盤管水浴電加熱器傳熱計算的研究

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管水浴電加熱器傳熱計算的方法。由于HTRI軟件不適用于水的自然對流傳熱系數(shù)的計算，通過管側(cè)和熱側(cè)的傳熱系數(shù)分開計算，采用軟件和手算相結(jié)合的方式來完成傳熱計算。盤管水浴電加熱器的流程簡圖見圖1。

圖1 盤管水浴電加熱器的流程簡圖

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

1 計算方法

1.1 電加熱器加熱功率Q的計算

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流傳熱和輻射傳熱引起的，總熱損失及各個傳熱系數(shù)按以下公式進行計算[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為水平面對流傳熱系數(shù)，W/m2·K；hcv為垂直面(高于0.61 m)對流傳熱系數(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，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)這個條件，當(dāng)Ts1滿足ABS[(Qloss-Qc)/Qloss]≤0.03時，表明計算收斂，所得Ts1即傳熱達(dá)到平衡時的水浴槽保溫層外表面的平均溫度。進一步計算可得到環(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 盤管側(cè)強制對流傳熱系數(shù)h1的計算

盤管側(cè)天然氣流速較高，屬于強制對流，可采用HTRI軟件進行管側(cè)對流傳熱系數(shù)h1的計算。由于在一般情況下強制對流的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自然對流的傳熱系數(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。計算初期，可采用一個初步計算的值用于計算總傳熱系數(shù)，待傳熱面積基本確定后再采用HTRI軟件進行進一步核算。

1.3 水浴殼側(cè)自然對流傳熱系數(shù)h2的計算[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為熱流體到盤管外壁的平均傳熱系數(shù)，W/m2·K；h4為冷流體管壁到盤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為熱流體與盤管外壁之間的對數(shù)平均溫差，℃；Ts為盤管外壁溫度，℃；g為重力加速度，m/s2；d0為盤管外徑，m；δ為盤管壁厚，m；di為盤管內(nèi)徑，m；x為特征尺寸(等于d0)，m；μ為水的粘度，Pa·s；υ為運動粘度，m2/s；α為熱擴散率，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為冷流體與盤管外壁之間的對數(shù)平均溫差，℃。

當(dāng)傳熱達(dá)到平衡時，冷流體到盤管外壁與盤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，表明計算收斂，所得Ts即傳熱達(dá)到平衡時盤管外壁的表面平均溫度。進一步計算即可得殼側(cè)的傳熱系數(shù)h2。

1.4 總傳熱系數(shù)K的計算

(16)

式中，K為總傳熱系數(shù)，(基于盤管外徑)，W/m2·K。

1.5 傳熱面積A的計算

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數(shù)平均溫差，℃；A為選擇的傳熱面積，取A=1.1A0；L為盤管長度，m；n為盤管束中換熱管的數(shù)量。

2 計算舉例

以某項目為例，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。天然氣在通過內(nèi)盤管時被加熱至33.5℃。該項目的輸入條件見表1。

表1 傳熱計算的輸入條件

根據(jù)以上的計算方法及輸入，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軟件進行布管及管側(cè)傳熱系數(shù)的校核，得到布管圖見圖2。

圖2 盤管布管圖

3 結(jié)語

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