口溫度與設計氣溫之差值。干式空冷器的最低值應不低于153，否則將導致空冷器的面積過大，這是不經濟的。 上述的設計數據應填入表4.1-1的”空氣冷卻器規格表”內.表41-1 空冷器設計規格表表號 空氣冷卻器規格表審核項目號校對位號編制日期版次 用戶廠址裝置型式及規格單元面積光管m2 翅片管m2換熱量 W傳熱系數光管 W/m2K翅片管 W/m2K

4、 特 性 數 據 - 管內側液體名稱進口出口致命毒性有 無進入液體總量重度kg/m3進口出口比熱J/kg.K液體kg/h泡點蒸氣kg/h傾點 不凝汽kg/h潛熱水蒸汽kg/h粘度,Pa.s水kg/h管內結垢熱阻 m2K/W壓力MPa壓降 kPa允許計算 特 性 參 數 空氣側空氣總量 m3/s海撥高度 m空氣量/臺風機 m3/s進口溫度(設計干球溫度)靜壓 Pa出口溫度迎風面風速 m/s 結 構 設 計設計壓力試驗壓力設計溫度管束管箱型式管子規格尺寸 長×寬管箱材料管子材料: 無縫焊制數量管程數管子長度m布置絲堵材料管子數量管束 串聯 并聯 墊片材料管心距臺數 串聯 并聯腐蝕裕量翅片

5、型式架規格 長×寬進口管數 直徑 mm翅片材料出口管數直徑 mm翅片外徑構架數量化學清洗片距架中心距特殊接管法蘭面型式印記 有無百葉窗 自動 手動溫度表振動切換開關 有 無壓力表 機 械 設 備風機型號驅動機型式減速機型式風機臺數驅動機臺數減速機臺數風機直徑驅動機轉數 轉/分傳動比風機功率驅動機功率功率調節型式: 手調 自調 調頻轉數:轉/分支架支座材料: 葉片 輪轂控制發生故障時的風機角度 最大 最小 鎖住百葉窗控制發生故障時的風機速度 最大 最小 鎖住出口溫度控制精度 ± 空氣再再循環內循環外循環蒸汽盤管 有無占地面積 M2總重 kg運輸重 kg圖號 4.2翅片管參數的

6、優化翅片管是空氣冷卻器的傳熱元件，翅片管的參數對空冷器的傳熱效率、功率消耗和噪聲等有直接的關系4。因此，選擇合適的翅片管參數對空冷器設計是非常重要的的.以下就翅片管參數對傳熱和阻力降的影響及如何選擇作出評述。1 翅片管的參數翅片管的參數主要是指它的幾何參數如圖1所示。 圖4.2-1 翅片管的幾何參數 圖中幾何參數的意義如下： b翅片平均厚度，m ； b =0.5(bp+br) bp 翅片頂部厚度，m ； br 翅片根部厚度，m ； d光管外徑，m ； D翅片外徑，m ； dr翅片根部直徑，m H翅片高度，m ； S翅片間距，m ； ST翅片管橫向管心距，m ； SL沿氣流方向的管排之管心距，m

7、 ；一般說來，翅片管的光管直徑、翅片厚度基本上是固定的。所以在評價翅片管的性能時選擇的參數主要是翅片高度，翅片間距和管心距。這些參數對翅片管的翅化比起主導作用，同時對傳熱和壓力降也產生很大影響。翅片管參數的優化主要是指空冷器設計中如何合理地選擇片高、片距和管心距這三個參數，使所設計的空冷器得到較高的傳熱效率和較低的阻力損失。從而使空器設計處于較優的狀態。2 翅片管的翅化比和有效翅化比在空氣冷卻器中，管外以空氣作為冷卻介質與管內的熱介質進行熱交換。由于空氣的導熱系數低引起管外側的傳熱系數也較低，為了彌補管外側的傳熱系數的不足，所以在管外增加翅片以達到強化傳熱的目的。管外的翅片總面積與光管表面積之

8、比稱之為翅化比。翅化比表示如下： （4.2-1）式中：0翅化比 Af翅片表面積，m2；Ar翅片根部面積，m2；Ao光管外表面積，m2。這個翅化比是幾何翅化比，它沒有考慮到翅片的效率。翅片管的傳熱效率與翅片管的表面溫度有關，翅片表面溫度自根部至頂部是遞降的，愈到翅頂，其傳熱平均溫差愈低，傳熱效果就愈差。翅片的傳熱效率為： Ef從文獻5可得： （4.2-2） 式中：Ef翅片管的傳熱效率 H 翅片的高度，m ； ho翅片管對空氣側的傳熱系數，W/(m2.K) m翅片材料的導熱系數，對于鋁 為203.5 W/(m.K) 將以上數據代入上式得到高低翅片管的效率如下： 高翅片效率， Ef=1.092-0.

9、1736 UF0.359 低翅片效率， Ef=1.092-0.1298 UF0.359 式中的UF 為標準狀態下的迎面風速，m/s .兩種翅片高度的翅片效率與迎面風速的關系如圖4.2-2 所示。從圖中可以看出翅片高度是影響翅片效率的主要因素，低翅片比高翅片有較高的翅片效率。翅片的效率隨迎風面風速 的增加而下降， 圖4.22 高低翅片的效率翅片效率與翅片材料、翅片厚度和高度、空氣側傳熱系數有關。當翅片效率求得后便可由下式求翅片管有效翅化比： （4.2-3）式中： 翅片管有效翅化比 。 從圖4.2-2可以看出，低翅片有較高的翅片效率，但由于它的翅化比低，最終的有效翅化比還是比不上高翅片，所以在設計

10、中當管內側的傳熱系數較高時還是采用高翅片為好。如果管內的傳熱系數較低時則應采用低翅片管。2、 翅片管幾何參數與管外側傳熱系數的關系 計算管外空氣側傳熱系數的公式很多，在進行翅片管參數評價時可采比較通用的Briggs公式6，該公式的標準誤差為5.1。該式適用于各種翅片高度、片距、管心距等.將空氣參數、迎面風速代入相應的準數并加以化簡，便得到以光管外表面為基準的管外側傳熱系數如下式所示： （4.2-3） 式中：h0 管外側的傳熱系數 W/m2.K Pr空氣的普蘭特準數； 空氣導熱系數，W/m.K； 空氣的粘度，pa.s ; C空氣的比熱，J/(kg.K) ; UF標準狀態下的迎風面風速，m/s ；

11、 空氣密度，kg/m3 ； S-翅片凈間距，m H-翅片高度，m dr-翅根直徑，m 翅片管的有效翅化比 a系數，為迎風面積與最窄通風面積之比值。它是與翅片管的高度、管心距和片厚有關的參數。 (4.2-4) 將空氣為60時的物性參數代入可得管外側的傳熱系數表達式： （4.2-5） 從上式可看出，管外給熱系數是翅片管根部直徑、片距、片高、管心距、迎風面風速和有效翅化比等的函數，除迎風面風速外均是翅片管的幾何參數，這些幾何參數有的是互相關聯的，為了確切地說明這些幾何參數對空氣膜給熱系數的影響，下面就以高低兩種翅片，各選兩種管心距和三種不同片距，計算出不同風速下的空氣膜給熱系數，并將其結果繪成下圖（

12、圖4.2-3） 圖4.2-3 翅片管的管外空氣側傳熱系數從圖4.2-3可看出：（1） 各種幾何參數的翅片管，其管外空氣側的傳熱系數隨迎風面風速的增加而增加（2） 翅片管空氣側的傳熱系數隨翅片的高度的增加而增加；（3） 翅片管空氣側傳熱系數隨翅片間距的增加而下降；（4） 翅片管空氣側傳熱系數隨管心距的增加而下降；為了工程上的估算方便，下面給出兩種翅片管的簡化計算公式：高翅片管（翅片高H=16m）： h0=441.51UF0.718 低翅片管（翅片高H=12.5mm）: ho=395.11UF0.718上兩式的簡化條件是：空氣定性溫度60 ；光管外徑do=25mm；翅片厚度b=0.4mm;高翅片的

13、翅片效率Ef=0.85;低翅片管的翅片效率Ef=0.9 翅片間距S=2.31mm2、 翅片管的幾何參數與管外壓力降的關系空氣流經翅片管管外側時，氣流對翅片表面的摩擦、氣體的收縮和膨脹引起了氣流的壓力損失，通常稱之為管外壓力降。這種壓力降主要與風速、翅片管型式、幾何參數及制造質量有關。至今為止，壓力降的精確理論計算尚未見到，目前所采用的計算公式均是經驗公式。國內外在這方面都做出大量的實驗，歸納出各種型式的關聯式，下面是羅賓遜（Robinson）和勃列格斯（Briggs）7通過試驗歸納的計算式： Ps37.86Re-0.318 （4.2-6）若取空氣定性溫度為60時的物性參數代入（4.2-6）式得

14、： Ps=0.0678 NtST-0.927a1.684UF1.684 （4.2-7）式中：Ps 管外側靜壓降，pa Nt 沿氣流方向翅片管的排數； ST 管束的橫向管心距 ，m ； a 管束的迎風面積與最小通風面積之比； UF 迎風面風速 m/s 為了便于分析比較，將不同片高、片距和管心距的翅片管，改變迎風面風速按（4.2-7）式計算出相應參數下的管外靜壓降，并將結果繪于圖4.2-4。 圖4.2-4 翅片管的管側靜壓降從圖4.2-4可看出：（1） 管外靜壓降隨風速的增加而增加；（2） 在相同的風速下，管外靜壓降隨管心距的增加而下降、隨翅片間距的加而減少。空冷器中翅片管的管外靜壓降是決定功率消

15、耗的重要因素 。另一方面，靜壓降的增加也導致了噪聲的增大。因此，從降低功率消耗和噪聲來看，都需要找出一組較為合適的翅片管參數，使得它的壓力降最小。3 翅片管幾何參數的選擇盡管空冷器采用的冷卻介質是取之不盡的空氣，但要達到高效地利用空氣亦不是一件易事。因此空冷器的優化設計就成了眾所關心的課題。 為了達到空冷器的優化設計的目的，需要將空冷器的翅片管幾何參數與整個空冷器費用進行關聯，找出它們之間的關系，為合理選用翅片參數提供依據。空冷器的費用包括：一是設備費、運輸費和安裝費，即一次投資；二是操作費。在一定熱負荷條件下，空冷器的費用與管外側傳熱系數、積垢熱阻、空氣量及壓力降有關。根據已知的工藝條件可計

16、算某一組翅片參數下的空冷器換熱面積和功率消耗，前者可計算出一次投資費用，后者可計算出操作費用。兩者相加即可得出總費用。經過對各組翅片參數下總費用的比較，便可找出相同工藝條件下費用比較合理的一組翅片參數。下面就各個參數對費用的關系作一個定性的分析。為翅片管參數的選擇提供參考。（1） 翅片高度 翅片面積愈大，折合到光管外表面的膜傳熱系數也就愈高。因此當管內的膜傳熱系數較高時，采用高翅片管對提高總傳熱系數的效果也愈顯著。所以應根據管內傳熱系數的高低選擇翅片管的高度。參見表 4.21 表4.21 翅片高度的選擇 管內傳熱系數 hI /w/(m2 K)翅片高度 H > 1000高翅片 100018

17、00高或低翅片 1001000低翅片 < 100光管（2） 翅片間距翅片管的單位長度傳熱面積與片距成反比，在一定風速下，翅片管所能傳遞的熱量與換熱面積成正比。也就是說，片距愈小傳遞的熱量愈大，同時壓力降也愈大。表4.2-2為迎面風速為2.8ms、管心距為62mm、翅片外徑為57mm的條件下，片距的變化對管外傳熱系數、壓力降、總費用的影響。表4.2-2 片距對給熱系數、壓力降和費用的影響片距，mm 2.32.542.823.183.63管外傳熱系數變化趨勢10.930.870.800.73壓力降變化趨勢1089078067059總費用變化趨勢10.980.970.970.97注：上表的評價

18、是以翅片距2.3mm為基準的。從表4.2-2看出，在一定風速下，管外傳熱系數及阻力降隨片距增大而下降的幅度較大。在計算總費用時，假定管內的傳熱系數為700 W/(m2K).從總費用的變化趨勢可以看出，費用逐漸下降，當片距增到某一值時就不再下降了，因為設備費用的增加與操作的減少幾乎相等，故總費用幾乎不變。當然，當管內條件改變時，最低費用值的片距可能會出現在別的地方。針對上述情況，翅片管間距的改變對總費用的影響不大，當管排數在4以下，管外壓力降在風機的許可范圍之內時，可以采用S2.3 mm 的常用片距。當管排數較多，為了降低管外側壓力降，宜采用片距較大的翅片管。（3） 翅片管管心距按照以上的工藝條

19、件考查翅片管排列的管心距對傳熱系數、壓力降和總費用的影響，其結果列于表4.2-3。從表4.2-3看，一臺冷卻一定熱負荷的空冷器，其傳熱系數、壓力降和總費用隨管心距的增大而下降。傳熱系數和總費用的下降速率相同，壓力降的下降速率較快。從而可以看出適當增加管心距對空冷器是有利的。此外，管心距增大，壓力降減少也降低了空冷器噪聲。表4.2-3 管心距對給熱系數、壓力降及費用的影響管心距，mm 6061626364656667管外傳熱系數變化趨勢1.000.990.980.970.960.950.940.93壓力降（四排）變化趨勢1.000.960.920.880.850.810.790.75總費用變化趨

20、勢 1.000.990.980.970.960.950.940.93（4）管排數管排數對投資及操作費用影響較大,表4.2-4 列出了管排數對設備費用的影響。從表中可以看出選用多管排數較為經濟。排數少，傳熱效果好，所需面積略小，但占地大，單位傳熱面積造價高，同時由于空氣溫升小，風量就要大。當管內介質傳熱系數小，則管排數應適當增加。但管排數過多，對數平均溫差降低，傳熱面就增大，同時氣流阻力損失增加，電機的功率也就上升；當管內傳熱系數較高時，要盡量減少管排數并提高風速，從而獲得較大的管外側傳熱系數。因此設計時對管排數要進行合理選擇。可根據管內介質及介質溫度變化范圍 參考4.24、表4.2-5和表4.

21、2-6選擇管排數。如空氣溫升小于1520，則應適當增加排數。 表4.2-4 管排數對設備費用的影響管排數2345678費用系數1.251.151.000.9160.8560.8370.815表4.25 依據管內介質選用管排數 類 別建議管排數類 別建議管排數冷卻過程：冷凝過程： 輕碳氫化合物(汽油、煤油等)4或6 輕碳氫化合物(汽油、煤油等)4或6 輕柴油4或6 水蒸汽4 重柴油4或6 重整或加氫反應器出口氣體6 潤滑油4或6 塔頂冷凝器4或6 塔底重質油品6或8 煙氣4 汽缸或高爐冷卻水4表4.2-6 依據管內介質溫度變化范圍選用管排數熱流體溫度變化范圍/總傳熱系數/(W/m2.K)推薦管排

22、數 T63 6<T103 10 <T504 50 <T100<3505 100<T170<2306 T>170<1808（6） 迎風面速度的選擇管束迎風面的面積SF為管束外框內壁以內的面積，一臺空冷器的迎風面積近似于管束寬B乘管長L及管束數NS。空氣在標準狀態（指P=0.1013MPa，t=20）下通過迎風面的速度簡稱為標準迎風面速度。在設計計算中，用迎風面的風速作為基本參數，比用通過管間的實際風速要方便得多。迎風面風速的選擇要適當，風速過高會使得空氣側的壓力降太大，風機的功率消耗大；相反，風速太低，則會使得傳熱速率低，換熱面積增加。另外，風速的

23、選擇還應與風機的性能相適應。 對目前國產L、LL、KLM、G翅片管，采用鼓風式空冷器時，推薦的迎風速度列于表4.27。當采用引風式空冷器時，因風機入口處空氣溫度較高，為了節省動力可采用較低的迎風速度，但空冷器的傳熱面積要稍大一些。 表4.27 推薦的迎風速度 管排數345678 迎風速度 /(m/s)3.22.8 2.72.5 2.42.3 （7）. 管程數的選用 1) 氣體或液體冷卻時，在滿足允許壓力降條件下應盡量提高流速，一般液體流速在0.5 1.5ms之間，氣體質量流速在5 10kgm2·s左右，管內流體處于湍流流動狀態最為有利，因此選用二以上的管程數比較適宜。2) 對于冷凝過

24、程，如果對數平均溫差的校正系數大于0.8，可采用一管程否則（如：含不凝氣時）應考慮采用兩管程或多管程以提高管內流速。4-3計算步驟概述1 估算傳熱面積（1） 首先要依據工藝條件計算出總熱負荷。（2） 根據經驗選取總傳熱系數（3） 根據總傳熱系數估算空氣出口溫度（4） 計算平均溫差（5） 估算出所需的傳熱面積。空冷器的設計過程是一個猜算過程，按估算的傳熱面積，初步確定空冷器總體結構、管束和構架、風機的參數；2空冷器總體設計(1)管束的長度 一般般情況下，管束的長度應為為下列長度之一：3、4.5、6、9、10.5、12。單位為m.。（2）管束的寬度管束的寬度可根據下式計算： 式中 B-管束的計算寬

25、度，mmAR 管束的估算光管面積，m2Ao 管束翅片管的單管光管面積，m2NP-管排數ST-翅片管橫向管心距,mmD-翅片外徑.mmC-包括管束邊梁側板厚度和翅片與側梁間隙在內的橫向尺寸，一般為20 30 mm管束的長度和寬度應與所選的構架相適應。否則應進行調整。管束的寬度應與構架相適應，例如放置空冷器的構架6m 時，最好選用2個寬度為3m 或3個2m的管束。如果拼湊這些尺寸有困難時，也可按計寬度設計管束和構架。（3）構架參數構架的跨度要比管束的長度短300mm .。主要考慮管束的進出口管嘴的安裝方便。構架的寬度與管束的寬度一致。（4）風機參數根據構架的尺寸初步選定風機的直徑、臺數，同時應使構

26、架的風箱應有足夠的高度，保證風機擴散角不大于45o。3管束參數確定（1） 翅片管的參數：型式、高度、片距、片厚、光管外徑、管心距等（2） 管束的參數：管束的長度和寬度、管排數、管心距、管程數、光管面積、管程流通面積等（3） 管束的迎風面積（4） 管束的通風面積與迎風面積之比管束中的流通面積與迎風面積之比為So-通風面積，SF-迎風面積ST-翅片管中心距S-翅片間距b-翅片厚度H- 翅片高度（5） 管束的通風面積4詳細核算依據已知條件和初定的管束參數進行精確的傳熱及壓力降計算,將計算面積與所選用的面積進行比較，令其相對誤差不大于給定的誤差值。若大于時需調整空冷器參數，重新進行計算，直到滿足要求為

27、止。詳細核算過程如下：（1） 計算管內膜傳熱系數（2） 計算管外膜傳熱系數（3） 計算總傳熱系數（4） 計算空氣出口溫度（5） 計算平均溫差（6） 計算所需的傳熱面積（7） 計算面積余量，面積余量應在許可范圍之內，余量一般為1020%。 如果不滿足此要求，則需從第一步中重新選取總傳熱系數，重復上計算過程，直至滿足要求為止。 （8） 計算管程壓力降 管程的壓力降應符合設計條件要求，否則應重新設定管程數，自第二步開始重新計算，直至壓力降滿足要求為止。5 風機計算（1） 計算風量。（2） 計算管束的管外壓力降。（3） 計算風機軸功率、電機功率。若管束的管外壓力降超過風機的承受能力，則要重新設定管束參

28、數，如加大翅片片距或管間距。重新進行計算，直至滿足要求為止。6 噪聲計算計算結果若超過設備的額定值，則需調整風機參數，甚至需調整空冷器型號，再重新計算之。4.4 液相冷卻的空冷器設計4.4.1計算步驟（1） 根據總體設計的要求，考慮該項目使用空冷器的合理性。進行選用空冷還是水冷，選用干空冷還是濕空冷，是否設置后冷器等項的分析比較；（2） 確定設計條件，如確定空氣設計溫度；（3） 計算熱介質需要冷卻的熱負荷；（4） 按空冷器估算方法計算所需的傳熱面積，初選空冷器的參數及臺數；（5） 按初選設備進行詳細核算。計算管內、外膜傳熱系數及總傳熱系數；（6） 計算空氣出口溫升，空氣的出口溫度及有效平均溫差

29、；（7） 詳細計算所需的換熱面積，對計算面積與選用面積進行比較，若相對誤差小于給定的誤差值，則計算結束，否則需調整空冷器參數，自（4）重新計算，直至滿足要求為止；（8） 根據空冷器管束面積初選風機型號及臺數；（9） 計算管程壓力降（10） 按選定的風機型號計算全風壓、葉片角度、風機軸功率、電機功率及噪聲等。如果計算結果超過所選風機的額定值，則需調整風機或空冷器型號，重新自（4）算起，直至滿足要求為止。（11）計算空冷器噪聲。4.4.2 液體冷卻過程計算例題 1 已知條件：介質： 航煤，餾程為130230C 質量流量：67000kg/h進口溫度：165出口溫度：55入口壓力：0.2Mpa允許壓降

30、：60kPa結垢熱阻：0.000173 m2.K/W介質物性： 比重：0776； 特性因數；KF=121 粘度，135=0.388×10-3 pa.s 50=0.714×10-3 pa.s 進口熱焓 Hl1412.4KJ/kg 出口熱焓 Hl2 146.5KJ/kg 熱流冷卻的熱負荷 ： QR=Wi(Hll-Hl2) =67000/3600*(412.4-146.5)*1000=4947983.5 W空氣設計溫度：t1=35空氣設計最低溫度 ：t=-10空氣側污垢熱阻：ro=0.00018 m2K/W海撥高度：50m 2 估算傳熱面積（1）估算空氣出口溫度t2：據表3.26

31、選取經驗總傳熱系數K0400W（m2·K） t2=t1+0.88×10-3·K0·Ff·（）由熱流溫差16555110從圖3.21查出Ff1.17 代入上式得 t2350.88×10-3×400×1.17×（） 65.77（2）對數平均溫差： 49.46 （3）估算換熱面積： AR3初步選取空冷器規格參數管束長：L=9m管束寬B=2.5m管束數量n=2管束參數：翅片型式：L型 管排數Nt=6管程數Np=6光管外徑：d=25 mm 光管內徑：di=20 mm翅片高：H=16 mm 翅片間距：S= 2.31

32、mm 翅片厚度：b=0.4mm每米長度的翅片數：433管心距：ST=63.5 mm每m翅片面積Af=1.84m2每m光管面積Ao=0.07854m2翅化比=25.41迎風面積SF=22.05 m2通風面積與迎風面積之比a=0.528 管子數 n=228 管束面積A=160m2管程流通面積：Si=0.011932 m2 構架規格：9*5風機直徑D=3.6m風機數量：2臺通風方式：鼓風式注意：選用面積比初估面積需留1020的余量。4 詳細核算傳熱面積 (1)計算管內膜傳熱系數 定性溫度 TD0.4T10.6T2 0.4×165+0.6×55=93.5 定性溫度下的物性: 比熱：

33、CP2.35kJ/(kg·K)導熱系數：0.143W/(m·K)重度：715kg/m30.44×103pa·s 質量流速 雷諾數 勃蘭特準數 Pr管內膜傳熱系數首先假設壁溫正系數1.0，按式（3.229）計算：hi=0.027 =1302.28W/(m2K)(2) 計算管外膜傳熱系數按勃利格斯關聯式進行詳細計算。定性溫度空氣出口溫度先按估算法求出的值。所以定性溫度為 tD0.5*（t1+t2）=0.5 *(35+65.77) =50.39 定性溫度下的物性 空氣比熱： a= 1009J/(kg·K)導熱系數：a=0.0285W/(m·

34、K)粘度： a=0.0195厘泊0.0195×10-3Pa·s重度：a=1.093kg/m3 按所選的 6管排， 取標準迎風速UNF2.5m/s。迎風面面積： SFL×B×NS22.05×244.1m2標準狀態下的風量 VUNF×SF×36002.5×44.1×3600=396900m3/h空氣的流通面積為：So=0.5286×SF=0.53×44.1=23.31m2空氣的質量流率 Gmax= 翅根外徑dr=0.0258m Re= 勃蘭特準數 Pr翅片效率 Ef=1.092+0.137

35、6UF0.359=1.092+0.1376*2.50.359=0.9有效翅化比 =(Ef.Af+Ao)/Ao=(0.9*1.84+0.07854)/0.07854=22.02 管外膜傳熱系數ho=0.1378 =0.1378 =960.2W/(m2·k) 壁溫校正系數管壁溫度為 tw= 壁溫下介質的重度及粘度。 =725 kg/m3 w=0.71厘沲 w0.725×0.71×10-3=0.5148×10-3pa·s （(3) 總傳熱系數 取ri=0.00017m2·k/w ro=0.00018 m2·k/w (rf+rp)=

36、0.00024423 m2·k/w 間隙熱阻為rg= m2·k/w =390w/(m2·k)(4) 有效平均溫差 計算空氣溫升 t=空氣出口溫度為： t2=3539.1374.13對數平均溫差溫度效率： 2溫度相關系數 查 圖3.29得FT0.95有效溫差:TTm*46.0746.82*0.95=44.48(5) 傳熱面積 m2實際選用面積余量 面積余量在許可范圍之內.5 管程壓力降計算 沿程壓力降： Pt 其中 fi=0.4513(Re)-0.2653=0.4513(35471.36)-0.2653=0.02888 Pt 管箱壓力降： Pr= =10.21kpa

37、 進出口壓力降： 進出口各二個，公稱直徑為100 mm。 其中 管程總壓力降： Pi=Pt+Pr+PN=33.91+10.21+0.37 =44.49kpa 管程壓力降在許可范圍之內。6 風機計算根據風機的選擇原則，估選風機為：GTF36R4型風機2臺，葉輪直徑為3.6米。由于控制噪聲的需要，葉尖速度選為50米秒。故風機的轉數為 n=265.26轉分 全風壓 通過管束的壓力降Pst Ps=f·NB· f=37.86( =37.86 Ps=1.001×6× 風機動壓頭 PD UB米秒 PD 其中 B1.205 全風壓 HPstPD79.48816.3495

38、.83 pa 電機功率為：該裝置海拔50米，FL1.01 10.77 kw其中：風機效率：1=0.65 傳動效率：2=0.86 電機效率：3=0.95 冬季最低氣溫-10，此時的功率消耗為N=No(273+t1)/(273+t3)=10.77*(273+35)/(273-10)=12.61 kW電機額定功率選用17 kw，用皮帶傳動。7 噪聲計算 Lp=35.8+30logVt+10logNz-20logDf =35.8+30×log(50)+10log(10.77)-20log(3.6) =86.08分貝由于2臺風機同時操作，總噪聲值應為： Lp總86.08+3=89.08分貝 2

39、臺共同操作時也已滿足石油化工企業部部標準SH30241995石油化工企業環境保護設計規范中，空冷器總噪聲應低于90分貝的規定。4.5 氣體冷凝冷卻空冷器設計4.5-1氣體冷凝冷卻過程分類與特點 氣體冷凝冷卻過程可分為三類。一是單純的氣體冷卻過程，這一過程的特點是氣相冷卻，被冷卻介質只是溫度下降而不發生相變過程。二是可凝氣的冷凝過程。被冷凝的氣體在冷凝過程中由氣體變成了液體，物理形態產生了變化。三是含不凝氣的冷凝冷卻過程。這是一個較為復雜的過程，即既有不凝氣的冷卻又有可凝氣體的冷凝，它是上述二個過程的綜合。其難點之一是管內的傳熱量的計算，要通過閃蒸平衡計算出各點的熱量及汽化率，然后求出總熱負荷。

40、難點之二是管內的傳熱過程是兩相傳熱，它的傳熱系數計算較為煩雜。 4.5-2 氣體冷凝冷卻器設計應采取的措施1氣體冷卻過程的措施 （1）采用低翅片管由于單純的氣體冷卻過程的傳熱系數較低，熱阻較大， 管外側的強化傳熱意義不很大，因而可以采用翅化比較小的低翅片。（2）強化管內的傳熱由于管內的氣體的傳熱數低，因而應該盡可能地提高管內的流速以強化管內側的傳熱 。單純的氣體冷卻過程不產生凝液，無冰凍現象，因此不用考慮防凍措施。2 可凝氣冷凝的措施（1）采用高翅片管。單純的可凝氣冷凝，是一個快速的相變放熱過程。管內的傳熱系數很大。為了適應管內的傳熱狀態，管外應采用高翅片管。（2）提高迎面風速。加大管外側的風

41、速以提高傳熱溫差，盡可能快速地將熱量傳遞出去。（3）采用單管程。可凝汽的冷凝器大多數在真空條件下工作，為了減少阻力降，通常采用單管程（4）進出口管箱的設計都需特殊處理。進口管箱為了減少阻力和有利于氣體的分配采用大集合管。出口管箱的容積也較大，其目的是提供一個利于氣液分離的空間 。3含不凝氣的冷凝冷卻的措施 含不凝氣的冷凝冷卻是前面所述兩個過程的綜合。是一個較復雜也是工業中經常碰到的傳熱過程。除了應采用可凝氣體的冷卻器的措施外，要特別注意精心設計。設計時要對傳熱負荷、總傳熱系數和壓力降進行詳細計算，并盡可能用經驗數據對計算進行修正。由于這種工況非常復雜，精心設計就更顯得重要。 對于全冷凝過程的計

42、算與冷卻過程基本相同，但需注意以下問題：定性溫度的確定：一般以1/2熱負荷處的冷凝溫度作為定性溫度。通過閃蒸平衡計算，作出熱負荷隨溫度變化的曲線，從曲線中可以查出冷凝1/2熱負荷處的溫度。如果熱負荷與流體溫度成正比關系變化，而且冷凝膜傳熱系數高于空氣膜傳熱系數很多，則定性溫度可取進出口溫度的平均值。系單一組分，則全過程的冷凝溫度不變。采用阿柯斯法計算管內膜傳熱系數時，若冷凝膜傳熱系數很大，可忽略氣體顯熱對流傳熱，此方法比較簡便。當需要較精確計算時應按兩相流方法計算管內膜傳熱系數。4.5-3 可凝氣冷凝例題1已知條件：介質：某穩定塔頂汽油油氣冷凝。該過程為全冷凝過程，入口為完全汽相，出口為凝液。

43、 油氣流率：82000 kg/h 入口溫度：T1=140；出口溫度：T2=55。入口壓力:P1=0.2Mpa允許壓力降:P=60kPa管內污垢熱阻:ri=0.00012m2.K/W介質物化性質 ：比重：d420=0.7201；特性因數：K=12.0；分子量：M=103；熱焓：進口，Hg1=632.2KJ/kg 出口，Hl2=154.9KJ/kg熱流冷凝的熱負荷。 QWi(Hg1-Hl2) W Q82000/3600×（632.2-154.9）×103=10871724 W2 估算傳熱面積 （1）確定設計氣溫、該設備位于某地區，當地海拔50米，夏季平均每年不保證五天的日平均氣

44、溫為35，取此溫度為空氣設計溫度。（2）估算空氣出口溫度據表3.25選取經驗總傳熱系數K0=400w/(m2·k)，估算空氣出口溫度 t2=t1+0.88×10-3·Ko·Ff·由圖38查出Ff1.11t2=35+0.88×10-3×400×1.11×()=59.43（3）計算對數平均溫差： Tm（4）估算需要的傳熱面積 AR米2 管束數量N=AR/Ao=625.27/193=3.233初選空冷器結構參數管束數量N=4管束長：L=9m管束寬B=3m管束參數：翅片型式：L型 管排數NB=6管程數Np=2光管

45、外徑：d=25 mm 光管內徑：di=20 mm翅片高：H=16 mm 翅片間距：S= 2.31 mm 翅片厚度：b=0.4mm每米長度的翅片數：433管心距：ST=63.5 mm每m翅片面積Af=1.84m2每m光管面積Ao=0.07854m2翅化比=23.41迎風面積SF=26.01m2通風面積與迎風面積之比a=0.528 管子數 n=276 管束面積Ao=193m2管程流通面積：0.043332 m2 構架規格：2個9*6風機直徑D=3.6m風機數量：4臺通風方式：鼓風式選用面積比初估面積已留余量。4 核算（1）計算管內膜傳熱系數 定性溫度該過程為完全冷凝，其冷膜傳熱系數高于空氣膜傳熱系

46、數較多，故取熱流速進、出口溫度的平均值作為定性溫度即： TD（T1T2）（14055）97.5 定性溫度下的物性比熱(Cp)l=2.462KJ/kg導熱系數l=0.153w/(m·k)密度l=650kg/m3；g4.568kg/m3液體粘度 l=0.2795×10-3pa·s氣體粘度 g=0.00775×10-3pa·s 當量流量 WE（W1·g+W2·g）( =(82000)( kg/h 當量雷諾數為： (Re)E= = 勃蘭特準數 Pr管內冷凝液膜傳熱系數 由于為完全冷凝過程，冷凝膜傳熱系數較大，故氣體顯熱膜傳熱系數可略去。（2）