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用HTRI进行湿式空冷器设计选型的探讨


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石油与化工设备 2011年第14卷

用HTRI进行湿式空冷器设计选型的探讨
黄蕾1,王立新2,荣丁石2
(1.太原科技大学机电学院,山西 太原 030024) (2.北京巨元瀚洋换热设备有限公司, 北京 100004)

[摘 要] 通过比较湿式空冷器

与HTRI干式空冷器的计算过程,拟合出用于湿式空冷器计算的修订系数。输入HTRI的FJ Curves修订面板进行计算,并与实例计算结果进行了对比。结果表明,修订后的HTRI模型可用于湿式空冷器的设计选型。 [关键词] HTRI;湿式空冷器;FJ Curves;设计选型

空冷器由于节水、环保和腐蚀性低等显著特 点被广泛用于石油化工行业 [1] ,它的选型设计工 作历来是人们关注的重点。HTRI软件有专门的空 冷器选型模块,可以对常用的干式空冷器进行快 速而准确的设计,但当接近温度(即热流体出口 温度与设计空气温度之差)小于15℃时,选用湿 式空冷器经济上更有利,而HTRI却没有相应的计 算模块对湿式空冷器进行计算。本文用HTRI FJ Curves面板的修订系数实现了HTRI湿式空冷的选 型计算工作。

ho = jC p Gmax Pr ?2/3
式中:

(1-2)

h 0 为以翅片管外表面积为基准的对流换热系 数,w/(m2.k);Cp为空气比热,J/(Kg.K);Pr为空气 的普朗特数。

2 湿式空冷器的数学模型
湿式空冷器模型按文献[3]选取,满足我国广泛 使用的高低翅片管束。

1 HTRI空冷器的数学模型[2] 1.1 管束压降模型

2.1 管束压降模型
1.54 ?P = 2.16? N p Bs0.12GF

(2-1)

?P =

4(Gmax ) 2 N p 2ρ

( f + aa )

式中: (1-1) φ为翅片高度影响系数,高翅片为1,低翅片 为1.25; Gf为迎风面空气质量流速,kg/(m2.s); Bs为迎风面喷水强度,kg/(m2.h)。

1+ ξ 2 1 1 )ρ ( ? ) aa = ( 4N p ρ 2 ρ1
式中:

2.2 管束传热模型

△P 为通过管束的静压降,Pa; G max为空气最大质量流速,kg/(m2.s); N p 为管排数;
ξ 为迎风面积与空气流动最窄截面处面积比;

ho = 90.7φθ GF
式中:

0.05 + 0.08 N p

Bs

0.77 ? 0.035 N p

θ ?0.35 (2-2)

ρ,ρ 1,ρ 2分别为空气侧平均温度下的密度, 进口温度下的密度和出口温度下的密度,kg/m3; aa为流动加速度因子,表明由密度差引起的压 力损失;

φθ为翅片高度影响系数,高翅片为1,低翅片 为0.91; tb ? t g 1 θ为传热传质的温度系数,θ = t ? t g1 p1 tb基管外壁面温度,℃;
t b = Tm ? qo ( d 1 do + rw + ri o ) hi di di

f 为摩擦系数因子。

1.2 管束传热模型

作者简介:黄蕾,女,太原科技大学机电学院机自0803班。

第4期

黄蕾等 用HTRI进行湿式空冷器设计选型的探讨

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Tm为管内流体的定性温度,℃; q0为基管表面热流密度,w/m ; h0为管内对流换热系数,w/(m .k); d0和d1分别为管子的外径和内径,m; rw和r i分别为管子的壁面热阻与内表面污垢热 阻,K.m2/W; t g1为经过喷淋后,进入管束前空气的干球温 度,℃; 175 )(t go ? tso )0.94 t g1 = t go ? (1.04 ? , Bs ln Bs t g0 和t s0 分别为喷淋前空气干球温度和湿球温 度,℃; tp1为空气喷淋后入口的露点温度,℃。
2 2

3.3 管外对流换热系数的等效
HTRI软件的管外对流换热系数是以整个翅 片管的外表面积为基准,而式(2-2)是以基管外 表面积为基准,故式(2-2)求出的值要除以翅片 比,就可以等价于式(1-2)对流换热系数值。

3.4管束压降与传热模型的等效[4]
HTRI提供了两种f因子与j因子模型,第一种 需要输入3对数据,即3对f因子与雷诺数对应的数 值,3对j因子与雷诺数对应的数值,然后软件自己 拟合出常数a和b。第二种是输入2个常数,然后软 件按式(2-3)与式(2-4)计算出f因子与j因子。 很显然,第二种方法更准确,因为仅仅3对数据不 能完全有效地覆盖各种工况情况,且拟合数据用 的点太少,不能保证精度。 HTRI中f因子与j因子的表达式完全一致, 为:

3 数据处理
从以上模型可以看出,HTRI在计算中使用的 关联式无论在参数的选择上还是数学的结构上都 与湿式空冷器有很大不同,这就需要认真分析这 些差异,进行各方面的等效处理,最终目的是让 HTRI的输出结果与用湿式关联式的计算结果趋近 一致。由于HTRI在计算时,只是对公式进行迭代 收敛,而不管公式的具体形式如何。这就为我们 提供了改变公式形式的机会,从而既能充分利用 HTRI软件本身方便快速和参数易调节的优点,又 可用于湿式空冷计算。

f = a f Re
j = a j Re
Re =

bf

(2-3) (2-4)

bj

Gmax d o ,μ为动力粘度,N.s/m2。 ?

直接令式(1-1)与式(2-1)相等,式 (1-2)与式(2-2)相等,求出f,j与Re的对应关 系。 对式(2-3)与(2-4)两边取自然对数得:

3.1 迎面风速的等效
湿式空冷器的出口温度为:
t g 2 = t g1 + Q ξθ ρ AV f C p

ln( f ) = ln(a f ) + b f Re

(2-5) (2-6)

ln( j ) = ln(a j ) + b j Re

式中: t g2 为湿式空冷器的出口温度,℃;Q为热负 荷,w;A为迎风面积,m 2 ;V f 为迎风面速度, m/s。

编程输入数据,进行线性回归分析,即可得 到af,bf,aj,bj的值。

4 数据处理结果对比分析
结合文献[5]提供的例子进行数据处理与对比分 析。已知参数如表1所示,热物性参数的数值为定 性温度下取得。 管子规格为Φ25×2.5碳钢管,2片管束,名 义尺寸为9m×3m,4排管子,标准迎面风速2.6m/ s,垂直迎面风速的管心距为63.5mm,正三角形 排列,翅片高度为15.5mm,翅片厚度0.4mm,翅 片间距2.54mm。基管总数量为182根,两管程。 取迎风面速度2m/s~3m/s。编程计算f因子与j因 子常数,得a f= 3.335,b f= -0.4,a j= 0.0045,b j= -0.0017。把常数和数据表1输入HTRI,为方便比

ξθ = (2.55 + 0.15 N p )φθ B

0.54 s

θ

0.35

为湿温系数。

为保证HTRI计算的出口温度,对数平均温差 与湿式模型一致,需把HTRI的标准迎面风速等效 为: V f _ HTRI = V f / ξθ

3.2空气入口温度的等效
HTRI并不能区分喷淋前后空气的干球温度, 实际用于热交换的入口空气温度是tg1,所以HTRI 的入口空气温度 tinlet = t g1 。这也保证了对数平均温 差与湿式模型一致。

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石油与化工设备 2011年第14卷

较,把管内的对流换热系数设置成例题的计算数 值,最终的计算结果对比如表2所示。
表1 名称 热负荷 质量流量 进口温度 出口温度 空气干球温度 空气湿球温度 管内污垢热阻 管外污垢热阻 密度 导热系数 比热容 粘度 湿式空冷器选型已知数据表 符号 Q Wa Tin Tout Tgo Tso ri ro ρ λ Cp μ 数值 2080313 13500 65 40 31.1 26.4 0.00017 0.00025 668.6 0.158 2219 0.406×10-3 单位 W kg/h ℃ ℃ ℃ ℃ K.m2/W K.m2/W kg/m3 W/(m.K) J/(Kg.K) Pa.s

从上表中可以看出,经过修订后的HTRI能较 好的模拟湿式空冷器的计算过程,空气的出口温 度,对数平均温差以及管束的静压降都几乎没有 偏差。但由于HTRI会分段进行更为精准的计算, 所以换热系数与例题结果有偏差,但仍满足工程 需要。此外,HTRI中定义的设计裕度是以综合传 热系数为基础的,与例题定义的不同,故出现了 较大的差别。

5 结语
(1)充分利用HTRI计算方便快速的优点,通 过修改FJ Curves面板的修正系数,实现了湿式空 冷器的选型设计。 (2)通过实例对比分析,表明这种修订方法 安全可靠,满足工程精度要求。可以通过编程快 速求出修订系数,然后输入HTRI计算,提高工作 效率。 (3)演示了HTRI修订的方法,为其它需要进 行计算模型修订的工作提供了实例。
◆参考文献 [1] 史美中,王中铮.热交换器原理与设计[M]. 南京:东南 大学出版社,2006,160-161. [2] HTRI Design Manual,HTRI设计手册 [S]. [3] 马义伟.空冷器设计与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学 出版社,1998,55-59. [4] 周长发.科学与工程数值算法[M].北京:清华大学出版 社,2002,193-194. [5] 赖周平,张荣克.空气冷却器[M].北京:中国石化出版 社,2010,310-315. 收稿日期:2011-02-18;修回日期:2011-03-21

表2 名称 空气出口温度 对数平均温差 管外换热系数 总传热系数 管束静压降 设计裕度

HTRI计算结果与例题对比 数值(HTRI/例题) 33.08/32.98 20.6/20.85 66.42/79 24.36/23 94.6/94.7 21.6/15.6 单位 ℃ ℃ w/(m .k) w/(m .k) Pa
2 2

相差% 0.3 -1.2 -16 5.9 -0.1 40

简 讯
根据民政部民函[2010]52号文批复,中国石油和化学工业协会自2010年5月10日起,正式更名为中 国石油和化学工业联合会。为此,自该日起,原中国石油和化学工业协会主管的报纸、期刊、网站所标 注的主管单位由中国石油和化学工业协会更改为中国石油和化学工业联合会。我刊关于《石油和化工设 备》杂志主管单位更名的请示已获国家新闻出版总署新出审字[2010]566号文批复同意,自即日起,《石 油和化工设备》杂志主管单位更名为中国石油和化学工业联合会,其它登记项目不变。 (本刊编辑部)


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