热管换热器设计计算的线算图法_杨肖曦

2005年　第33卷　第7期设计计算

石　油　机　械

CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY

—35—

热管换热器设计计算的线算图法

杨肖曦　邸玉静　马玉峰

(1. 中国石油大学华东　2. 胜利发电厂)

　　摘要　针对热管换热器设计计算公式复杂, 计算工作量大的问题, 提出了采用线算图法进行气-气热管换热器设计计算的方法。将热管换热器设计计算中的对流换热系数、流动阻力和携带传

热极限计算公式均以线算图的形式表示, 并给出计算实例。线算图法与常规计算方法相比, 两者的计算结果相差很小, 但线算图法更方便、简单, 同时可以清晰地表示各参数对热管换热器性能的影响。

　　关键词　热管换热器　设计计算　线算图法　　热管换热器是理想的余热回收换热设备, 以其独特的优点广泛应用于动力、化工、冶金、电力等各个领域

[1]

　ε——热、冷侧热管表面的清洁度; 1、ε2—　η——热、冷侧翅化面总效率; 01、η02—　h e 、h c ———热、冷侧管内沸腾、凝结换热系数, W /(m ℃);

　l 1、l 2———热、冷侧热管长度, m ; 　d o 、d i ———热管外径、内径, m ; 　k p ———管材导热系数, W /(m ℃)。在传热计算中, 管外对流换热系数h 是热管传热中的关键环节, 其计算公式较复杂。

h =Nu

λf d o

(3)

0. 718

。但是热管换热器设计计算公式复杂,

大量的物性量需要查表计算, 计算工作量大, 而且容易出错。为此, 笔者提出了用线算图法进行热管换热器设计计算。

热管换热器设计计算

热管换热器设计的主要任务是在给定的设计条件下, 选择合适的热管元件, 进行换热器传热计算及流动阻力计算, 并对换热器进行安全性校核

1. 热管换热器的传热计算

传热方程式

Q =KF ΔT m

式中　Q ———总换热量, k W ;

　K ———总传热系数, W /(m ℃);　F ———传热面积, m ;

　ΔT m ———换热器的对数平均温差, ℃。

总传热系数K 按下式计算

d o d o d o ln +h 1β1η2k p d i h e d i K 01ε1

d o d o l 1d o l 1ln h c d i 2k p l 2d i h 2β2η02ε2l 2

W /(m ℃);　β1、β2———热、冷侧翅化比;

[2]

。式中　Nu ———流体努希尔数, Nu =0. 1378Re P S f ︺l f

0. 296

;

　Re ———流体雷诺数, R e =ud o ρ︺μ;

(1)

c p μ

　P r ———流体普朗特数, P r ;

λf

　λ——流体导热系数, W /(m ℃);f —

　u ———流通截面最窄处当时当地流速, m /s; 　μ———流体粘度, Pa s ; 　ρ———流体密度, kg /m ;

　c p ———流体定压比热容, kJ /(㎏ ℃);　S f 、l f ———热管翅片间距、长度, m 。

(2)

2. 流阻计算

冷热流体流过热管换热器的流动阻力降Δp s 是计算送引风机压头、功率的依据。

f N L G m ax

Δp s 2ρ

式中　h 1、h 2———热、冷侧管外对流换热系数,

(4)

—36—　　　　　　石　油　机　械2005年　第33卷　第7期

式中　f ———摩擦系数, S T d o

-0. 927

d o G max

f =37. 86

-0. 316

修正系数C sp , C sp 与热管管束的横向间距

S T 、斜向间距S c 和热管外径d o 有关。变换公式(4), 得流动阻力线算图公式

ΔP s =N L C wp C sp G max g

1. 684

S T

S c

-0. 515

;

(7)

　G max ———流体最大质量流量, kg /(m s ); 　S T 、S c ———热管管束的横向、斜向间距, m ; 　N L ———沿流动方向热管排数。3. 安全性校核计算

热管换热器还需进行安全校核计算, 重力热管的工作主要受到携带极限的限制。

携带极限的计算公式Q e m ax =

(ρl

-0. 25

3. 2th (0. 5-ρv

-0. 25

πd i

r ×4

(5)

)

-2

l v 式中　B o ———无因次管径, B o =d i

ρl -v

; σ

　r ———热管中水的汽化潜热, kJ /kg; 　ρ——饱和水的密度, kg /m ; l —　ρ——饱和水蒸气密度, kg /m ; v —　σ———热管中水的表面张力系数, N /m 。

线算图的编制

把热管换热器的对流换热系数、流动阻力及携带极限计算公式以线算图形式表示出来, 使热管换热器的设计计算更加方便准确。

1. 对流换热系数

从对流换热系数公式(3) 中可以看出, 流体的密度ρ、导热系数λ、普朗特数Pr f 、运动粘度μ等热物性参数都只与流体温度t 有关, 所以用换热流体物性修正系数C wh 表示上述热物性参数对对流换热的综合影响, C wh 只与流体温度t 有关; 同样用肋片间距第一修正系数C sh 表示热管结构参数对对流换热的影响, C s h 与热管翅片间距和热管外径d o 有关; 用基准换热数a 0表示当地流速u 对对流换热的影响, a 0与当地流速u 和热管外径d o 有关。经过变换, 公式(3) 可简化为

h =C sh C wh a 0(6)

　　把C w h 、C sh 和a 0与以上相应参数的函数关系以曲线(簇) 的形式直观地表示出来, 如线算图图1所示。

2. 流阻计算

与对流换热系数的处理方法相同, 引进只与流体温度t 有关的物性修正系数C wp 和肋片间距第二

图1　对流换热系数线算图

把C wp 和C sp 用线算图表示出来, 如图2所示。3. 携带传热极限

分析携带传热极限计算公式(5), 热管中水的汽化潜热r 、表面张力系数σ、饱和水的密度ρl 、饱和水蒸气密度ρv 只与热管中水的温度t 有关, 所以携带传热极限计算公式可以变换成热管工作介质温度t 和热管内径d i 的函数式

Q e max =f (t , d i ) 　　携带传热极限线算图如图3所示。

由换热系数线算图可以看出来, 换热系数受到管径d o 、当地流速u 和翅片间距S f 的影响。随着u 和S f 的增加, 管外换热系数增加; 随着管径d o 的增大, 管外换热系数减小。

(8)

2005年　第33卷　第7期杨肖曦等:热管换热器设计计算的线算图法　　　　　　—37—

由流动阻力计算线算图可以看出, 随着当地流速u 的增加、管束的横向间距S T 和管束斜向节距S c 的减小, 流动阻力增加; 随着管径d o 的增加, 流动阻力减小。

由热管携带传热极限线算图可以看出, 随着管径的增大, 热管的传热极限增大, 即小管径热管易达到其传热极限。为了增加热管工作安全性, 在选用热管时管径越大越好

。

排气温度t ′300℃;1=空气流量V 02=4500m /h ; 空气进口温度t ′20℃;2=

热管元件热冷流体侧的翅片几何结构相同, 热管管束采用正三角形错排, 热管的几何尺寸:热管外径d o =25mm ;

螺旋翅片外径d f =50mm ; 翅片间距S f =6mm ;

翅片长度l f =12. 5mm ; 热管管束的横向间距S T =65mm 。2. 计算结果

常规手算法和线算图法的计算结果如表1所示。比较可知, 用查图表计算方法所得的结果与手算法结果相对差值很小, 但可以大大减少计算量。

表1　常规手算法和线算图法的计算结果

算法手算法线算图法

相对差值/%

总传热系数K /传热量

W (W m -2 ℃-1) Q /k

154. 743154. 6070. 089

流动阻力ΔP /Pa 携带极限

Q e max /k W

热侧冷侧

6. 7986. 8000. 029

235. 155224. 32218. 83235. 108224. 52218. 740. 02

0. 087

0. 045

结　　　论

(1) 用线算图法所得的结果与手算法计算结果比较表明, 2种计算方法结果相差很小, 线算图

图2　

流动阻力计算线算图

法可以大大减少计算量。

(2) 在设计热管换热器时, 应该综合考虑各参数对热管换热器的传热、流动阻力及安全性能的影响。

参　考　文　献

1　石　杰, 刘顺顺, 郭宏新. 热管换热器在炼油及石化工业上的应用. 能源研究与利用, 出版社,

1986

2003, (1):47～48

2　靳明聪, 陈远国. 热管及热管换热器. 重庆:重庆大学

图3　携带传热极限线算图

综合考虑以上因素, 在设计热管元件时, 应选取合理的管径和当地流速。

作者简介:杨肖曦, 女, 生于1963年, 1985年毕业于上海理工大学热能工程专业, 现从事热能工程的教学与科研工作。地址:(257061) 山东省东营市。电话:(0546) 8396121。E -ma il :yx i aox i 123@163.

co m 。

(本文编辑　李学富)

计　算　实　例

1. 原始数据

排气流量V 01=5000m /h;

收稿日期:2005-03-17

o f drilling , a bendi ng sub whose ang le can be changed on t he g round is desi gned . The desi gn feature o f the bend i ng sub is de -scribed , and its operati ng principle is expounded . The change o f the ang le o f t he bending sub is contro lled by chang ing t he dis -p l ace m ent o f the drilling fluid on t he g round . A nd seve ra l ang les o f sub can be ava ilab le to m ee t the need of t he direc tiona l contro l o f t he we ll pat h .

K ey word s :bending s ub , w e ll path control , remo te con -trol techno l ogy

Chen Jiaqing (M echanical Enginee ri ng D epar t m en t , Be iji ng Instit u t e o f P e trochem ical Techno l ogy ,

Be ijing ),

Zhou H a i ,

W ang L i , e t a. l Do wnho l e electric subm ersi b le t w i n -screw pump syste m. CP M , 2005, 33(7):28～31

A ft e r a b ri e f introduction o f the struc t ure o f the do w nhole e -lectri c sub m e rsi b l e t w in -scre w pu m p syste m ,

t wo desi gn

i nc l u -scheme s of t h is syste m a re ana l y zed . A nd t he key technical points i n t he develop ment of t he syste m are expounded , ding :(1) t he desi gn and ca lcu l a tion o f the di mensi ons o f sing le pu mp st age ;(2) c l ea rance con tro l of t he ro tors of t he screw ; (3) surface streng t hening o f the m ain co m ponent parts .

K ey words :mechanica l oil p roducti on sy ste m , sub m ersi b l e t w i n -sc re w pu m p , scheme

W u Hanchuan (SJ P etro l eu m M achinery Company ,

Ji ng -struct u ra l de sign ,

e l ec tric desi gn

a t diff e rent te m pe ra t ure need t o be ca lcu l a ted , a nom og raph ic

m e t hod for the calcu l a tion of gas -gas hea t pipe exchange r is presen t ed . By m eans o f this me t hod , the f o r mu l a s for ca lcu l a ting t he convecti on heat exchange coeffic i ent , the flow resistance and t he carry i ng hea t transfe r li m it a re expressed by t he pa ttern of nomog raphy . A nd t he present ed m ethod is ill ustra ted by an ex -a m ple . T he m e t hod ism ore convenien t and si mp l e r t han the con -ven tiona l ca lcu l a ting me thod , and it can s how t he i nfl uence of each para m eter on t he perfor m ance of the heat pipe exchang er c l ea rl y

K ey w ords :hea t p i pe exchange r , de sign and ca l cula tion , nomog raphic m ethod

L i Bin (Jianghan M achine ry Re search Instit ute , C ity , H ubei P rov ince ), He Ce , Y ang X un ,

Jing z hou

et a. l A nove l

back wash natu ral gas filter . CP M , 2005, 33(7):38～40

T he trad itional na t ura l gas filt e r is ha rd to mee t the need of l ong -distance transporta tion o f natura l gas on a l a rge scale , t herefore a back w ash natura l ga s filt e r is deve l oped . T he de sign f ea t u re and operati ng pri nc i p l e a re i n troduced . The filt e ri ng e l e -m ent o f this filter can be back w ashed and regenerated , so the produc ti on cost can be reduced obv iously by using the filter . O n -sit e test in Chuanzhong o il and g as fie l d s how s t ha t , the new filter has exce llent nat u ra l gas filt e ri ng capacity and good back -wash i ng and regene ra tion e ffec t , and the indexe s of i m purities and s u lfide conten ts accord w it h the require m ent o f t he use r , t herefore it can be used w i de l y .

K ey word s :nat u ra l ga s filter , struc t ural anal y sis , back -wash i ng and regene ra tion , on -site test

Hu Y i (G udao O il P roduc tion P lan t , Sheng li O ilfi e l d Co m -pany , D ongy i ng C ity , Shandong P rovince ), Li X iaonan , Shang Yueqiang , et a. l Do wnh ol e s w itch valve for h i gh -te m pera -ture we lls . CP M , 2005, 33(7):41～42

T o so l ve t he prob l em o fwe ll fl u i d ove rflow i n heavy o il the r -m a l recove ry w ells , a nove l dow nho le s w it ch va l ve is deve l oped . T he characteristics o f t h is valve lie in :(1) t he valve ba ll can be opened and closed flex i b l y by using the rack -gear trans m ission m echanis m , and the l o cking mechanis m com prised of l o cking c l aw and spri ng and suppo rting ring is re liable and is no t i nfl u -enced by t he pre ssure d iffe rentia l on the v alve ba ll ;(2) the m e tal seal o f the va l ve ba ll surface seals w ell a t high t empe ra t ure and high pre ssure ; (3) t he va l ve ba llhas large i nte rna l dia m e ter and provides a s m oo t h fl ow pa ssage for t he w e ll fl uid ;(4) the ba ll va l ve can be s w itched convenien tly in pulling and lo w ering t he string .

K ey w ord s :t her m a l recove ry we ll , dow nho le s w itch va l ve , struc t ural cha rac t e ristic

z hou C it y , Hube i P rov ince ), Q i ao Chun , Fu Yacheng . Design of sk i d -m oun ted power pack of five -cy li nder slush pump . CP M , 2005, 33(7):32～34

A skid -mounted pow er pack o f five -cy li nde r slus h pump is developed t o mee t t he need o f truck -m ounted rig .

It t akes

high -speed diese l eng ine s as po w er source to dri ve the large -dis p lacement drill pu m p , wh ich ha s s m all e r size and li ghter w eight t han the triplex sl ush pu m p . The skid -moun t ed struc -t u re ens u res t he po w e r pack -slus h pu m p s y st em be i ng m oved on t he we ll sit e and transpo rted as a who le w it hou t reinsta llati on and adjust men. t The po w e r pack is prov i ded w ith mu lti p l e sa fety appa ra t us and re m ote contro ll ed syste m , and safe .

K ey word s :s k i d -m ounted sl u s h pu mp po w e r pack , -cy linder sl ush pu m p , large disp l ace m ent , desi gn

Yang X iaoxi (Chi na U niversit y of Pe tro leu m , D ongy ing Cit -y , Shandong P rov i nce ), D i Yu jing , M a Yufeng . No m ograph i c m eth o d for d esi gn and ca l cu l at i on of heat p i pe exchanger . CP M , 2005, 33(7):35～37

S i nce t he calculati ng f o r mu l a s of heat pipe exchanger a re comp licated and t he phy sica l param eters o f t he w ork i ng mediu m

—3—five

t herefore it is reliable

2005年　第33卷　第7期设计计算

石　油　机　械

CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY

—35—

热管换热器设计计算的线算图法

杨肖曦　邸玉静　马玉峰

(1. 中国石油大学华东　2. 胜利发电厂)

　　关键词　热管换热器　设计计算　线算图法　　热管换热器是理想的余热回收换热设备, 以其独特的优点广泛应用于动力、化工、冶金、电力等各个领域

[1]

　ε——热、冷侧热管表面的清洁度; 1、ε2—　η——热、冷侧翅化面总效率; 01、η02—　h e 、h c ———热、冷侧管内沸腾、凝结换热系数, W /(m ℃);

h =Nu

λf d o

(3)

0. 718

。但是热管换热器设计计算公式复杂,

大量的物性量需要查表计算, 计算工作量大, 而且容易出错。为此, 笔者提出了用线算图法进行热管换热器设计计算。

热管换热器设计计算

热管换热器设计的主要任务是在给定的设计条件下, 选择合适的热管元件, 进行换热器传热计算及流动阻力计算, 并对换热器进行安全性校核

1. 热管换热器的传热计算

传热方程式

Q =KF ΔT m

式中　Q ———总换热量, k W ;

　K ———总传热系数, W /(m ℃);　F ———传热面积, m ;

　ΔT m ———换热器的对数平均温差, ℃。

总传热系数K 按下式计算

d o d o d o ln +h 1β1η2k p d i h e d i K 01ε1

d o d o l 1d o l 1ln h c d i 2k p l 2d i h 2β2η02ε2l 2

W /(m ℃);　β1、β2———热、冷侧翅化比;

[2]

。式中　Nu ———流体努希尔数, Nu =0. 1378Re P S f ︺l f

0. 296

;

　Re ———流体雷诺数, R e =ud o ρ︺μ;

(1)

c p μ

　P r ———流体普朗特数, P r ;

λf

　λ——流体导热系数, W /(m ℃);f —

　u ———流通截面最窄处当时当地流速, m /s; 　μ———流体粘度, Pa s ; 　ρ———流体密度, kg /m ;

　c p ———流体定压比热容, kJ /(㎏ ℃);　S f 、l f ———热管翅片间距、长度, m 。

(2)

2. 流阻计算

冷热流体流过热管换热器的流动阻力降Δp s 是计算送引风机压头、功率的依据。

f N L G m ax

Δp s 2ρ

式中　h 1、h 2———热、冷侧管外对流换热系数,

(4)

—36—　　　　　　石　油　机　械2005年　第33卷　第7期

式中　f ———摩擦系数, S T d o

-0. 927

d o G max

f =37. 86

-0. 316

修正系数C sp , C sp 与热管管束的横向间距

S T 、斜向间距S c 和热管外径d o 有关。变换公式(4), 得流动阻力线算图公式

ΔP s =N L C wp C sp G max g

1. 684

S T

S c

-0. 515

;

(7)

　G max ———流体最大质量流量, kg /(m s ); 　S T 、S c ———热管管束的横向、斜向间距, m ; 　N L ———沿流动方向热管排数。3. 安全性校核计算

热管换热器还需进行安全校核计算, 重力热管的工作主要受到携带极限的限制。

携带极限的计算公式Q e m ax =

(ρl

-0. 25

3. 2th (0. 5-ρv

-0. 25

πd i

r ×4

(5)

)

-2

l v 式中　B o ———无因次管径, B o =d i

ρl -v

; σ

　r ———热管中水的汽化潜热, kJ /kg; 　ρ——饱和水的密度, kg /m ; l —　ρ——饱和水蒸气密度, kg /m ; v —　σ———热管中水的表面张力系数, N /m 。

线算图的编制

把热管换热器的对流换热系数、流动阻力及携带极限计算公式以线算图形式表示出来, 使热管换热器的设计计算更加方便准确。

1. 对流换热系数

h =C sh C wh a 0(6)

　　把C w h 、C sh 和a 0与以上相应参数的函数关系以曲线(簇) 的形式直观地表示出来, 如线算图图1所示。

2. 流阻计算

与对流换热系数的处理方法相同, 引进只与流体温度t 有关的物性修正系数C wp 和肋片间距第二

图1　对流换热系数线算图

把C wp 和C sp 用线算图表示出来, 如图2所示。3. 携带传热极限

Q e max =f (t , d i ) 　　携带传热极限线算图如图3所示。

(8)

2005年　第33卷　第7期杨肖曦等:热管换热器设计计算的线算图法　　　　　　—37—

。

排气温度t ′300℃;1=空气流量V 02=4500m /h ; 空气进口温度t ′20℃;2=

热管元件热冷流体侧的翅片几何结构相同, 热管管束采用正三角形错排, 热管的几何尺寸:热管外径d o =25mm ;

螺旋翅片外径d f =50mm ; 翅片间距S f =6mm ;

翅片长度l f =12. 5mm ; 热管管束的横向间距S T =65mm 。2. 计算结果

常规手算法和线算图法的计算结果如表1所示。比较可知, 用查图表计算方法所得的结果与手算法结果相对差值很小, 但可以大大减少计算量。

表1　常规手算法和线算图法的计算结果

算法手算法线算图法

相对差值/%

总传热系数K /传热量

W (W m -2 ℃-1) Q /k

154. 743154. 6070. 089

流动阻力ΔP /Pa 携带极限

Q e max /k W

热侧冷侧

6. 7986. 8000. 029

235. 155224. 32218. 83235. 108224. 52218. 740. 02

0. 087

0. 045

结　　　论

(1) 用线算图法所得的结果与手算法计算结果比较表明, 2种计算方法结果相差很小, 线算图

图2　

流动阻力计算线算图

法可以大大减少计算量。

(2) 在设计热管换热器时, 应该综合考虑各参数对热管换热器的传热、流动阻力及安全性能的影响。

参　考　文　献

1　石　杰, 刘顺顺, 郭宏新. 热管换热器在炼油及石化工业上的应用. 能源研究与利用, 出版社,

1986

2003, (1):47～48

2　靳明聪, 陈远国. 热管及热管换热器. 重庆:重庆大学

图3　携带传热极限线算图

综合考虑以上因素, 在设计热管元件时, 应选取合理的管径和当地流速。

co m 。

(本文编辑　李学富)

计　算　实　例

1. 原始数据

排气流量V 01=5000m /h;

收稿日期:2005-03-17

K ey word s :bending s ub , w e ll path control , remo te con -trol techno l ogy

Chen Jiaqing (M echanical Enginee ri ng D epar t m en t , Be iji ng Instit u t e o f P e trochem ical Techno l ogy ,

Be ijing ),

Zhou H a i ,

W ang L i , e t a. l Do wnho l e electric subm ersi b le t w i n -screw pump syste m. CP M , 2005, 33(7):28～31

A ft e r a b ri e f introduction o f the struc t ure o f the do w nhole e -lectri c sub m e rsi b l e t w in -scre w pu m p syste m ,

t wo desi gn

K ey words :mechanica l oil p roducti on sy ste m , sub m ersi b l e t w i n -sc re w pu m p , scheme

W u Hanchuan (SJ P etro l eu m M achinery Company ,

Ji ng -struct u ra l de sign ,

e l ec tric desi gn

a t diff e rent te m pe ra t ure need t o be ca lcu l a ted , a nom og raph ic

K ey w ords :hea t p i pe exchange r , de sign and ca l cula tion , nomog raphic m ethod

L i Bin (Jianghan M achine ry Re search Instit ute , C ity , H ubei P rov ince ), He Ce , Y ang X un ,

Jing z hou

et a. l A nove l

back wash natu ral gas filter . CP M , 2005, 33(7):38～40

K ey word s :nat u ra l ga s filter , struc t ural anal y sis , back -wash i ng and regene ra tion , on -site test

K ey w ord s :t her m a l recove ry we ll , dow nho le s w itch va l ve , struc t ural cha rac t e ristic

z hou C it y , Hube i P rov ince ), Q i ao Chun , Fu Yacheng . Design of sk i d -m oun ted power pack of five -cy li nder slush pump . CP M , 2005, 33(7):32～34

A skid -mounted pow er pack o f five -cy li nde r slus h pump is developed t o mee t t he need o f truck -m ounted rig .

It t akes

K ey word s :s k i d -m ounted sl u s h pu mp po w e r pack , -cy linder sl ush pu m p , large disp l ace m ent , desi gn

S i nce t he calculati ng f o r mu l a s of heat pipe exchanger a re comp licated and t he phy sica l param eters o f t he w ork i ng mediu m

—3—five

t herefore it is reliable

热管换热器设计计算的线算图法_杨肖曦

相关内容

热门内容

标签