盘管水浴电加热器传热计算的研究

秦志英

格兰富水泵(上海)有限公司 上海 200120

本文主要介绍了一种盘管水浴电加热器传热计算的方法。由于HTRI软件不适用于水的自然对流传热系数的计算，通过管侧和热侧的传热系数分开计算，采用软件和手算相结合的方式来完成传热计算。盘管水浴电加热器的流程简图见图1。

图1 盘管水浴电加热器的流程简图

电加热器加热水浴使得水浴温度基本维持恒定，水浴加热盘管中的天然气，以防止天然气水合物的形成。

1 计算方法

1.1 电加热器加热功率Q的计算

电加热器的加热功率由两部分组成：一部分用于天然气的升温，该功率可由Hysys模拟得到；另一部分用于补偿环境散热引起的热损失。热损失主要由设备表面跟大气间的对流传热和辐射传热引起的，总热损失及各个传热系数按以下公式进行计算[4]。

(1)

hcv=1.972(ΔT)0.25(适用于设备垂直面)

(2)

(3)

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

(4)

式中，hchp为水平面对流传热系数，W/m2·K；hcv为垂直面(高于0.61 m)对流传热系数，W/m2·K；hR为辐射传热系数，W/m2·K；Ah为水平面传热面积，m2；Av为垂直面传热面积，m2；ΔT为水浴槽保温层外表面与环境温度之间的温差，℃；Ts1为水浴槽保温层外表面温度，℃；Ta为环境温度，保守取环境最低温度，℃；ε为水浴槽保温层外表面发射率；D0为水浴槽(含保温层)外表面直径，m；L0为水浴槽长度，m；Qloss为环境热损失，kW。

(5)

式中，QC为从水浴槽表面到水浴槽保温层外表面的传热速率，kW；λin为保温层热导率，W/m·℃；δin为保温层厚度，m；Twater为水浴槽维持温度，℃。

水浴槽外表面有保温层，当传热达到平衡时，从水浴槽表面到水浴槽保温层外表面的传热速率Qc与水浴槽保温层外表面到大气的传热速率Qloss相等，即Qc=Qloss。根据这个条件，当Ts1满足ABS[(Qloss-Qc)/Qloss]≤0.03时，表明计算收敛，所得Ts1即传热达到平衡时的水浴槽保温层外表面的平均温度。进一步计算可得到环境热损失Qloss。

Q=Qloss+Qprocess

(6)

式中，Qprocess为用于天然气升温所需要的功率，kW；Q为电加热器的功率，kW。

1.2 盘管侧强制对流传热系数h1的计算

盘管侧天然气流速较高，属于强制对流，可采用HTRI软件进行管侧对流传热系数h1的计算。由于在一般情况下强制对流的传热系数远远高于自然对流的传热系数，水浴加热的总传热系数基本取决于壳侧传热系数的大小。计算初期，可采用一个初步计算的值用于计算总传热系数，待传热面积基本确定后再采用HTRI软件进行进一步核算。

1.3 水浴壳侧自然对流传热系数h2的计算[5]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

ΔTam1=(Twater-Ts)

(13)

(14)

(15)

式中，RaD为雷诺数；Pr为普兰德常熟；Nu为努塞尔常熟；h2为壳侧平均传热系数，W/m2·K；h3为热流体到盘管外壁的平均传热系数，W/m2·K；h4为冷流体管壁到盘管外壁的平均传热系数，W/m2·K;β为水体积膨胀系数，K-1；ΔTam1为热流体与盘管外壁之间的对数平均温差，℃；Ts为盘管外壁温度，℃；g为重力加速度，m/s2；d0为盘管外径，m；δ为盘管壁厚，m；di为盘管内径，m；x为特征尺寸(等于d0)，m；μ为水的粘度，Pa·s；υ为运动粘度，m2/s；α为热扩散率，m2/s；ρ为工作温度下的水的密度，kg/m3；λ为水的热导率，W/m·℃；λ0为盘管壁的热导率，W/m·℃；cp为水的比热容，J/kg·℃；rdh为热侧流体的污垢热阻，m2·℃/W；rdc为冷侧流体的污垢热阻，m2·℃/W；ΔTam2为冷流体与盘管外壁之间的对数平均温差，℃。

当传热达到平衡时，冷流体到盘管外壁与盘管外壁到热流体的传热速率相等，即式(11)成立。根据此条件，当Ts满足ABS[(h4ΔTam1-h3ΔTam2)/h4ΔTam1]≤0.03时，表明计算收敛，所得Ts即传热达到平衡时盘管外壁的表面平均温度。进一步计算即可得壳侧的传热系数h2。

1.4 总传热系数K的计算

(16)

式中，K为总传热系数，(基于盘管外径)，W/m2·K。

1.5 传热面积A的计算

Q=KA0ΔTam

(17)

(18)

A=nπd0L

(19)

式中，A0为需要的传热面积，m2；Tin为天然气入口温度，℃；Tout为天然气出口温度，℃；ΔTam为热流体与冷流体之间的对数平均温差，℃；A为选择的传热面积，取A=1.1A0；L为盘管长度，m；n为盘管束中换热管的数量。

2 计算举例

以某项目为例，水浴加热器撬块用于天然气的加热。水由电加热器加热到60℃左右。天然气在通过内盘管时被加热至33.5℃。该项目的输入条件见表1。

表1 传热计算的输入条件

根据以上的计算方法及输入，得到如下结果：电加热器所需功率为33kW，其中0.21kW用于补偿在环境中的热损失；管侧传热系数h1为1690W/m2·K，壳侧传热系数为808W/m2·K，总传热系数为339W/m2·K，所选择的传热面积为2.8m2，取n=14，L=1.31m. 根据所得的传热面积，采用HTRI软件进行布管及管侧传热系数的校核，得到布管图见图2。

图2 盘管布管图

3 结语

本文主要介绍了一种盘管水浴电加热器传热计算的方法。通过分别计算管侧和壳侧的传热系数，采用HTRI软件和手算相结合的方式实现了水浴槽总传热系数及传热面积的计算，并利用软件完成盘管侧的布管，从而完成设备的定尺计算，对工程设计具有一定的指导意义。