气体加热器设计计算和仿真

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1 前言

设计一台气体加热器，采用恒温炉作为热源，设计输入如下：

质量流量2.68kg/h，进口温度25℃，出口温度450℃，加热功率918W。以介质平均温度为定性温度，该温度下的物性参数：密度为0.4194kg/m³，粘度为1.7258×10^-5Pa.s，比热为2896.8J/kg℃，导热系数为0.0694W/m℃，普朗特数为0.72。

2 换热管设计

由于热源为恒温炉，在计算换热面积时，先假定换热管壁面为恒温，该温度由壁面和炉膛壁面的辐射和对流传热情况确定，并作为恒温炉的设计输入之一。管子内的努塞尔数采用以下方法计算：

当流动为层流时，由Seider Tate公式计算。

当流动为过渡或湍流时，由Gnielinski公式计算。

需要说明的是为了简化计算，壁面温度引起的粘度修正暂不考虑。

气体加热器换热管尺寸设计结果如下：

管子外径φ20mm，内径φ17mm，壁厚1.5mm

管子导热系数：50W/m℃

介质流速：7.82m/s

壁温：500℃

对数温差LMTD：188.7℃

管内壁膜系数：43.656W/m2℃

换热管总换热管总传热系数：36.9W/m2℃

计算传热面积：0.13156m2

计算管长：2.094m

选用管长：2.4m，选用面积0.15079m2

3 仿真计算

恒壁温500℃条件下，内径Φ17mm，外径Φ20mm，长度为2.4m的不锈钢管子，CFD计算结果如下表：

管内介质的温度随流动方向上的变化如下图，显示出介质被逐渐加热的趋势。

辐射边界条件下，管外壁发射率0.7，炉膛温度600℃，内径Φ17mm，外径Φ20mm，长度为2.4m的不锈钢管子，CFD计算结果如下表：

管子内外壁温度随长度方向的变化如下图，综上可知，管外壁发射率0.7时，炉膛温度建议不低于600℃。

采用CFD方法对设计的气体加热器换热管进行相同边界条件仿真，目标温度和传热功率与经验公式结果偏差在10%以内，说明换热管理论上满足设计要求。

采用恒温炉作为热源时，若将炉内温度控制在600℃以上，可使预热目标介质温度达到设计值。

需要指出的是，所有换热管的传热性能均按直管考虑，实际绕成盘管或有转向时换热能力有所加强，因此采用直管设计计算具有保守安全裕度。

气体加热器分别采用直管和蛇形管（管子0.4m）的结构方式，如下图。

在相同的恒温壁面边界条件下，换热管的传热能力计算结果对比如下。

来源：仿真与工程

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首次发布时间：2023-07-05