纏繞管式換熱器是一種高效的換熱設(shè)備，廣泛應用于化工、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)化和安全運行，對纏繞管式換熱器的熱效率和壓力損失進行準確計算是至關(guān)重要的。
一、纏繞管式換熱器的特點
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。
熱補償性能好：當換熱器內(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雜支撐裝置而造成的高效換熱空間的浪費。
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、導熱系數(shù)、定壓比熱等)以及流速，采用適當?shù)膶α鲹Q熱公式進行計算。
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)驗公式或圖表進行查詢。
管壁導熱系數(shù)：根據(jù)傳熱管的材料及其壁厚進行計算。
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)進出口溫度進行計算。
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.熱負荷的分配
在纏繞管式換熱器中，熱負荷通常根據(jù)各傳熱管的傳熱系數(shù)及傳熱面積進行分配。為了確保換熱器在各工況下均能高效運行，需要對熱負荷進行合理分配，避免某些傳熱管過熱或冷卻不足。
4.復雜管束結(jié)構(gòu)參數(shù)及相關(guān)換熱計算模型
由于管束結(jié)構(gòu)復雜，為了準確計算其熱效率，需要建立相應的數(shù)學模型。這些模型通常基于傳熱學及流體力學的基本原理，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)學計算及圖表查詢，可以得到復雜管束結(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，直接影響換熱器的運行效率和能耗。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)運算
在獲取基本數(shù)據(jù)后，需要進行幾何結(jié)構(gòu)的運算，包括：
殼側(cè)的截面積；
繞管的當量直徑；
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
為了更準確地計算壓力損失，通常將繞管式換熱器進行微元化劃分，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行計算。
在計算過程中，需要特別注意以下幾點：
考慮流體的相變過程對壓力損失的影響；
對于復雜流道(如錯列布置、彎曲流道等)，需要采用適當?shù)男拚禂?shù)進行計算；
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雜的物理過程和參數(shù)。為了確保計算的準確性，需要充分了解換熱器的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，掌握傳熱學和流體力學的基本原理和方法。通過合理的數(shù)學模型和計算方法，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)化和運行提供重要依據(jù)。
在實際應用中，還需要注意以下幾點：
數(shù)據(jù)準確性：確保所有輸入數(shù)據(jù)的準確性，包括流體性質(zhì)、流速、管道幾何形狀等。
模型適用性：根據(jù)具體的應用場景選擇合適的數(shù)學模型和計算方法。
實驗驗證：在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進行必要的實驗驗證，以確保計算結(jié)果的準確性和可靠性。
