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4-3.1換熱特點和設(shè)計概述

日期：2022-01-07 09:07:22點擊：190

4-3.1換熱特點和設(shè)計概述
當空冷器的管內(nèi)是純粹的蒸汽凝結(jié)時，管內(nèi)換熱規(guī)律不變，管內(nèi)流體的進出口溫度也不變，空冷器的設(shè)計比較簡單，與管內(nèi)為單相流體時的設(shè)計計算方法接近。但這種純粹的蒸汽凝結(jié)比較少見,大部分運行情況是進口為飽和蒸汽，出口為過冷液體;或進口為過熱蒸汽，出口為過冷液體。當空冷器的管內(nèi)介質(zhì)同時存在冷凝和冷卻兩個過程時,因管內(nèi)傳熱規(guī)律發(fā)生變化，空冷器的設(shè)計計算與第4. 2節(jié)所講的管內(nèi)為單相流體時的設(shè)計計算方法有所不同，使設(shè)計變得更為復(fù)雜,下面，將分別討論兩種換熱情況，并通過兩例加以說明。
1.情況1:單一介質(zhì)在管內(nèi)的冷凝和冷卻
以水蒸氣在管內(nèi)的冷凝和冷卻為例，該過程可包括過熱蒸汽的冷卻，飽和蒸汽的凝結(jié) 和凝結(jié)水的冷卻三個階段，如圖4.3. 1所示。
這一情況的特點是:三個階段的溫度曲線有明顯的變化，過熱蒸汽的冷卻和凝結(jié)水的冷卻屬于單相流體的換熱，溫度沿流程有明顯的下降。而飽和蒸汽的凝結(jié)，屬于相變換熱，溫度保持在飽和溫度上。雖然蒸汽在管內(nèi)流動要克服一定的流動阻力，壓力和飽和溫度會有所下降，但計算表明，在空冷器的應(yīng)用條件下，凝結(jié)段的管內(nèi)壓力和飽和溫度基本保持不變。此外，三段的管內(nèi)換熱系數(shù)相差很大，傳熱平均溫差也各不相同，導(dǎo)致各段的換熱量和換熱面積產(chǎn)生較大的差別，因而，對管內(nèi)冷凝/冷卻同時存在的情況，應(yīng)分段進行設(shè)計和計算。

分段計算的大致步驟為：
(1) 計算空冷器的總熱負荷和各段的換熱量; 確定各段分界處的介質(zhì)溫度，并由熱平衡計算分界處的空氣溫度；
(2) 進行空冷器的初步設(shè)計；
(3) 計算管外空氣側(cè)的換熱系數(shù)和各段的管內(nèi)換熱系數(shù)；
(4) 分別計算各段的傳熱系數(shù)，傳熱溫差和傳熱面積，從而求出總傳熱面積，并與初
步計算選取的面積相比較。

2.情況：復(fù)合介質(zhì)的冷凝和冷卻

如煙氣和水蒸氣組成的復(fù)合介質(zhì)，或碳氫化合物混合氣體與水蒸氣組成的復(fù)合氣體等,其中的水蒸氣，在管內(nèi)的溫度和壓力達到其飽和狀態(tài) 后,會產(chǎn)生水蒸氣的凝結(jié)，而復(fù)合介質(zhì) 中的混合氣體成分則一直處于過熱狀態(tài)，不會產(chǎn)生凝結(jié)，從而形成混合氣體與可凝蒸汽和凝結(jié)液共存的兩相流狀態(tài)。在空冷器的傳熱過程中，復(fù)合介質(zhì)沿管程的溫度分布和換熱特點如圖 4. 3.2所示。
在復(fù)合介質(zhì)中，若可凝組分占有較少的比重，或在空冷器的入口處就開始凝結(jié)，則復(fù) 合介質(zhì)沿管程的溫度變化比較均勻，各段的換熱系數(shù)相差不大，可用統(tǒng)一的關(guān)聯(lián)式計算, 因此，沒有必要分段計算，可作為一個整體進行空冷器的設(shè)計。
設(shè)計中需特別注意的問題如下。
1.熱負荷計算
當管內(nèi)只有一種組分發(fā)生相變時，換熱量的計算比較復(fù)雜，應(yīng)找出每一組分在進口處和出口處的

，并確定每一組分在進口處和出口處的質(zhì)量，則傳熱量為

2.管內(nèi)換熱系數(shù)的計算
由于過程復(fù)雜，研究尚不充分,可選用的并便于計算的實驗關(guān)聯(lián)式不多。對于復(fù)合介質(zhì)在管內(nèi)的冷凝和冷卻，建議釆用文獻［3］推薦的Akers,Deans and Crosser式計算換熱系數(shù)

。

式(4. 3. 2)采用了管內(nèi)單相流體對流換熱的關(guān)聯(lián)式形式，但其中的Re數(shù)考慮了復(fù)合
介質(zhì)的因素。式中，下標f代表凝結(jié)下來的液體;下標v代表兩相流中的氣體;

為凝結(jié) 液的質(zhì)量流速,

為氣相流體的質(zhì)量流速,

。具體的計算方法見例

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