水平管束冷凝换热设计计算问题讨论.pdf

第5!卷第3期
化工设与莨
2014年6月
PROCESS EQUIPMENT PIPING
Jun.2014
水平管束冷凝换热设计计算问题讨论
王银龙,科2,杨明辉',黄卫星
(1.四用大学化学工程学院,成都610065;2.东方锅炉公司技术中心,成都611731)
摘要针对大型水平管束冷凝换热设计计算,对水平管東膜状冷凝换热系数典型公式进行了对比分析
结合管東结构及冷凝液膜流动行为,闻明了相关公式的适用条件、计算结果差异及原因。然后通过工程
实例计算对比和壳程蒸汽流动模拟进一步表明,现有相关公式因未能充分考虑冷凝加热器中蒸汽流动的
多方向性及其对冷凝液膜的扰动,其换热系数计算值明显低于实际;并针对大型水平管東冷凝换热工程
计算模型的完善,对进一步的研究工作提出了建议
关键词换热器;水平管束:蕊汽冷凝:换热系数
中图分类号:TQ051.5;TH122
文献标识码:A
文章编号:1009-3281(2014)03-0025-006
饱和蒸汽在水平管束间冷凝以加热管内流体是壁面时,将以液膜形式覆盖在壁面上,称为膜状冷
工业換热器常见的传热模式之一,其特点是冷凝换热凝;当冷凝液不能润湿壁面时,将以分散液滴的形
有较大的换热系数,且冷凝侧(売程)温度可保持恒式存在于壁面,称为滴状冷凝。滴状冷凝换热系
定。长期以来,大型水平管束冷凝换热器的设计主要数通常比膜状冷凝大ー个数量级以上,但实践表明,
依赖于经验设计(参考现有运行设备的总传热系数在工业冷凝换热装置中主要是膜状冷凝,即使采用了
进行设计)。从掌握核心设计技术的角度,本质还在促进滴状冷凝的措施,其效果也难持久,所以工业冷
于掌握原理设计(以管、壳程换热模型为基础的设凝换热装置设计都按膜状冷凝考虑间。
计)。对于水平管束冷凝换热器的原理设计,相对准1.1单根水平管膜状冷凝换热系数
确地计算壳程管束冷凝的换热系数是难点,其中主要
在膜状冷凝过程中,蒸汽在液膜表面冷凝放出
原因在于壳程蒸汽流动的多方向性及其与冷凝液膜潜热,热量再以传导方式通过液膜扩散到壁面,其传
的相互作用较为复杂。围绕水平管東冷凝换热系数,热过程阻力主要集中于液膜热传导。根据这一认识
有不少研究者在理论和实验方面进行了研究,并通过理论分析并经实验修正, Nusselt提出了单根水
以 Nusselt公式为基础提出了相应的优化公式り1,但平圆管外壁鉋和蒸汽膜状冷凝平均换热系数的关系
其针对的管束结构及工况条件仍与实际存在差距,以式
致现有换热系数模型公式在实际设计应用中仍有诸
k
多不确定性。基于这一背景,本文结合蒸汽冷凝及
h=0.725
液膜流动行为,对现有文献中有关水平管束冷凝换热
其中,p、k、分别为冷凝液密度、导热系数和
的典型公式进行了对比分析,并通过实例计算和蒸汽动力黏度,是蒸汽冷凝潜热,Δ7=(Z、-T)为蒸汽
流动数值模拟,阐明了相关公式的适用条件、计算结饱和温度与管壁温度之差,d为管外径。该式与大多
果可靠性及其之间的差异与原因,同时对进一步的研数实验的平均误差在10%以内,最大的也少有超过
究工作提出建议,以期为类似结构与工况的冷凝换热159%78,因此得到广泛认同
设备设计提供有益参考。
对于单根水平管,设凝结蒸汽的质量流量为qM
1水平管膜状冷凝及其换热系数
收稿日期:2
项目基金:因家科技重大专项子课题(2010ZX06004-013)。
蒸汽在壁面冷凝放热的过程中,壁面上冷凝液
作者简介:王银龙(1988-),男,河南开封人,研究生。研究方向
的形态对换热速率有决定性的影响。当冷凝液能润湿
传热过程设备与节能。
化工与道
第51卷第3期
管长为L,则根据冷凝对流换热量与蒸汽凝结放热量
△
3C,△Tr
h=0.7251+0.2
相等可得
h(xL)Xで、-7い)=9"或47=-9z
(2)
gyp
h(Idl)
将该△F代人式(1),可得到以q代替△7所
△7
表示的单根水平管膜状冷凝的平均换热系数
该式在c△TF(n-I)ク>2条件下与水平管朿冷
1.5!/2)2
凝实验数据吻合很好。
h=1518
Re3(3)
德国工程师协会推荐的以管束总管数为参数的
其中,Re=49、AaL是以管长L方向液膜截面定义VDl1公式
的液膜流动雷诺数。
h=072/、83YW4
1.2水平管束膜状冷凝换热系数
△T
对于沿冷凝液流动方向(重力方向)有m根管
Devore公式
子的水平管束,通常假设冷凝液平稳流向下一排管
子,液膜逐渐增厚(如图1所示),且各管△T=(7
h=1.5
(8a)
L
7)管相同,由此将d换成ml(相当于将液膜流劲路
其中,4qwum、L≤2100,9w为冷凝液总质量流
径长度由πd2增加至πnd2),可得水平管束外壁液量,n为冷凝液当量流股数。根据管東排列方式不
摸冷凝平均换热系数的 Nusselt公式为
同和管子总数nr,、由不同实验关联式计算,如图2
=072382な)y4
(4)
此外,根据式(2), Devore公式也可转化为与
其中物性参数定性温度为液膜平均温度:m=其他公式可比的形式:
(T+7T)/2
h=0.72582Pk
△T(nH/m)d
Q
液膜
增厚
理想状态实际状态
正方形直列b正方形错
c三角形直列d“角形错
n、-1.288n+80m、=1370m"S18~1.022n?
s-2.08
图1单列水平管束膜状冷凝
图2不同管東排列方式下当量流股数nっ与总管数nr的关系
Fig. 1 Film condensation on a single column of horizontal tube-
Fig 2 Relation of n, with n under different arrangements of
tube-bundic
显然,冷凝液平稳流向下一排管子使液膜厚度
稳定增加的假设与实际有差异,因为上排管子冷凝2水平管束換热系数公式对比及设计应用分析
液滴落在下排管子上时要产生冲击与飞溅(如图1
2.1管排数〃的影响对比
所示),下排管子液膜并非均匀增厚且液膜扰动较大,
上述式(4)至式(8)是现有文献手册中有代
致使 Nusselt公式计算值显著小于实际值。为此,相
表性的水平管束膜状冷凝换热系数计算式,其共同
关研究者对 Nusselt公式进行了修正,其中,典型的
点是都以 Nusselt公式为基础,不同点是管排数n的
修正关系式如下。
影响指数不同。为对比各式中管排数n的影响,在
Kem公式h=0.725、8の2k3)'4
此以管数为n的单列管東(n根水平管从上至下排列)
A△7n2"a
为例进行分析。令单根水平管的换热系数为haL见式
Chen通过实验数据对比和分析,提出了的公(1)],则对于管数为n的单列管東,以上各公式可
分别写成如下形式