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4-3.1換熱特點和設計概述

日期：2022-01-07 09:07:22點擊：226

4-3.1換熱特點和設計概述
當空冷器的管內是純粹的蒸汽凝結時，管內換熱規律不變，管內流體的進出口溫度也不變，空冷器的設計比較簡單，與管內為單相流體時的設計計算方法接近。但這種純粹的蒸汽凝結比較少見,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。當空冷器的管內介質同時存在冷凝和冷卻兩個過程時,因管內傳熱規律發生變化，空冷器的設計計算與第4. 2節所講的管內為單相流體時的設計計算方法有所不同，使設計變得更為復雜,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:單一介質在管內的冷凝和冷卻
以水蒸氣在管內的冷凝和冷卻為例，該過程可包括過熱蒸汽的冷卻，飽和蒸汽的凝結和凝結水的冷卻三個階段，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，屬于相變換熱，溫度保持在飽和溫度上。雖然蒸汽在管內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，在空冷器的應用條件下，凝結段的管內壓力和飽和溫度基本保持不變。此外，三段的管內換熱系數相差很大，傳熱平均溫差也各不相同，導致各段的換熱量和換熱面積產生較大的差別，因而，對管內冷凝/冷卻同時存在的情況，應分段進行設計和計算。

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計；
(3) 計算管外空氣側的換熱系數和各段的管內換熱系數；
(4) 分別計算各段的傳熱系數，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：復合介質的冷凝和冷卻

如煙氣和水蒸氣組成的復合介質，或碳氫化合物混合氣體與水蒸氣組成的復合氣體等,其中的水蒸氣，在管內的溫度和壓力達到其飽和狀態后,會產生水蒸氣的凝結，而復合介質中的混合氣體成分則一直處于過熱狀態，不會產生凝結，從而形成混合氣體與可凝蒸汽和凝結液共存的兩相流狀態。在空冷器的傳熱過程中，復合介質沿管程的溫度分布和換熱特點如圖 4. 3.2所示。
在復合介質中，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，則復合介質沿管程的溫度變化比較均勻，各段的換熱系數相差不大，可用統一的關聯式計算, 因此，沒有必要分段計算，可作為一個整體進行空冷器的設計。
設計中需特別注意的問題如下。
1.熱負荷計算
當管內只有一種組分發生相變時，換熱量的計算比較復雜，應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量，則傳熱量為

2.管內換熱系數的計算
由于過程復雜，研究尚不充分,可選用的并便于計算的實驗關聯式不多。對于復合介質在管內的冷凝和冷卻，建議釆用文獻［3］推薦的Akers,Deans and Crosser式計算換熱系數

。

式(4. 3. 2)采用了管內單相流體對流換熱的關聯式形式，但其中的Re數考慮了復合
介質的因素。式中，下標f代表凝結下來的液體;下標v代表兩相流中的氣體;

為凝結液的質量流速,

為氣相流體的質量流速,

。具體的計算方法見例

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