空冷器的设计

空气冷却器

第四章 空冷器的设计 4.1 空冷器的设计条件

4.1-1 设计条件 1. 空气设计温度

设计气温系指设计空冷器时所采用的空气入口温度。采用干式空冷器时，设计气温应按当地夏季平均每年不保证五天的日平均气温[1][2][3]。采用湿式空冷器时，将干式空冷器的设计气温作为干球温度，然后按相对湿度查出湿球温度，该温度即为湿式空冷器的设计气温。

我国各主要城市的气温列于附表4－1。从该表可见我国绝大多数地区夏季平均每年不保证五天的日平均气温低于35℃。当接近温度大于15－20℃时，采用干式空冷器比较合理。在干燥炎热的地区，为了降低空气入口温度可以采用湿式空冷器。

2. 介质条件

（1） 适宜空冷器的介质条件

适于采用空冷器的介质有石油化工过程中的气体,液体，水和水蒸汽等。 3. 热流的操作条件

（1） 流量。根据工艺要求而定。

（2） 操作压力。根据国家标准“空冷式换热器”的规定 ，最高的设计压 为35 Mpa，这个压力可以满足石油化行业空冷器的操作要求。

（3） 入口温度

热流的入口温度越高其对数平均温差越大，因而所需要的传热面积就越小，这是比较经济的。但是，考虑能量回收的可能性，入口温度不宜高，一般控制在120～130℃以下，超过该温度的那部分热量应尽量采用换热方式回收。在个别情况下，如回收热量有困难或经济上不合算时，可适当介质入口温度。就空冷器本身而言，考虑到介质温度升高会导致热阻的增加，传热效率下降，绕片式翅片管的工作温度可用到165℃ 而锒片式翅片管可用到200℃

如果热流入口温度较低（低于70~80℃），可考虑用湿式空冷器。 （4） 出口温度与接近温度

对于干式空冷器出口温度一般以不低于55~65℃为宜[3]，若不能满足工艺要求，可增设后湿空冷，或采用干－湿联合空冷。

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接近温度系指热流出口温度与设计气温之差值。干式空冷器的最低值应不低于15℃[3]，否则将导致空冷器的面积过大，这是不经济的。

上述的设计数据应填入表4.1-1的”空气冷却器规格表”内. 表41-1 空冷器设计规格表

表号 项目号 位号 日期 用户 厂址 装置 型式及规格 单元面积 换热量 传热系数 光管 m2 空气冷却器规格表 翅片管 m2 审核 校对 编制 版次 致命毒性 m2K/W 计算 焊制 W 光管 W/m2K 翅片管 W/m 2K 出口 液体名称 进入液体总量 液体kg/h 蒸气kg/h 不凝汽kg/h 水蒸汽kg/h 水kg/h 压力MPa 进口 特 性 数 据 --- 管内侧 出口 进口 重度kg/m3 比热J/kg.K 泡点℃ 倾点℃ 潜热 粘度,Pa.s 有 无 管内结垢热阻 压降 kPa 允许 特 空气总量 m3/s 空气量/台风机 m3/s 静压 Pa 迎风面风速 m/s 性 参 数 空气侧 海拨高度 m 进口温度(设计干球温度)℃ 出口温度℃ 设计压力 管束 尺寸 长×宽 数量 布置 结 构 设 计 试验压力 管箱型式 管箱材料 管程数 丝堵材料 设计温度 管子规格 3

管子材料: 无缝 管子长度m 管子数量 管心距 翅片型式 管束 串联 并联 垫片材料 台数 串联 并联 架规格 长×宽 腐蚀裕量 进口管数 直径 mm 翅片材料 出口管数 直径 mm 翅片外径 2006-3-5

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构架数量 架中心距 化学清洗 特殊接管 温度表 压力表 法兰面型式 片距 无 支座 无 印记 有 百叶窗 自动 手动 振动切换开关 有 无 风机型号 风机台数 风机直径 风机功率 机 械 设 备 驱动机型式 驱动机台数 驱动机功率 转数:转/分 减速机型式 减速机台数 功率 支架 百叶窗 驱动机转数 转/分 传动比 调节型式: 手调 自调 调频 材料: 叶片 轮毂 控制发生故障时的风机角度 最大 最小 锁住 控制发生故障时的风机速度 最大 最小 锁住 出口温度控制精度 ± ℃ 空气再再循环 占地面积 图号 外循环 内循环 蒸汽盘管 有 M2 总重 kg 运输重 kg

4.2翅片管参数的优化

翅片管是空气冷却器的传热元件，翅片管的参数对空冷器的传热效率、功率消耗和噪声等有直接的关系[4]。因此，选择合适的翅片管参数对空冷器设计是非常重要的的.以下就翅片管参数对传热和阻力降的影响及如何选择作出评述。

1 翅片管的参数

翅片管的参数主要是指它的几何参数如图1所示。

图4.2-1 翅片管的几何参数 图中几何参数的意义如下：

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b－翅片平均厚度，m ； b =0.5(bp+br)

bp 翅片顶部厚度，m ； br 翅片根部厚度，m ； d－光管外径，m ； D－翅片外径，m ； dr－翅片根部直径，m H－翅片高度，m ； S－翅片间距，m ；

ST－翅片管横向管心距，m ；

SL－沿气流方向的管排之管心距，m ；

一般说来，翅片管的光管直径、翅片厚度基本上是固定的。所以在评价翅片管的性能时选择的参数主要是翅片高度，翅片间距和管心距。这些参数对翅片管的翅化比起主导作用，同时对传热和压力降也产生很大影响。翅片管参数的优化主要是指空冷器设计中如何合理地选择片高、片距和管心距这三个参数，使所设计的空冷器得到较高的传热效率和较低的阻力损失。从而使空器设计处于较优的状态。

2 翅片管的翅化比和有效翅化比

在空气冷却器中，管外以空气作为冷却介质与管内的热介质进行热交换。由于空气的导热系数低引起管外侧的传热系数也较低，为了弥补管外侧的传热系数的不足，所以在管外增加翅片以达到强化传热的目的。管外的翅片总面积与光管表面积之比称之为翅化比。翅化比表示如下：

?A ?＝AA （4.2-1）

fr0o式中：ε0－翅化比

Af－翅片表面积，m2；

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Ar－翅片根部面积，m2； Ao－光管外表面积，m2。

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这个翅化比是几何翅化比，它没有考虑到翅片的效率。翅片管的传热效率与翅片管的表面温度有关，翅片表面温度自根部至顶部是递降的，愈到翅顶，其传热平均温差愈低，传热效果就愈差。翅片的传热效率为：

Ef＝

主流温度－翅片表面平均温度

主流温度－翅片根部温度从文献[5]可得：

Ef?1.092?0.1632H式中：Ef－翅片管的传热效率 H －翅片的高度，m ；

ho－翅片管对空气侧的传热系数，W/(m2.K)

λm－翅片材料的导热系数，对于铝 为203.5 W/(m.K) 将以上数据代入上式得到高低翅片管的效率如下： 高翅片效率， Ef=1.092-0.1736 UF0.359 低翅片效率， Ef=1.092-0.1298 UF0.359 式中的UF 为标准状态下的迎面风速，m/s ..

两种翅片高度的翅片效率与迎面风速的关系如图4.2-2 所示。从图中可以看出翅片高度是影响翅片效率的主要因素，低翅片比高翅片有较高的翅片效率。翅片的效率随迎风面风速 的增加而下降，

ho （4.2-2） ?m?b2006-3-5

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0.940.920.90.88翅片效率0.860.840.820.80.780.762.32.52.83.23.50.0160.0125迎面风速m/s

图4.2－2 高低翅片的效率

翅片效率与翅片材料、翅片厚度和高度、空气侧传热系数有关。当翅片效率求得后便可由下式求翅片管有效翅化比：

?＝EfAf?Ar （4.2-3） Ab式中：ε－ 翅片管有效翅化比 。

从图4.2-2可以看出，低翅片有较高的翅片效率，但由于它的翅化比低，最终的有效翅化比还是比不上高翅片，所以在设计中当管内侧的传热系数较高时还是采用高翅片为好。如果管内的传热系数较低时则应采用低翅片管。

2、 翅片管几何参数与管外侧传热系数的关系

计算管外空气侧传热系数的公式很多，在进行翅片管参数评价时可采比较通用的Briggs公式[6]，该公式的标准误差为5.1％。该式适用于各种翅片高度、片距、管心距等.将空气参数、迎面风速代入相应的准数并加以化简，便得到以光管外表面为基准的管外侧传热系数如下式所示：

h0?0.718?0.2820.7180.333S0.2960.718 （4.2-3） ?0.1378?()dap()U?式中：h0 － 管外侧的传热系数 W/m.K

?rr2HF2006-3-5

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Pr－空气的普兰特准数；Pr? λ－空气导热系数，W/m.K； μ－空气的粘度，pa.s ; C－空气的比热，J/(kg.K) ;

C?； ? UF－标准状态下的迎风面风速，m/s ； ρ－空气密度，kg/m3 ；

S-翅片净间距，m H-翅片高度，m dr-翅根直径，m

ε－ 翅片管的有效翅化比

a－系数，为迎风面积与最窄通风面积之比值。它是与翅片管的高度、管心距和片厚有关的参数。

a?STbST?dr?0.75(D?dr)S (4.2-4)

将空气为60℃时的物性参数代入可得管外侧的传热系数表达式：

S （4.2-5） 0.718h0?8.69dr?0.282a0.718()0.296UF?H

从上式可看出，管外给热系数是翅片管根部直径、片距、片高、管心距、迎风面风速和有效翅化比等的函数，除迎风面风速外均是翅片管的几何参数，这些几何参数有的是互相关联的，为了确切地说明这些几何参数对空气膜给热系数的影响，下面就以高低两种翅片，各选两种管心距和三种不同片距，计算出不同风速下的空气膜给热系数，并将其结果绘成下图（图4.2-3）

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140012001000管外侧传热系数 W/(m^2.K)_8006004000.062 0.016 0.00230.062 0.016 0.00280.054 0.0125 0.00230.054 0.0125 0.00280.059 0.0125 0.003620001.522.533.54迎风面风速 m/s

图4.2-3 翅片管的管外空气侧传热系数

从图4.2-3可看出：

（1） 各种几何参数的翅片管，其管外空气侧的传热系数随迎风面风速的增

加而增加

（2） 翅片管空气侧的传热系数随翅片的高度的增加而增加； （3） 翅片管空气侧传热系数随翅片间距的增加而下降； （4） 翅片管空气侧传热系数随管心距的增加而下降；

为了工程上的估算方便，下面给出两种翅片管的简化计算公式： 高翅片管（翅片高H=16m）： h0=441.51UF

0.718

低翅片管（翅片高H=12.5mm）: ho=395.11UF0.718

上两式的简化条件是：空气定性温度60℃ ；光管外径do=25mm；翅片厚度

b=0.4mm;高翅片的翅片效率Ef=0.85;低翅片管的翅片效率Ef=0.9

翅片间距S=2.31mm

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2、 翅片管的几何参数与管外压力降的关系

空气流经翅片管管外侧时，气流对翅片表面的摩擦、气体的收缩和膨胀引起了气流的压力损失，通常称之为管外压力降。这种压力降主要与风速、翅片管型式、几何参数及制造质量有关。至今为止，压力降的精确理论计算尚未见到，目前所采用的计算公式均是经验公式。国内外在这方面都做出大量的实验，归纳出各种型式的关联式，下面是罗宾逊（Robinson）和勃列格斯（Briggs）[7]通过试验归纳的计算式：

△Ps＝37.86Re

-0.318(ST?0.927ST0.515n2)?()Gs （4.2-6） drSL2?若取空气定性温度为60℃时的物性参数代入（4.2-6）式得：

△Ps=0.0678 NtST

-0.927

a1.684UF1.684 （4.2-7）

式中：△Ps －管外侧静压降，pa Nt－ 沿气流方向翅片管的排数； ST－ 管束的横向管心距 ，m ；

a －管束的迎风面积与最小通风面积之比； UF －迎风面风速 m/s

为了便于分析比较，将不同片高、片距和管心距的翅片管，改变迎风面风速按（4.2-7）式计算出相应参数下的管外静压降，并将结果绘于图4.2-4。

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252015静压降 mm水柱1050.062 0.016 0.00230.062 0.016 0.00280.067 0.016 0.00280.054 0.0125 0.00230.054 0.0125 0.002801.522.533.54迎面风速 m/s

图4.2-4 翅片管的管侧静压降

从图4.2-4可看出：

（1） 管外静压降随风速的增加而增加；

（2） 在相同的风速下，管外静压降随管心距的增加而下降、随翅片间距的加

而减少。

空冷器中翅片管的管外静压降是决定功率消耗的重要因素 。另一方面，静压降的增加也导致了噪声的增大。因此，从降低功率消耗和噪声来看，都需要找出一组较为合适的翅片管参数，使得它的压力降最小。 3 翅片管几何参数的选择

尽管空冷器采用的冷却介质是取之不尽的空气，但要达到高效地利用空气亦不 是一件易事。因此空冷器的优化设计就成了众所关心的课题。 为了达到空冷器的优化设计的目的，需要将空冷器的翅片管几何参数与整个空冷器费用进行关联，找出它们之间的关系，为合理选用翅片参数提供依据。

空冷器的费用包括：一是设备费、运输费和安装费，即一次投资；二是操作费。在一定热负荷条件下，空冷器的费用与管外侧传热系数、积垢热阻、空气量及压力降有关。

根据已知的工艺条件可计算某一组翅片参数下的空冷器换热面积和功率消耗，

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=1302.28W/(m2K) (2) 计算管外膜传热系数 按勃利格斯关联式进行详细计算。 定性温度

空气出口温度先按估算法求出的值。所以定性温度为 tD＝0.5*（t1+t2）=0.5 *(35+65.77) =50.39℃ 定性温度下的物性 空气比热：с a= 1009J/(kg·K) 导热系数：λa=0.0285W/(m·K)

粘度：μ a=0.0195厘泊＝0.0195×10-3Pa·s 重度：ρa=1.093kg/m3

按所选的 6管排， 取标准迎风速UNF＝2.5m/s。 迎风面面积：

SF＝L×B×NS＝22.05×2＝44.1m2 标准状态下的风量

V＝UNF×SF×3600＝2.5×44.1×3600=396900m3/h 空气的流通面积为：

So=0.5286×SF=0.53×44.1=23.31m2 空气的质量流率 Gmax=

396900*1.20523.31*3600?5.699kg/m2?s

翅根外径dr=0.0258m Re=

dr?Gmax0.0258?5.699??0.0195?10?3?7540.6 勃兰特准数

Pr＝Ca?a??1009?0.0195?10?3a0.285?0.69

翅片效率

Ef=1.092+0.1376UF0.359=1.092+0.1376*2.50.359=0.9

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有效翅化比

ε=(Ef.Af+Ao)/Ao=(0.9*1.84+0.07854)/0.07854=22.02

管外膜传热系数 ho=0.1378

?(Re)0.718(Pr)0.296(s)0.296do??ε =0.1378

0.02850.0258(7540.6)0.718(0.69)0.333(2.31?0.40.29616)?22.02 =960.2W/(m2·k) 壁温校正系数 管壁温度为 tw=

hioh(T1364.12d?td)?td?12?960.2(93.5?50.39)?50.39?75.7io?ho1364. 壁温下介质的重度及粘度。 ρ=725 kg/m3 μw=0.71厘沲

μw＝0.725×0.71×10-3=0.5148×10-3pa·s ∴φ＝（(?D0.140.440?)?().14?0.978 w0.5148(3) 总传热系数 K?11

h?(1?rdi)od?ro?rf?rp?rgohi?i取ri=0.00017m2·k/w ro=0.00018 m2·k/w (rf+rp)=0.00024423 m2·k/w 间隙热阻为rg=

1h?10%?0.00010051 m2·k/w o2006-3-5

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∴K?11

960.2?(10.978?1302.28?0.00017)?0.0250.02?0.0005247 =390w/(m2·k) (4) 有效平均温差 计算空气温升 ?t=

Q5AFUF??C?4947983.p22.05?2*2.5?1.093?1.005?1000?39.13空气出口温度为： t2=35＋39.13＝74.13 对数平均温差

?Tm?(T1?t2)?(T2?t1)(165?74.1nT?t?13)?(55?35)?46.82℃

12165?74Tt1n.132?155?35温度效率：

P?t2?t1T?74.13?35?0.32 1?t1165?35温度相关系数 R?T1?T2t?165?55?2.81 2?t174.13?35查 图3.2－9得FT＝0.95 有效温差:

△T＝△Tm*46.07＝46.82*0.95=44.48℃ (5) 传热面积 AR4947983.R?QK?T?5390?44.48?284.59m2

o?实际选用面积余量 CA?ARF?A?100%?320?284.59284.59?100%?12.4% R 面积余量在许可范围之内. 5 管程压力降计算

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沿程压力降：

?Gi2??L?Nt??fi? ?Pt＝??????

?2?D??di???? 其中 fi=0.4513(Re)-0.2653=0.4513(35471.36)-0.2653=0.02888

779.8829?60.02888???33.91kpa ?Pt＝

2?7150.020.978*1000 管箱压力降：

?Gi2??779.882? ?Pr=???4?Nt?????4?6?

?2?715*1000??2?D? =10.21kpa 进出口压力降：

进出口各二个，公称直径为100 mm。

21.5GN1.5*592.712?PN???0.37kPa

2?D2*715*1000 其中 GN?Wi2n..dN4??2*2*67000?4?592.71kg/m2.s

*0.12*3600

管程总压力降：

?Pi=?Pt+?Pr+△PN=33.91+10.21+0.37 =44.49kpa 管程压力降在许可范围之内。 6 风机计算

根据风机的选择原则，估选风机为：G－TF36R4型风机2台，叶轮直径为3.6米。由于控制噪声的需要，叶尖速度选为50米／秒。故风机的转数为

n=

60Vt60?50≌265.26转／分 ???Dt3.1416?3.6 全风压

通过管束的压力降?Pst

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G2max ?Ps=f·NB·

2?Dd?GSS f=37.86(

rmax0.316?)??(1?0.9271d)?(0.515 rS?)2 =37.86(0.0258?5.381.95?10?5)?0.316?(0.063.5?0.9270.063.50.5150.0258)?(0.063.5)?1.001 ?Ps=1.001×6×

5.3822?1.093?79.488pa 风机动压头

?PU2D＝B2??B UB＝

Vo0.785?D2?44.1*2.52?5.64米／秒 f?nF?36000.785?3.6?2 ?PU2D＝B2?6.642?B?2?1.146?16.34pa 其中 ρB＝1.205293273?35?1.146kg/m3

全风压

H＝?Pst＋?PD＝79.488＋16.34＝95.83 pa 电机功率为：

该装置海拔50米，∴FL＝1.01 N?1?H)(V273?t1o)(1??2??(3273?20)(FL)

＝

10.95?0.86?0.65(95.83)(44.1*2.52)(273?35293)?1.01

＝10.77 kw 其中：风机效率：η1=0.65 传动效率：η2=0.86 电机效率：η3=0.95

冬季最低气温-10℃，此时的功率消耗为

N=No(273+t1)/(273+t3)=10.77*(273+35)/(273-10)=12.61 kW

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电机额定功率选用17 kw，用皮带传动。 7 噪声计算

Lp=35.8+30logVt+10logNz-20logDf

=35.8+30×log(50)+10log(10.77)-20log(3.6) =86.08分贝

由于2台风机同时操作，总噪声值应为： Lp总＝86.08+3=89.08分贝

2台共同操作时也已满足石油化工企业部部标准SH3024－1995《石油化工企业环境保护设计规范》中，空冷器总噪声应低于90分贝的规定。

4.5 气体冷凝冷却空冷器设计

4.5-1气体冷凝冷却过程分类与特点

气体冷凝冷却过程可分为三类。一是单纯的气体冷却过程，这一过程的特点是气相冷却，被冷却介质只是温度下降而不发生相变过程。二是可凝气的冷凝过程。被冷凝的气体在冷凝过程中由气体变成了液体，物理形态产生了变化。三是含不凝气的冷凝冷却过程。这是一个较为复杂的过程，即既有不凝气的冷却又有可凝气体的冷凝，它是上述二个过程的综合。其难点之一是管内的传热量的计算，要通过闪蒸平衡计算出各点的热量及汽化率，然后求出总热负荷。难点之二是管内的传热过程是两相传热，它的传热系数计算较为烦杂。 4.5-2 气体冷凝冷却器设计应采取的措施 1气体冷却过程的措施 （1）采用低翅片管

由于单纯的气体冷却过程的传热系数较低，热阻较大， 管外侧的强化传热意义不很大，因而可以采用翅化比较小的低翅片。 （2）强化管内的传热

由于管内的气体的传热数低，因而应该尽可能地提高管内的流速以强化管内侧的传热 。单纯的气体冷却过程不产生凝液，无冰冻现象，因此不用考虑防冻措施。 2 可凝气冷凝的措施

（1）采用高翅片管。单纯的可凝气冷凝，是一个快速的相变放热过程。管内的传热系数很大。为了适应管内的传热状态，管外应采用高翅片管。

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（2）提高迎面风速。加大管外侧的风速以提高传热温差，尽可能快速地将热量传递出去。

（3）采用单管程。可凝汽的冷凝器大多数在真空条件下工作，为了减少阻力降，通常采用单管程

（4）进出口管箱的设计都需特殊处理。进口管箱为了减少阻力和有利于气体的分配采用大集合管。出口管箱的容积也较大，其目的是提供一个利于气液分离的空间 。 3含不凝气的冷凝冷却的措施

含不凝气的冷凝冷却是前面所述两个过程的综合。是一个较复杂也是工业中经常碰到的传热过程。除了应采用可凝气体的冷却器的措施外，要特别注意精心设计。设计时要对传热负荷、总传热系数和压力降进行详细计算，并尽可能用经验数据对计算进行修正。由于这种工况非常复杂，精心设计就更显得重要。

对于全冷凝过程的计算与冷却过程基本相同，但需注意以下问题：

定性温度的确定：一般以1/2热负荷处的冷凝温度作为定性温度。通过闪蒸平衡计算，作出热负荷随温度变化的曲线，从曲线中可以查出冷凝1/2热负荷处的温度。如果热负荷与流体温度成正比关系变化，而且冷凝膜传热系数高于空气膜传热系数很多，则定性温度可取进出口温度的平均值。系单一组分，则全过程的冷凝温度不变。

采用阿柯斯法计算管内膜传热系数时，若冷凝膜传热系数很大，可忽略气体显热对流传热，此方法比较简便。当需要较精确计算时应按两相流方法计算管内膜传热系数。

4.5-3 可凝气冷凝例题 1已知条件：

介质：某稳定塔顶汽油油气冷凝。该过程为全冷凝过程，入口为完全汽相，出口为凝液。

油气流率：82000 kg/h 入口温度：T1=140℃； 出口温度：T2=55℃。 入口压力:P1=0.2Mpa 允许压力降:ΔP=60kPa

管内污垢热阻:ri=0.00012m2.K/W 介质物化性质 ：

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空气冷却器

比重：d420=0.7201； 特性因数：K=12.0； 分子量：M=103；

热焓：进口，Hg1=632.2KJ/kg 出口，Hl2=154.9KJ/kg 热流冷凝的热负荷。

Q＝Wi(Hg1-Hl2) W

Q＝82000/3600×（632.2-154.9）×103=10871724 W

2 估算传热面积 （1）确定设计气温、

该设备位于某地区，当地海拔50米，夏季平均每年不保证五天的日平均气温为35℃，取此温度为空气设计温度。

（2）估算空气出口温度

据表3.2－5选取经验总传热系数K0=400w/(m2·k)，估算空气出口温度

( t2=t1+0.88×10-3·Ko·Ff·

T1?T2?t1) 2由图3－8查出Ff＝1.11 ∴t2=35+0.88×10-3×400×1.11×(（3）计算对数平均温差： △Tm＝

(140?59.43)?(55?35)?43.47℃

140?59.431n50?35140?55?35)=59.43℃ 2（4）估算需要的传热面积 AR＝

QR10871724??625.27米2

Ko??Tm400?43.47 管束数量N=AR/Ao=625.27/193=3.23 3初选空冷器结构参数 管束数量N=4

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空气冷却器

管束长：L=9m 管束宽B=3m 管束参数： 翅片型式：L型 管排数NB=6 管程数Np=2

光管外径：d=25 mm 光管内径：di=20 mm 翅片高：H=16 mm 翅片间距：S= 2.31 mm 翅片厚度：b=0.4mm 每米长度的翅片数：433 管心距：ST=63.5 mm 每m翅片面积Af=1.84m2 每m光管面积Ao=0.07854m2 翅化比ε=23.41 迎风面积SF=26.01m2

通风面积与迎风面积之比a=0.528 管子数 n=276 管束面积Ao=193m2

管程流通面积：0.043332 m2 构架规格：2个9*6 风机直径D=3.6m 风机数量：4台 通风方式：鼓风式

选用面积比初估面积已留余量。 4 核算

（1）计算管内膜传热系数 定性温度

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空气冷却器

该过程为完全冷凝，其冷膜传热系数高于空气膜传热系数较多，故取热流速进、出口温度的平均值作为定性温度即：

TD＝

11（T1＋T2）＝（140＋55）＝97.5℃ 22 定性温度下的物性 比热(Cp)l=2.462KJ/kg 导热系数λl=0.153w/(m·k)

密度ρl=650kg/m3；ρg＝4.568kg/m3 液体粘度 μl=0.2795×10-3pa·s 气体粘度 μg=0.00775×10-3pa·s 当量流量

?11 WE＝（W1·g+W2·g）(l)2?(W1?l?W2?l)

?g22165021 =(82000)()?(82000)?530077.28 kg/h

24.568211当量雷诺数为： (Re)E= = 勃兰特准数 Pr＝(Cp??di?WE

3600?Si??l?Ns0.02?530077.28?60787.76

3600?0.043332?0.0002795*2?2.462?103?0.2795?10?3)l??4.5

0.153管内冷凝液膜传热系数

?0.153.80.3330.80.3332 hi?0.0265l.(Re)0.Pr?0.0265**60687.76*4.5?1797.13W/m.K Edi0.02

由于为完全冷凝过程，冷凝膜传热系数较大，故气体显热膜传热系数可略去。 （2） 管外膜传热系数

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空气冷却器

按勃利格斯关联式进行详细计算。 定性温度

空气出口温度先按估算法求出的值。所以定性温度为 tD＝0.5*（t1+t2）=0.5 *(35+59.43) =47.22 定性温度下的物性 空气比热：с a= 1.009kJ/(kg·K) 导热系数：λa=0.0285W/(m·K)

粘度：μ a=0.0196厘泊＝0.0195×10-3Pa·s 重度：ρa=1.093kg/m3

按所选的6管排， 取标准迎风速UF＝2.6m/s。 迎风面面积：

SF＝L×B×NS＝9×2.9×4＝104.4m2 标准状态下的风量

Vo＝UF×SF×3600＝2.6×104.4×1.205=296.68kg/s 管束中的流通面积与迎风面积之比为0.528 SF-迎风面积 空气的流通面积为：

So=0.530×SF=0.528×104.4=55.123m2 空气的质量流率 Gmax=

296.6855.123?5.38kg/m2?s

翅根外径dr=0.0258m Re=

dr?Gmax0.0258?5.38??0.0195?10?3?7117.63 勃兰特准数

Pr＝

Ca?a1000?0.0195?10?3??0.285?0.69

a翅片效率 Ef=1.092-0.1376*Uf0.359=1.092-0.1376*2.50.359=0.91

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空气冷却器

有效翅化比ε=(Ef.Af+Ao)/Ao=(0.91*1.84+0.07854)/0.07854=22.21 管外膜传热系数 ho=0.1378

?do(Re)0.718(Pr)0.296(s?)0.296?ε =0.1378

0.0285025(7117.63)0.718(0.69)0.3332.31?0.40.2960.(16)?22.21 =958.93W/(m2·K) 壁温校正系数 管壁温度为 tw=

hioh(T?t1797.13dd)?td?(99?49.8)?49.8?80.00

io?ho1797.13?958.93 壁温下介质的重度及粘度。 ρ=725 kg/m3 μw=0.71厘沲

μw＝0.725×0.71×10-3=0.5148×10-3pa·s ∴φ＝（(?D0.140.440.?)?(0.5148)14?0.978 w (3) 总传热系数 K=

11

h?(1?rdi)o?ro?rp?rf?rgohidi各项热阻选取如下： ri=0.00012m2·k/w ro=0.00012 m2·k/w (rf+rp)=0.00020 m2·k/w 翅片间隙热阻取rg=1h?10%?0.0001 m2·

k/w o ∴K=

11958.93?(11797.13?0.00012)0.0250.02?0.00012?0.00020?0.00010 =433.2W/(m2·K)

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空气冷却器

（4） 计算空气出口温度

按照热平衡的方法求取空气的出口温度。 t2?tQ1?V.C.??35?10871724.2.6*9*2.9*4*1005*1.093?71.32 （5）有效平均温差 对数平均温差 △Tm＝

(140?71.32)?(55?35)1n140?71.32?39.46℃

55?35 温度效率因数 P＝

71.32?35140?35?0.35

温度相关系数 R＝

140?5571.32?35?2.24

查3.2－8 得FT＝0.93

∴△T=FT·△Tm＝39.46×0.93=36.7℃

（6）传热面积

AR＝

QK??T?10871724433.2?36.7＝683.8 m2 实际选用面积余量 CA?Ns?AF＝

RA?100%?193*4?683.8?100%?12.9%R683.85）管程压力降

f2△Pt＝i2?Gi?L?(Nt)(?)(?)/1000

g Gi=

Wi3600?S?820003600?0.043332*4?131.41kg／m2·s

i?Ns（Re）g=

di?Gi0.02?131.41??g0.00775?10?3?339122.6

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空气冷却器

查图3.2－23 得fi=0.016

因为该过程为全部冷凝过程，∴ε＝0.5；ζ＝1.3

0.016131.412?9?(2)(0.5)(1.3)/1000?25.68kPa ∴△Pi=24.568Gi2131.412△Pr＝?(4Nt)/1000?4*2/1000?15.12kPa

?2?D2*4.5682GN362.72△PN＝1.5?/1000?1.5*/1000?0.1

2?g2*4.568 其中：进出口直径DN=100mm

进出口的质量流速GN=82000/(3600*4*2*0.785*0.12)=362.7kg/m2s 管程总压降：

△Pt＝△Pi+△Pr+△PN＝25.68+15.12+0.1=62.4kPa 压力降稍稍超了一点，这还是可以的。 4风机计算 估选风机型号

根据风机的选择原则，估选风机为： F36R4型风机4台，叶轮直径为3.6米。由于控制噪音的需要，叶尖速度选为50米／秒，故风机的转数为

n=

60?V??D?60?50?265转／分

??3.6 计算全风压。空冷器的全风压由通过管束的静压降和风机的动压头组成。 通过管束的压力降△Ps 静压降：

2Gmax△Ps＝f·NB

2?f=37.86(dr?Gmax?)?0.316·(S1?0.927S10.315 )?()drS2 ＝37.86(

0.026?5.38?0.3160.0635?0.9270.06350.315))?()?1.003 ·((?50.02580.06351.95?102006-3-5

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空气冷却器

△Ps＝1.003×6×5.3822?1.093?79.68pa 风机动压头：

△PD＝U2B2??B

UB＝

Vo0.785?D2 f?nF Vo=L·B·UNF·=9×2.9×4*2.6=271.44 m3／s UB＝

271.440.785?3.62?4?6.67m／s △PD＝6.6722?1.093?24.31pa 全风压为：

H＝△P's＋△PD＝79.68＋24.31=103.99 pa 风量为：Vo=2.6*26.1=67.86m3/s 风机功率η1：69％ 皮带传动率η2=0.86 电机功率η3=0.95 风机的轴功率为： N(H)(VZ=0)??273?t1?F?103.99*67.86273?35L.69.*273?20*1.01/1000?10.85kW 1273?200

该装置海拔50米∴FL＝1.01 电机功率为 N＝

103.990.95?0.86?0.69?135.722?273?35293*1.01?13.3 kw

该风机采用 调频自动调速风机，因而电机的功率可根据此数值选用17kW。4.5.4 含不凝气的冷凝冷却空冷器计算实例 1已知条件：

介质名称：催化塔顶油气

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空气冷却器

油气流率：100088 kg/h 入口温度：T1=135℃； 出口温度：T2=60℃。 入口压力:P1=0.2Mpa 允许压力降:ΔP=60kPa

管内污垢热阻:ri=0.00012m2.K/W 介质物化性质 ：

比重：d420=0.7201； 特性因数：K=12.0； 重度:735.7 kg/m3 动力粘度μ＝0.000498Pa..s

各点的汽化率

分刈温度℃ 汽化率y 135 1 100 0.8407 90 0.7096 80 0.5513 60 0.37 各段的热负荷及总热负荷 项 目 热负荷，W 总热负荷，W 空气侧

空气设计温度t1=35 ℃ 空气设计最低温度t3= -10℃

海拨高度L=50m

空气结垢热阻ro=0.00018 m2.K/W 2 估算传热面积 （1）确定设计气温、

该设备位于某地区，当地海拔50米，夏季平均每年不保证五天的日平均气温为35℃，取此温度为空气设计温度。

（2）估算空气出口温度

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1 2918195 2 1154711 3 2595711 4 3471179 合计 10139797 37

空气冷却器

据表3.2－5选取经验总传热系数K=290w/(m2·k)，估算空气出口温度

t2=t1+0.88×10-3·K·F(Tf·

1?T22?t1) 由图3－8查出Ff＝1.11 ∴t2=35+0.88×10-3×290×1.11×(135?602?35)=52.28℃ （3）计算对数平均温差： △Tm＝

(135?52.28)?(60?35)?48.241n135?52.28℃

60?35（4）估算需要的传热面积 AR＝QK??T?10139797?722.98米2

m290?48.24

3初选空冷器结构参数 管束数量NS=4 管束长：L=9m 管束宽B=3m 管束参数： 翅片型式：L型 管排数NB=6 管程数Np=2

光管外径：d=25 mm 光管内径：di=20 mm 翅片高：H=16 mm 翅片间距：S= 2.31 mm 翅片厚度：b=0.4mm 每米长度的翅片数：433 管心距：ST=63.5 mm 每m翅片面积Af=1.84m2

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空气冷却器

每m光管面积Ao=0.07854m2 翅化比ε=23.41 迎风面积SF=26.1m2

通风面积与迎风面积之比a=0.528 管子数 n=276 管束面积Ao=193m2

管程流通面积：0.043332 m2 构架规格：2个9*6 风机直径D=3.6m 风机数量：4台 通风方式：鼓风式

选用面积比初估面积已留有余量。 4 传热面积核算

（1） 计算管内膜综合传热系数

采用分段计算法,按5个温度点考虑. 每2个温度点之间为一段.分段计算各段的汽相和液相的传热系数.在此基础上再计算出管内汽液两相的综合传热系数计算列表如下:

各段汽液相传热系数的计算

项 目 入口温度℃ 出口温度℃ 入口汽化率y1 出口汽化率y2 平均汽化率y 质量流率G, kg/m2.s 热负荷，W 总热负荷，W 汽化潜热ΔHV,kJ 135 100 1 0.8407 0.92 160.4 2918195 579.62 1 100 90 0.8407 0.7096 0.78 160.4 1154711 579.62 2 90 80 0.7096 0.5513 0.63 160.4 2595711 579.62 3 80 66 0.5513 0.3700 0.46 160.4 3471179 579.62 4 10139797 合计 2006-3-5

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空气冷却器

汽、液相在定性温度下的物性 液相比热Cpl，kJ 汽相比热Cpv, kJ 液相重度ρl,kg/m3 汽相重度ρv, kg/m3 液相导热系数λl,W/m.K 2.46 2.01 638.1 3.9996 0.1065 2.46 2.01 638.1 3.9996 0.1065 2.46 2.01 638.1 3.9996 0.1065 2.46 2.01 638.1 3.9996 0.1065 汽相导热系数λv,W/m.K 0.0342 0.0342 0.0342 0.0342 液相粘度μl,Pa.s 汽相粘度μv,Pa.s 管内直径di，m 0.000244 0.000244 0.000244 0.000244 0.00000987 0.00000987 0.00000987 0.00000987 0.02 0.02 0.02 0.02 流型参数计算 JH=y.Gi/(di.g.ρv(ρl-ρv))0.5 JH 6.62 5.57 4.53 3.31 由于JH≥1.5时，传热为剪力控制，按以下过程计算冷凝液膜的传热系数hcf Reli=Gi.(1-y).d/μPrl=Cpl.μl/λ0.80.4 l/di.ReliPrll 1047.22 5.65 61.02 2956.27 5.65 139.97 4858.75 5.65 208.28 7091.23 5.65 281.84 l 液相时，hli=0.022λMartinelli参数Xtt=[(1-y)/y]0.9.[ρv/ρl]0.5.[μl/μv]0.1 Xtt 两相对流因子0.01 58.75 3584.85 0.04 25.53 3573.01 0.07 16.64 3465.54 0.13 11.40 3213.55 Ftt=(1+20/Xtt+1/Xtt2) 两相时，hcf=hsi=hli.Ftt 汽相传热系数hv计算如下： Revi=di*Gi*y/μv Prv=Cpv*μv/λv 汽相显热传热系数hsv=0.023λ/di.Revi0.8Prv1/3 299141.48 0.58 787.77 251947.11 0.58 686.67 204915.25 0.58 582.05 149725.13 0.58 452.83 2006-3-5

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空气冷却器

各段的汽化率差Δy 各段的温差ΔT 0.1593 35 0.1311 10 0.01311 0.1583 10 0.01583 0.1813 20 0.01295 冷凝曲线斜率Δy/ΔT 0.00455 φd= 扩散函数φd=ΔHv/(y.Cp)(Δy/ΔT)+Cpl/Cpv.((1-y)/y) 0.234 0.507 1034.92 1.006 1167.80 2.098 1402.88 汽相传热系数972.04 hv=hsv(1+φd) 两相综合传热系数764.69 802.48 873.45 976.56 hc=1/(1/hcf+1/hv) （2）管外空气侧传热系数ho 定性温度td=0.5(t1+t2)=0.5*(35+52.28)=43.6℃下的空气物性 比热Cp,J/kg.K 重度ρ,kg/m3 导热系数λ,W/m.K 粘度μ,Pa.s Pr 空气的最大质量流速1005 1.093 0.028 0.0000196 0.696 5.173 6808.96 λ 348.45 361.19 358.96 377.58 Gi,kg/m2.s Re=Gi.dr/μ ho=0.1378/dr.Re0.718Pr0.333*(S/H)0.296ε889.9 0.9 22.08 0.00050 341.13 率翅片效Ef=1.092-0.1376Uf0.359 有效翅化比ε=(Ef.Af+Ao)/Ao (3)总总热系数 各项热阻之和 Σri Kd=1/(1/hc+1/ho+Σri) Km=ΣQi/Σ(Qi/Kdi)

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