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的計算，通過管側和熱側的傳熱系數分開計算，采用軟件和手算相結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境散熱引起的熱損失。熱損失主要由設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按以下公式進行計算[4]。

(1)

hcv=1.972(ΔT)0.25(適用于設備垂直面)

(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，W/m2·K；hcv為垂直面(高于0.61 m)對流傳熱系數，W/m2·K；hR為輻射傳熱系數，W/m2·K；Ah為水平面傳熱面積，m2；Av為垂直面傳熱面積，m2；ΔT為水浴槽保溫層外表面與環境溫度之間的溫差，℃；Ts1為水浴槽保溫層外表面溫度，℃；Ta為環境溫度，保守取環境最低溫度，℃；ε為水浴槽保溫層外表面發射率；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，當傳熱達到平衡時，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。根據這個條件，當Ts1滿足ABS[(Qloss-Qc)/Qloss]≤0.03時，表明計算收斂，所得Ts1即傳熱達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 盤管側強制對流傳熱系數h1的計算

盤管側天然氣流速較高，屬于強制對流，可采用HTRI軟件進行管側對流傳熱系數h1的計算。由于在一般情況下強制對流的傳熱系數遠遠高于自然對流的傳熱系數，水浴加熱的總傳熱系數基本取決于殼側傳熱系數的大小。計算初期，可采用一個初步計算的值用于計算總傳熱系數，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 水浴殼側自然對流傳熱系數h2的計算[5]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

ΔTam1=(Twater-Ts)

(13)

(14)

(15)

式中，RaD為雷諾數；Pr為普蘭德常熟；Nu為努塞爾常熟；h2為殼側平均傳熱系數，W/m2·K；h3為熱流體到盤管外壁的平均傳熱系數，W/m2·K；h4為冷流體管壁到盤管外壁的平均傳熱系數，W/m2·K;β為水體積膨脹系數，K-1；ΔTam1為熱流體與盤管外壁之間的對數平均溫差，℃；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為水的熱導率，W/m·℃；λ0為盤管壁的熱導率，W/m·℃；cp為水的比熱容，J/kg·℃；rdh為熱側流體的污垢熱阻，m2·℃/W；rdc為冷側流體的污垢熱阻，m2·℃/W；ΔTam2為冷流體與盤管外壁之間的對數平均溫差，℃。

當傳熱達到平衡時，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。根據此條件，當Ts滿足ABS[(h4ΔTam1-h3ΔTam2)/h4ΔTam1]≤0.03時，表明計算收斂，所得Ts即傳熱達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的傳熱系數h2。

1.4 總傳熱系數K的計算

(16)

式中，K為總傳熱系數，(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

根據以上的計算方法及輸入，得到如下結果：電加熱器所需功率為33kW，其中0.21kW用于補償在環境中的熱損失；管側傳熱系數h1為1690W/m2·K，殼側傳熱系數為808W/m2·K，總傳熱系數為339W/m2·K，所選擇的傳熱面積為2.8m2，取n=14，L=1.31m. 根據所得的傳熱面積，采用HTRI軟件進行布管及管側傳熱系數的校核，得到布管圖見圖2。

圖2 盤管布管圖

3 結語

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