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        盤(pán)管水浴電加熱器傳熱計(jì)算的研究

        2023-11-14 08:51:08秦志英
        化工設(shè)計(jì) 2023年5期
        關(guān)鍵詞:外壁盤(pán)管水浴

        秦志英

        格蘭富水泵(上海)有限公司 上海 200120

        本文主要介紹了一種盤(pán)管水浴電加熱器傳熱計(jì)算的方法。由于HTRI軟件不適用于水的自然對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算,通過(guò)管側(cè)和熱側(cè)的傳熱系數(shù)分開(kāi)計(jì)算,采用軟件和手算相結(jié)合的方式來(lái)完成傳熱計(jì)算。盤(pán)管水浴電加熱器的流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

        圖1 盤(pán)管水浴電加熱器的流程簡(jiǎn)圖

        電加熱器加熱水浴使得水浴溫度基本維持恒定,水浴加熱盤(pán)管中的天然氣,以防止天然氣水合物的形成。

        1 計(jì)算方法

        1.1 電加熱器加熱功率Q的計(jì)算

        電加熱器的加熱功率由兩部分組成:一部分用于天然氣的升溫,該功率可由Hysys模擬得到;另一部分用于補(bǔ)償環(huán)境散熱引起的熱損失。熱損失主要由設(shè)備表面跟大氣間的對(duì)流傳熱和輻射傳熱引起的,總熱損失及各個(gè)傳熱系數(shù)按以下公式進(jìn)行計(jì)算[4]。

        (1)

        hcv=1.972(ΔT)0.25(適用于設(shè)備垂直面)

        (2)

        (3)

        Qloss=hchpAh(Ts1-Ta)+hcvAv(Ts1-Ta)+hR(Ah+Av)(Ts1-Ta

        (4)

        式中,hchp為水平面對(duì)流傳熱系數(shù),W/m2·K;hcv為垂直面(高于0.61 m)對(duì)流傳熱系數(shù),W/m2·K;hR為輻射傳熱系數(shù),W/m2·K;Ah為水平面?zhèn)鳠崦娣e,m2;Av為垂直面?zhèn)鳠崦娣e,m2;ΔT為水浴槽保溫層外表面與環(huán)境溫度之間的溫差,℃;Ts1為水浴槽保溫層外表面溫度,℃;Ta為環(huán)境溫度,保守取環(huán)境最低溫度,℃;ε為水浴槽保溫層外表面發(fā)射率;D0為水浴槽(含保溫層)外表面直徑,m;L0為水浴槽長(zhǎng)度,m;Qloss為環(huán)境熱損失,kW。

        (5)

        式中,QC為從水浴槽表面到水浴槽保溫層外表面的傳熱速率,kW;λin為保溫層熱導(dǎo)率,W/m·℃;δin為保溫層厚度,m;Twater為水浴槽維持溫度,℃。

        水浴槽外表面有保溫層,當(dāng)傳熱達(dá)到平衡時(shí),從水浴槽表面到水浴槽保溫層外表面的傳熱速率Qc與水浴槽保溫層外表面到大氣的傳熱速率Qloss相等,即Qc=Qloss。根據(jù)這個(gè)條件,當(dāng)Ts1滿足ABS[(Qloss-Qc)/Qloss]≤0.03時(shí),表明計(jì)算收斂,所得Ts1即傳熱達(dá)到平衡時(shí)的水浴槽保溫層外表面的平均溫度。進(jìn)一步計(jì)算可得到環(huán)境熱損失Qloss。

        Q=Qloss+Qprocess

        (6)

        式中,Qprocess為用于天然氣升溫所需要的功率,kW;Q為電加熱器的功率,kW。

        1.2 盤(pán)管側(cè)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)h1的計(jì)算

        盤(pán)管側(cè)天然氣流速較高,屬于強(qiáng)制對(duì)流,可采用HTRI軟件進(jìn)行管側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)h1的計(jì)算。由于在一般情況下強(qiáng)制對(duì)流的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然對(duì)流的傳熱系數(shù),水浴加熱的總傳熱系數(shù)基本取決于殼側(cè)傳熱系數(shù)的大小。計(jì)算初期,可采用一個(gè)初步計(jì)算的值用于計(jì)算總傳熱系數(shù),待傳熱面積基本確定后再采用HTRI軟件進(jìn)行進(jìn)一步核算。

        1.3 水浴殼側(cè)自然對(duì)流傳熱系數(shù)h2的計(jì)算[5]

        (7)

        (8)

        (9)

        (10)

        (11)

        (12)

        ΔTam1=(Twater-Ts)

        (13)

        (14)

        (15)

        式中,RaD為雷諾數(shù);Pr為普蘭德常熟;Nu為努塞爾常熟;h2為殼側(cè)平均傳熱系數(shù),W/m2·K;h3為熱流體到盤(pán)管外壁的平均傳熱系數(shù),W/m2·K;h4為冷流體管壁到盤(pán)管外壁的平均傳熱系數(shù),W/m2·K;β為水體積膨脹系數(shù),K-1;ΔTam1為熱流體與盤(pán)管外壁之間的對(duì)數(shù)平均溫差,℃;Ts為盤(pán)管外壁溫度,℃;g為重力加速度,m/s2;d0為盤(pán)管外徑,m;δ為盤(pán)管壁厚,m;di為盤(pán)管內(nèi)徑,m;x為特征尺寸(等于d0),m;μ為水的粘度,Pa·s;υ為運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;α為熱擴(kuò)散率,m2/s;ρ為工作溫度下的水的密度,kg/m3;λ為水的熱導(dǎo)率,W/m·℃;λ0為盤(pán)管壁的熱導(dǎo)率,W/m·℃;cp為水的比熱容,J/kg·℃;rdh為熱側(cè)流體的污垢熱阻,m2·℃/W;rdc為冷側(cè)流體的污垢熱阻,m2·℃/W;ΔTam2為冷流體與盤(pán)管外壁之間的對(duì)數(shù)平均溫差,℃。

        當(dāng)傳熱達(dá)到平衡時(shí),冷流體到盤(pán)管外壁與盤(pán)管外壁到熱流體的傳熱速率相等,即式(11)成立。根據(jù)此條件,當(dāng)Ts滿足ABS[(h4ΔTam1-h3ΔTam2)/h4ΔTam1]≤0.03時(shí),表明計(jì)算收斂,所得Ts即傳熱達(dá)到平衡時(shí)盤(pán)管外壁的表面平均溫度。進(jìn)一步計(jì)算即可得殼側(cè)的傳熱系數(shù)h2。

        1.4 總傳熱系數(shù)K的計(jì)算

        (16)

        式中,K為總傳熱系數(shù),(基于盤(pán)管外徑),W/m2·K。

        1.5 傳熱面積A的計(jì)算

        Q=KA0ΔTam

        (17)

        (18)

        A=nπd0L

        (19)

        式中,A0為需要的傳熱面積,m2;Tin為天然氣入口溫度,℃;Tout為天然氣出口溫度,℃;ΔTam為熱流體與冷流體之間的對(duì)數(shù)平均溫差,℃;A為選擇的傳熱面積,取A=1.1A0;L為盤(pán)管長(zhǎng)度,m;n為盤(pán)管束中換熱管的數(shù)量。

        2 計(jì)算舉例

        以某項(xiàng)目為例,水浴加熱器撬塊用于天然氣的加熱。水由電加熱器加熱到60℃左右。天然氣在通過(guò)內(nèi)盤(pán)管時(shí)被加熱至33.5℃。該項(xiàng)目的輸入條件見(jiàn)表1。

        表1 傳熱計(jì)算的輸入條件

        根據(jù)以上的計(jì)算方法及輸入,得到如下結(jié)果:電加熱器所需功率為33kW,其中0.21kW用于補(bǔ)償在環(huán)境中的熱損失;管側(cè)傳熱系數(shù)h1為1690W/m2·K,殼側(cè)傳熱系數(shù)為808W/m2·K,總傳熱系數(shù)為339W/m2·K,所選擇的傳熱面積為2.8m2,取n=14,L=1.31m. 根據(jù)所得的傳熱面積,采用HTRI軟件進(jìn)行布管及管側(cè)傳熱系數(shù)的校核,得到布管圖見(jiàn)圖2。

        圖2 盤(pán)管布管圖

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文主要介紹了一種盤(pán)管水浴電加熱器傳熱計(jì)算的方法。通過(guò)分別計(jì)算管側(cè)和殼側(cè)的傳熱系數(shù),采用HTRI軟件和手算相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了水浴槽總傳熱系數(shù)及傳熱面積的計(jì)算,并利用軟件完成盤(pán)管側(cè)的布管,從而完成設(shè)備的定尺計(jì)算,對(duì)工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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