空冷器板翅式传热元件翅片高度的优化计算

张向南，张彦军，卢 芳(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州 730070)

符号说明:

hi——管内给热系数，W/(m2·K)

λi——定性温度下介质导热系数，W/(m·K)

de——基管的当量直径，m

Li——基管长度，m

Pr——定性温度下热介质普朗特数

φi——壁温校正系数，文中近似为1

ΔPt——管程压降，Pa

Gi——基管内介质质量流速，kg/(m2·s)

ρi——定性温度下热介质密度，kg/m3

Ntp——管程数

fi——管程摩檫因子，无量纲

hf——管外给热系数(以翅片面积为基准)

λa——定性温度下空气导热系数，W/(m·K)

Gmax——空气在翅片间的质量流速，kg/(m2·s)

μa——空气定性温度下的动力粘度，Pa·s

Pra——定性温度下空气的普朗特数

Sf——翅片间距，m

Hf——翅片高度，m

ho——管外给热系数(以基管面积为基准)

Ao——单位长度基管的外表面积，m2/m

AΣ——单位长度基管的翅片表面积，m2/m

Ai——单位长度基管的内表面积，m2/m

λ1——空气入口处摩擦系数

λ2——翅片流道间摩擦系数

λ3——空气出口处摩擦系数

ρα——定性温度下空气密度，kg/m3

v1——翅片通道间风速，m/s

v2——迎风面风速，m/s

Lo——翅片长度，m

deo——翅片通道当量直径，m

ri——管内流体结垢热阻，(m2·K)/W

ro——管外流体结垢热阻，(m2·K)/W

rw——管壁热阻，(m2·K)/W

rj——翅片间隙热阻，(m2·K)/W

0 引言

在水资源日益稀缺的今天，空冷器以其显著的节水性能被广泛应用于各行业工业装置中，尤其在缺水地区采用空冷系统，可以节省大量的工业用水，在很大程度上解决了缺水地区的工业用水供应问题以及缺水地区的建厂问题。目前空冷器已广泛应用于石化、电力、冶金等系统。在很多石油与化工厂中，约有90%的冷却负荷由空冷器来承担，并且逐渐应用于工业装置的低温位冷凝冷却工位中。

空冷器传热元件从20世纪30年代发展至今，其核心传热元件经历了光管、圆形翅片管、椭圆管矩形翅片、扁钢管矩形翅片管、扁钢管钎焊蛇形铝翅片管、波纹板片等型式，其中扁钢管钎焊蛇形铝翅片管后被称为板翅式传热元件，采用钎焊工艺，在空气侧表面布置蛇形翅片，强化了空气侧传热系数。实践证明，板翅式传热元件较其他传热元件具有传热效率高、节水效果好、清洗方便等特点，已被广泛应用于电站空冷凝汽装置，取得了较大的经济效益和社会效益［1－2］。

文中针对某装置冷却项目拟采用空冷技术，设备采用板翅式传热元件，在设计条件下，对传热元件进行工艺计算，分析对比不同翅片高度对传热和流阻的影响，为传热元件的翅片高度选择提供理论依据［3－5］。

1 设计条件

根据装置要求，结合当地气象条件，在设计环境温度25.5℃条件下，不借助喷淋水对空气增湿降温，单台空冷器需满足如表1所示工艺要求，工艺介质参数见表1。

表1 工艺介质参数

由表1可知，单台空冷器具有以下特点:

(1)工艺介质处理量大，热负荷大;

(2)工艺介质操作温度(45～33℃)较低;

(3)工艺介质与空气的传热温差小，传热动力小。

2 工艺方案

经工艺计算，单台空冷器采用一台轴流风机，风机直径10500 mm，风量800 m3/s，空气入口温度25.5℃，出口温度37.6℃，工艺介质与空气进行交错流换热［6－7］。

图1 工艺介质与空气交错流换热示意

空冷器采用板翅式传热元件，单排管结构，基管材质为碳钢，管外钎焊密排铝翅片，强化空气侧传热［8］，见图 1。

3 结构方案

3.1 设备整体结构

本方案中管内采用单管程，工艺介质从空冷器上部集合管进入，自上而下流过管束，由下部集合管流出;风机为引风式结构，空气在风机作用下，由外向内掠过管束，实现介质冷却［9］。单台空冷器断面呈“口”字形结构，两侧安装换热管束，管束迎风面尺寸(长×高)为12 m×12 m，设备整体结构如图2所示。

3.2 传热元件结构

传热元件采用板翅式传热元件，其结构(见图3)尺寸如下［10］:

(1)基管截面尺寸(长×宽×厚):219 mm×19 mm ×1.5 mm;长度 12000 mm;

(2)翅片截面尺寸(长×宽×厚):219 mm×翅高×0.3 mm，翅片间距2.31 mm(翅片高度为变化对比参数)。

图2 空冷器整体结构示意

图3 传热元件结构示意

4 计算结果分析

4.1 基本假设

解析计算过程中进行如下假设［11－12］:

(1)空气侧为强制通风，不考虑空气偏流;

(2)不考虑管内介质偏流;

(3)计算中不考虑空气在风箱、风筒其他处压降。

4.2 计算依据

4.2.1 管内给热系数计算

翅片高度在10～26 mm范围内变化时，管内流速变化范围为0.167～0.346 m/s，加之热介质属于无相变冷却，经计算雷诺数可知，热介质处于过渡流区，则根据下式可得出管内给热系数:

4.2.2 管程压降计算

4.2.3 管外给热系数计算

翅片高度在10～26 mm范围内变化过程中，风机风量保持不变，则翅片间通道风速变化范围为3.67 ～4.62 m/s，属于强制通风，则根据下式可得出管外给热系数(以翅片面积为基准):

在不考虑垢阻情况下，管外给热系数(以基管面积为基准):

4.2.4 风侧压降计算

空气在翅片入口处为渐缩形态，入口处压降为:

翅片通道间压降为:

空气在翅片出口处为渐扩形态，出口处压降为:

空气在通过翅片过程中总压降:

总传热系数(以基管面积为基准):

总传热系数(以翅片面积为基准):

4.3 计算结果汇总

根据该项目的工艺参数进行解析计算，传热元件在不同翅片高度下，板翅式空冷器的传热及流阻性能计算结果汇总见表2。

表2 不同翅片高度下空冷器的性能参数计算结果汇总

4.4 对比分析

根据上述计算结果，该项目中板翅式空冷器的传热及流阻性能随传热元件翅片高度的变化趋势见图4。

图4 总传热系数随翅片高度的变化趋势

4.4.1 翅片高度对总传热系数的影响

从图4中可以看出，当翅片高度H≤12 mm时，以翅片面积为基准的总传热系数K值随着翅片高度的增加而迅速增加;当翅片高度达到12 mm 时，K 值达到最大，为 28.45 W/(m2·K);当翅片高度H＞12 mm时，K值随翅片高度的增加而下降。

4.4.2 翅片高度对总换热面积的影响

图5示出总换热面积随翅片高度的变化趋势。可以看出，在翅片高度逐渐增加过程中，空冷器总换热面积呈现明显上升趋势，前半段总换热面积随翅片高度变化更为明显，当翅片高度增加到一定数值后，上升趋势将逐渐平缓。

图5 总换热面积随翅片高度的变化趋势

总换热面积主要受基管数量和翅化比的影响，在12 m×12 m的迎风面积上(管束长度为12 m，叠厚为12 m)，在基管尺寸不变的情况下，当翅片高度增加时，在管束12 m叠厚方向上布置的基管数量逐渐减少，即基管外表面积减少，但是翅片管的翅化比随翅片高度增加而大幅增加，导致管束总翅片面积仍然呈增加趋势。

4.4.3 翅片高度对总传热系数与总换热面积乘积的影响

图6示出总传热系数×总换热面积随翅片高度的变化趋势。可以看出，当翅片高度H≤14 mm时，以翅片外表面积为基准的总传热系数与总换热面积的乘积随着翅片高度的增加而迅速增加;当翅片高度达到14 mm时，两者乘积达到最大，为1091937 W/K;当翅片高度H＞14 mm时，两者乘积随翅片高度的增加而缓慢下降。

图6 总传热系数×总换热面积随翅片高度的变化趋势

4.4.4 翅片高度对空气侧风速及压降的影响

图7 空气侧风速及压降随翅片高度的变化趋势

图7示出空气侧风速及压降随翅片高度的变化趋势。可以看出，在翅片高度逐渐增加过程中，空气侧翅片通道的流通面积逐渐增加，穿过翅片通道的空气流速逐渐下降，因此空气流阻随翅片高度的增加呈明显下降趋势。

4.4.5 翅片高度对管内流速及压降的影响

图8示出管内流速及压降随翅片高度的变化趋势。可以看出，在翅片高度逐渐增加过程中，基管数量和管内流通面积均逐渐减少，管内流速逐渐增加，因此管内流阻随翅片高度的增加呈明显上升趋势。

图8 管内流速及压降随翅片高度的变化趋势

4.4.6 翅片高度对空气侧单位压降下的总传热系数 K/ΔP的影响

图9示出空气侧单位压降的总传热系数随翅片高度的变化趋势。

图9 空气侧单位压降的总传热系数随翅片高度的变化趋势

由图9可以看出，在翅片高度逐渐增加过程中，空气侧单位压降的总传热系数先增加后降低，当翅片高度增加到22 mm时，该值达到最大为0.4165 W/(m2·K·Pa)，表示单台设备的单位泵功下总传热系数最大。尽管此时设备台数较翅片高度为14 mm时有所增加，但单台设备的操作费用降低，适合设备长周期运行。

5 结论

由表2可知，在单台空冷器热负荷不变的条件下，翅片高度在一定范围内(如12～18 mm)变化时，翅片通道间风速变化幅度较小(4.36～3.93 m/s)，冷、热流体有效温差可认为基本不变，当翅片高度为14 mm时，传热元件在传热系数和散热面积的匹配上处于较优范围，此时设备台数较少，初期投资较低。

同时，在翅片高度增加过程中，空气侧单位压降的总传热系数先增后降，当翅片高度达到22 mm 时，达到最大值0.4165 W/(m2·K·Pa)，尽管此时设备台数较翅片高度为14 mm时有所增加，但单台设备的操作费用较低。

综上所述，最终翅片高度的确定，还需综合考虑在不同翅片高度下装置的初期投资和后期运行费用之间的关系，进行技术经济性比较，最终优化设计得到。

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