纏繞管式換熱器是一種高效的換熱設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、制冷、電力等領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的熱傳遞性能使其成為工業(yè)領(lǐng)域中的優(yōu)選設(shè)備。然而，為了確保其性能優(yōu)化和安全運(yùn)行，對纏繞管式換熱器的熱效率和壓力損失進(jìn)行準(zhǔn)確計算是至關(guān)重要的。
一、纏繞管式換熱器的特點(diǎn)
繞管換熱器相比普通管殼式換熱器具有顯著的優(yōu)勢：
適用溫度范圍廣：既可用于制氧等低溫過程，又可用于化肥供氫等高溫裝置。
熱補(bǔ)償性能好：當(dāng)換熱器內(nèi)部發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象時，繞管換熱器管束可以自由伸長或收縮，不會對管板造成大的影響。
結(jié)構(gòu)緊湊：繞管換熱器中管束緊密纏繞，相鄰兩層管束通過隔條支撐，減少了普通換熱器因安裝復(fù)雜支撐裝置而造成的高效換熱空間的浪費(fèi)。
結(jié)垢傾向低：內(nèi)部結(jié)構(gòu)及兩側(cè)介質(zhì)充分的逆流換熱使其具有自我清潔的功能。
換熱效率高：這也是繞管換熱器成為各大企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)爭相研究的主要原因之一。
二、熱效率計算
纏繞管式換熱器的熱效率計算涉及多個參數(shù)和復(fù)雜的物理過程，主要包括傳熱系數(shù)的計算、總傳熱面積的計算、以及熱負(fù)荷的分配等。
1.傳熱系數(shù)的計算
傳熱系數(shù)K是反映換熱器傳熱性能的重要參數(shù)，它表示在單位時間內(nèi)，通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。其計算公式一般為：
[K=\frac]
式中：
(Q)是換熱量(W)；
(A)是傳熱面積((m^2))；
(\DeltaT_m)是對數(shù)平均溫差(K)。
對于纏繞管式換熱器，傳熱系數(shù)(K)可以通過以下步驟計算：
內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)：根據(jù)傳熱管的內(nèi)側(cè)流體特性(如密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)、定壓比熱等)以及流速，采用適當(dāng)?shù)膶α鲹Q熱公式進(jìn)行計算。
外側(cè)對流換熱系數(shù)：類似地，根據(jù)殼側(cè)流體的特性及流速進(jìn)行計算。
熱垢系數(shù)：考慮傳熱管內(nèi)外壁的熱垢影響，通常采用經(jīng)驗公式或圖表進(jìn)行查詢。
管壁導(dǎo)熱系數(shù)：根據(jù)傳熱管的材料及其壁厚進(jìn)行計算。
將以上各項系數(shù)代入傳熱系數(shù)的計算公式，即可得到纏繞管式換熱器的傳熱系數(shù)。
2.總傳熱面積的計算
總傳熱面積是換熱器的重要設(shè)計參數(shù)，其計算公式一般為：
[A=\frac]
式中各參數(shù)意義同上。為了計算總傳熱面積，首先需要確定換熱量(Q)，這通常由工藝要求確定。對數(shù)平均溫差(\DeltaT_m)則需要根據(jù)進(jìn)出口溫度進(jìn)行計算。
對于纏繞管式換熱器，總傳熱面積的計算還需考慮傳熱管的排列方式(如直列、錯列)、纏繞角度、層數(shù)等因素。這些因素會影響傳熱管的換熱效率及傳熱面積的計算。
3.熱負(fù)荷的分配
在纏繞管式換熱器中，熱負(fù)荷通常根據(jù)各傳熱管的傳熱系數(shù)及傳熱面積進(jìn)行分配。為了確保換熱器在各工況下均能高效運(yùn)行，需要對熱負(fù)荷進(jìn)行合理分配，避免某些傳熱管過熱或冷卻不足。
4.復(fù)雜管束結(jié)構(gòu)參數(shù)及相關(guān)換熱計算模型
由于管束結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了準(zhǔn)確計算其熱效率，需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。這些模型通常基于傳熱學(xué)及流體力學(xué)的基本原理，采用對數(shù)平均值法、體積分率法及質(zhì)量分率法等求解過程參數(shù)。通過大量的數(shù)學(xué)計算及圖表查詢，可以得到復(fù)雜管束結(jié)構(gòu)參數(shù)及相關(guān)換熱計算模型，從而設(shè)計并優(yōu)化整個換熱器。
三、壓力損失計算
纏繞管式換熱器的壓力損失是評價其流體阻力特性的重要指標(biāo)，直接影響換熱器的運(yùn)行效率和能耗。壓力損失的計算涉及多個因素，包括流體性質(zhì)、流速、管道幾何形狀等。
1.壓力損失計算公式
壓力損失計算公式一般為：
[\DeltaP=\sum_^\DeltaP_j]
式中：
(\DeltaP)是總壓力損失(Pa)；
(\DeltaP_j)是每段對應(yīng)的壓力損失(Pa)，可以是殼側(cè)的也可以是管側(cè)的。
2.基本相關(guān)數(shù)據(jù)獲取
為了計算壓力損失，首先需要獲取繞管式換熱器的基本相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：
換熱管的內(nèi)徑和長度；
芯圓筒的外徑；
換熱管的數(shù)量以及纏繞的層數(shù)；
纏繞時繞角的大小；
流體流量等。
3.幾何結(jié)構(gòu)運(yùn)算
在獲取基本數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的運(yùn)算，包括：
殼側(cè)的截面積；
繞管的當(dāng)量直徑；
每一層換熱管的數(shù)量等幾何特征參數(shù)。
4.微元化劃分及分段處理
為了更準(zhǔn)確地計算壓力損失，通常將繞管式換熱器進(jìn)行微元化劃分，分段處理。管的長度越長，劃分的段數(shù)越多。劃分的每一端都應(yīng)根據(jù)熱量衡算將出口溫度、壓力等數(shù)據(jù)算出，結(jié)果取和或平均值。
5.殼側(cè)與管側(cè)壓力損失計算
殼側(cè)和管側(cè)的壓力損失計算分別采用不同的公式和系數(shù)。對于殼側(cè)，通常根據(jù)流體在殼側(cè)流道內(nèi)的流動特性(如流速、密度、黏度等)以及殼側(cè)的幾何形狀(如直徑、長度、彎頭等)進(jìn)行計算。對于管側(cè)，則根據(jù)流體在傳熱管內(nèi)的流動特性及傳熱管的幾何形狀進(jìn)行計算。
在計算過程中，需要特別注意以下幾點(diǎn)：
考慮流體的相變過程對壓力損失的影響；
對于復(fù)雜流道(如錯列布置、彎曲流道等)，需要采用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)進(jìn)行計算；
考慮流體在傳熱管入口和出口處的局部阻力損失。
四、結(jié)論
纏繞管式換熱器的熱效率和壓力損失計算涉及多個復(fù)雜的物理過程和參數(shù)。為了確保計算的準(zhǔn)確性，需要充分了解換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，掌握傳熱學(xué)和流體力學(xué)的基本原理和方法。通過合理的數(shù)學(xué)模型和計算方法，可以得到換熱器的傳熱系數(shù)、總傳熱面積以及壓力損失等關(guān)鍵參數(shù)，為換熱器的設(shè)計、優(yōu)化和運(yùn)行提供重要依據(jù)。
在實(shí)際應(yīng)用中，還需要注意以下幾點(diǎn)：
數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性：確保所有輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，包括流體性質(zhì)、流速、管道幾何形狀等。
模型適用性：根據(jù)具體的應(yīng)用場景選擇合適的數(shù)學(xué)模型和計算方法。
實(shí)驗驗證：在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行必要的實(shí)驗驗證，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
