( a21 + k23/ 4) ∀− , k5 = ( a21 + k23) ∀− 。η 为实验数据 ,
一般取0. 3 。
2 传热关系式
2. 1 管外 (壳侧) 放热系数 ho
Gilli [ 4 ]从流体与直管群错流流动时的放热系数
推算出流体在由螺旋管组成的管束管外侧放热系
数:
ho d Kf
= 0. 388Faeff Fi Fn
2. North China Electric Power University , Baoding 071003 , Hebei Province , China) Abstract : The design method of the heat exchanger with multi2start helical coiled tubes was researched to meet of engi2 neering practice. The structure design of multi2start helical tubs bundle was presented. The correlations to calculate heat transfer coefficient and pressure drop for the inside and outside of helical coiled tubes were recommended. The design calculation of 200 MW steam generator was made. Key words : heat exchanger ; heat transfer ; pressure drop ; helical2coiled tube
λLx =
1 + 0. 14
di D
0. 97
Gdi
μf
a
64 Gdi/ μf
(19)
式中 , a = 1 - 0. 644 ( di/ D) 0. 312
当 Rec < Re ≤22000
λLx =
1
+
28800 di G/ μf
di D
0. 62
(
0. 3164 di G/ μf) 0. 25
热器时 , k6 = 0 。 管排数修正系数 Fn :
Fn
=1-
0. 558 n
+
0.
316 n2
-
0. 112 n3
(7)
n > 10 时 , Fn = 1 , 所以实际的螺旋管换热器不需
要此修正系数 。
管子排列修正系数 Faeff , 在螺旋盘管组成的管 束中 , 流道由顺列和错列混合布置构成。核算时可
(20)
当 22000 < Re ≤150000
λLx =
1 + 0. 0823
1
+
di D
di 0. 53 D
Gdi
μf
0. 25
பைடு நூலகம்
·
0. 3164 ( di G/ μf) 0. 25
(21)
Rec 用下式计算 :
Rec = 2300 1 + 8. 6
di 0. 45 D
(22)
我国水动力计算标准 [ 8 ]推荐用下式计算螺旋管
径向节距 S T 是根据传热管束的紧凑性和管外 阻力确定 。推荐选择相对径向节距为 1. 4 —1. 6 , 气体流速为 15 —25 m/ s 。
图 1 多头螺旋管式换热器示意图 Fig. 1 The Sketch map of heat exchanger with
multi2start helical coiled tubes
·Δt0sa. t24Δp0sa. t75 S
(16) 式中的参数 F 和 S 分别称为雷诺因子和拟制因子 ,
由文献 [ 6 ] 给出的实验曲线求得 。
周云龙等 多头螺旋管式换热器换热与压降计算
·29 ·
在 x > 0. 8 的缺液区 , 传热系数可以按文献
[ 7 ] 所推荐的关系式计算 :
Nug = 0. 023
Reg
x
+
ρg ρf
(1
-
x)
0. 8
Pr0g.,w8 Y
(17)
其中 ,
Y = 1 - 0. 1
ρf ρg
-
1
0. 4
(1 -
x) 0. 4
3 压降关系式 3. 1 管内压力损失
螺旋管内单相流体的压力损失
Δpi
= λLx
L d
G2
2ρf
(18)
当 100 < Re ≤Rec
N u = 0. 023 Re0. 85 Pr0. 4 ( di/ D) 0. 1
(12)
式 (11) 和 (12) 的定性温度为流体的平均温度 。
(2) 有相变时的放热系数 。过冷沸腾时的放热
系数及相应的传热量按文献 [ 6 ] 的推荐 , 由下式
确定 :
Q = hc ( tw - tb) + hNCB ( tw - t sat)
以取修正系数 Fa1和修正系数 Fa2的算术平均值 , 即
Faeff = ( Fa1 + Fa2) / 2
(8)
对 Fa1 , a′1 = a1 , a′2 = e 对 Fa2 , a′1 = a1 , a′2 = e - a2 其中 , a1 = ST/ d , a2 = ( SLcos α) / d , e = Ecos α/ d 。
损失
Δps
= 3. 2732 f eff Ci Cn
nG2
2 gρf
(24)
Ci 为传热管倾斜 (螺旋上升角) 修正系数 :
Ci = (cos β) - 1. 8 (cos φ) 1. 355
(25)
Cn 为管排修正系数 :
Cn
=
1
+
0.
375 n
(26)
管子布置修正系数为 f eff , 可用前述 Faeff代替 。
-
2ηln
a2 + 2 k1 2 ( a2 + k2)
+
1 a1
k1
1 2
-
η
+ 2ηk2
+
4η 3 a22
(
a31
-
k32) - 1
当 a2 > (4 a1 + 1) ∀−
reff
=
a1 a2
ln
k3 + 2 k4 2 a1
- 2ηln
k3 + 2 k4 k3 + k5
+
1-
k3 a2
1-
1 2 a1
4 工程设计 作者在从事国家 863 高技术课题 ———高温气冷
反应堆蒸汽发生器研究 (8632614202205) 中 , 采用 上述所提出的计算方法 , 对 200 MW 高温堆螺旋管 式蒸汽发生器进行了设计计算 。表 1 为蒸汽发生器 的设计参数 , 蒸汽发生器传热面管束由与中心同心 的多头螺旋管圈组成 , 蒸汽发生器有 220 根换热 管 。螺旋管共缠绕 22 层 , 最内层螺旋管螺旋直径 1. 043 m , 最外层螺旋管直径2. 555 m , 管束高度 8. 212 m , 所有传热面管束由 3 块辐射状支撑板支 撑 。表 2 为受热面主要设计参数 。表 3 为多头螺旋 管束受热面螺旋管束结构参数 。表 4 为蒸汽发生器 设计计算主要结果 。所设计的蒸汽发生器已经应用 在我国高温气冷堆的示范堆上 , 同时把设计结果与 文献 [ 9 —10 ] 相比较 , 设计结果合理 , 表明所提 出的计算方法是合理和正确的 。
内汽水混合物压力损失 :
ΔpLm
=
λLxψ
G2
2ρf
1+
x
ρf ρg
-
1
L di
(23)
λLx为螺旋管内单相流体的局部阻力系数 , ψ 是摩
擦阻力损失校正系数 ,按文献[ 8 ]推荐计算 。
3. 2 管外侧压力损失
Gilli [ 4 ]从与直管群列流动时的压力损失推算出
盘管 (螺旋管) 组成的管束错列流流动的流体压力
sin
</ 225
<
(5)
< 表示流体实际流动方向和与传热管垂直轴之间的
夹角角度 。β用下式计算 :
β = α(1 - α/ 90) (1 - k60. 25)
(6)
k6为盘管层组成的管束特性数 。螺旋管式换热器左 缠和右缠盘管交替布置时 , k6 = 1 , 因此 β= 0 。在 仅由左缠和右缠中任何一个缠绕方向盘管组成的换
多头螺旋管式换热器具有传热系数大 、结构紧 凑等优点 , 广泛用于化工 、电力 、低温 、动力 、石 油和核能等工业设备[1 —3] 。多头螺旋管式换热器在 换热面的结构设计 、传热计算和压降计算中都有别 于其他换热器 。
1 换热面结构设计方法 图 1 是具有代表性的多头螺旋管式换热器示意
图 。为保证换热器结构紧凑 , 同时保证传热管的受 热均匀和各个传热管的热偏差 , 尽可能使每根传热 管的长度基本均匀 。为此采用下述方法来实现 , 即 保持径向和轴向相对节距均一定 , 调整螺旋盘管中 螺旋管的头数 , 在这种情况下螺旋上升角有小的 变化 。
① 作者简介 : 周云龙 (1960 —) , 男 , 博士生导师 , 教授 , 主要从事强化传热与传质的研究 , E2mail : zyl @mail . neiep . edu. cn 。
·28 ·
化学工程 2004 年第 32 卷第 6 期
向相对节距为