换热器的外文翻译(15页).doc

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1、-换热器的外文翻译-第 14 页毕业设计论文资料翻译专业班级： XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 姓 名 XX 学 号： XXXXXXX 外文出处： International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 601610 管壳式换热器中壳程流体流动的压降模型UdayC.Kapale,Satish Chand摘要 本文提出了一种管壳式换热器壳程压降的理论模型该模型结合了换热管进出口的压降和折流板间隔处的压降的影响模型得出的结果的雷诺数在103到105之间，相比于其他用于研究不同形态的换热器的分析模型，该模型的雷诺数更接近可参考的

2、资料中的实验结果关键词 横流速度；压降；折流板；管壳式换热器；壳程流速；圆缺区流速1 引言单相流管壳式换热器被广泛的应用在化学，石油，发电和过程工业中在这种换热器中，一种流体在换热管中流动，同时另一种流体穿过管束在壳程流动一台换热器的设计需要取得热交换和压降之间的平衡因为压降导致泵和风机等流体输送设备操作费用的增加这说明设计换热器的换热能力和测定穿过换热器的压降是同等重要的计算管内流体流动的压力损失相对容易，但是壳程流体流动的压力损失的计算很复杂图1 壳程流路分布图为了计算壳程压力损失需要了解不同流动路径的本质以及他们各自产生的效果。如图1根据Tinker 和 Buffalo的流动分析可以看到

3、，除了横流流路B在两块折流板间穿过管束外，还有旁流流路C绕过管束从管束和壳体之间通过，这对传热是没有作用的此外还可以看到，有一个泄漏流路D从折流板和壳体的间隙以及由换热管与折流板间的空隙泄漏，而后与主流体相互作用由图1还可以看出流体的流线是在圆缺区域穿过换热管束的这种流动方式在图4中做了进一步的描述由被折流板隔开的圆缺区内的主流体的流动方向相对于管内流体是不同的，在部分折流板之间形成了横流区这需要使用不同的方法计算圆缺区和穿过管束(横流区)的流体的压降类似的，也要把管束中的穿流和内部错流的不同考虑在内在现有参考资料中可使用的方法可以分为两类:(1)实验法，(2)理论模型的发展在参考文献3，7，

4、9，16，17，21中给出了不同研究者的试验方法而进一步的关于模型的研究方法在参考文献2，4，6，8，11，12，14，15，18，20，22，23中给出纵观这些参考资料可以发现在一些研究方法中提出的理论模型对于计算是相当复杂的，而且，有的模型考虑了一些产生压降的因素却也忽略了另一些因素本文提出了一种主要涉及壳程流体流动的方法致力于建立一种简单的压力损失模型而且将该模型的结果和其他著作中得出的结果进行比较发现该模型的计算结果接近实际值，完全可以供设计者放心使用2 压降模型的发展本模型旨在确定从流体进入壳体到流出壳体的全部压降而这一过程的全部压降可分成如下几部分:（1）换热器横流区末端换热管进出

5、口处的压降（2）横流区内部的压降这一区域的压降是由流过管束的流体和穿过圆缺区由一个内部横流区到下一个连续的内部横流区的流体共同决定的（3）由横流区入口穿过管束到下一块折流板然后穿过圆缺区的流体流动引起的压降相似的，横流区末端的压降也是由从前一个横流区穿过圆缺区而后穿过管束的流体来计算本文中的方法的主要作用是利用这种压降模型在内部横流区和圆缺区计算压降其他部分的压降在本文使用的参考文献中已做出表述穿过管束和圆缺区引起的压降的计算已经考虑了图1和图5表示出的实际流动形式接下来本文将逐一介绍以上提到的各种压降的组成部分2.1 换热管进出口的压降()为了计算一台换热器换热管进出口的压降，Gaddis

6、和Gnielinski的研究中提到了关于这个问题的表述已在式(1)中给出了式中用Pn来定义换热管两端的总压降。= （1）在参考文献18中取n为2.0，则式(1)变成了式(2)= （2）术语 内部横流区和圆缺区面积平均值 ，m2 折流板切口分数 内部折流板间距，m 入口区折流板间距，m 出口区折流板间局，m 摩擦因数的修正系数 折流板直径，m 管束外圆直径， 管束直径，m 壳体内径，m 壳体外径，m 摩擦系数 旁流压降的修正系数 折流板泄漏引起的压降修正系数 末端折流板间距不等的修正系数 横流区垂直高度(如图2)，m 管板间距，m 折流板数 横流区换热管排数圆缺区换热管排数圆缺区换热管数 换热管

7、中心距(如图3)，Pa 换热管纵向中心距，m 换热管横向中心距，m 壳程横流区的雷诺数 壳程流体的体积流量，m3/s 换热管进出口流速，m/s 壳体中心线附近横流区末端的横流速度， m/s 圆缺区流速，m/s 内部横流区部分的压降， Pa 横流区末端压降，Pa 换热管进出口的压降， Pa 壳程总压降，Pa 圆缺区压降， Pa希腊符号 折流板缺口的圆心角，度 被折流板隔开的管束外圆圆心角，度 壳程流体在平均温度下的，Ns/m 壳程流体在壁温下的流速，Ns/m 壳程流体在平均温度下的密度，kg/m3 管口的压降系数 壳程流体与壳体轴线的夹角，度2.2 内部横流区部分的压降(Pc)为了建立这个模型考

8、虑使用图2中表示的Emerson的简化流动形式在图中内部横流区用斜线表示，圆缺区用直线表示在图1和图5表示的实际流动方式中，圆缺区内的流线是曲线而不是直线这一区域的压力损失的模型可以用下面给出的两部分表示:（1）穿过管束的压降（2）在圆缺区的压降在2.2.1和2.2.2中将对这两部分做进一步介绍。2.2.1 穿过管束的压降模型为了建立穿过管束的压降模型，先使用Bell提出的穿过管束的压将公式，如式(3)（3）在上面给出的式3中，L 被用来定义竖直方向的流动，即图2中表示的G1H的方向用与水平面成角度的斜线GH表示实际的流动方向，也在图2中给出横流区图2.圆缺区和横流区示意图由上文可知式(3)中

9、的L可以用GH代替，而GH的值又等于L0，则用L0代替式(3)中的L后可得到式(4) （4）由图2可知，将其带入式(4)可以得到式(5) （5）根据参考文献8可知，将其带入式(5)可以得到式(6) （6）2.2.1.1 确定角参照图2以及图中的点H到点G1竖直距离和折流板间距MN与RS，为了确定角的值定义HN为1/3倍的折流板间距，MH为2/3倍的折流板间距角正切值如式(7) （7）最后将式(7)求得的角带入式(6)计算穿过管束的压降。图3 管壳中心线附近的横流区面积2.2.1.2 确定横流速度横流速度usc的表达式如式(8) (8)式(8)中的Asc引用自参考文献12，如式(9) (9)2.

10、2.1.3 确定摩擦系数本文的中心思想是为计算换热器的压降提出一种简化的过程由参考文献19可以发现基本上所有的管壳式换热器的形态都是图3所示的四种中的一种在已知的Bell12和Gaddis18的研究以及Taborek在Kakac18中的研究中，确定摩擦系数因数的过程都是相当冗长和复杂的然而，在教材Kern1中，用只含有雷诺准数的函数构成的数学表达式来确定摩擦系数，如式(10a)但是式(10a)得出的结果和最新的参考资料得出的结果并不相符12，18，23。 （10a）在本文开头提到了使用参考文献18,23中提到的方法来确定上面提到的四种形态换热器的摩擦系数，将这种Kern的摩擦系数公式进行修改得

11、到了针对四种形态换热管摩擦系数的经验公式如式（10a）。 （10b）摩擦系数的修正因子和不同的换热管分布，换热管的中心距与管径的比和雷诺数的关系如表1。最终的式（10b）根据换热器不同区域的雷诺数来确定摩擦系数。为了验证式（10b）中求的摩擦系数的准确性，将其和参考文献18中求的摩擦系数进行比较。将比较结果在图4中表示，发现式（10b）的结果在合理的范围内。表1 摩擦系数的修正因子（）换热管中心距与直径比换热管分布304560901.250.37520.16090.13550.03690.0601-0.01360.07670.15781.330.28730.12960.07910.02800.

12、0168-0.0197-0.00260.11291.500.15810.0854-0.01190.1282-0.0520-0.0301-0.11800.04282.2.1.4 考虑泄露和旁流流因素Bell12和Gaddis18提出了由于泄露和流体的旁流效应也会引起壳程压力的降低。流体的泄露发生在壳体与折流板的间隙以及折流板孔与换热管的隙。此外图1中的旁流C绕开管束与壳体也造成压力损失。将式（6）乘以泄露系数（）旁流系数()得到泄露和旁流效果引起的压降的表达式，如式（11）。 （11）修正因子和的值由参考文献10给出的方法求的。现在就可以用式（11）计算压力损失了。但是对于温度变化其敏感度也改变

13、的流体该式还需要进行修正。对于这种流体要考虑不同温度下的流体粘度。结合这种影响，在式（12）中给出了穿过管束的压降模型表达式。 (12)图4 利用Gaddis18中的经验式得到不同情况的摩擦系数的对比2.2.2.圆缺区的压降（）为了确定圆缺区的压降，应该考虑图5中的流动形式。圆缺区的压降是由于流体的收缩扩张导致的压降（）和由于流线的弯曲导致的压降（）二者的总和。从MN到PN间的流体视为收缩流，从PN到NQ间的流体视为扩张流。将MN-PN-NQ之间的流体视为收缩扩张形喷管来确定压降。喷管的收缩和扩张部分又是相同的，因此可以将由于收缩喷管引起的压降乘以2来确定收缩扩张形喷管的总压降，如式（13a）

14、。=2收缩喷管压降 （13a）采用文献5中的收缩喷管压降的数学表达式再结合泄露系数8,12,18得到式（13b）。在圆缺区中不存在管束的旁流泄露，故在此将其忽略。 （13b）为不含管束面积的圆缺区面积参考图6得到包含管束面积的圆缺区面积= （14）圆缺区管束面积= （15）那么可得：= （16）根据文献18中的公式来定义。此外，流体流经圆缺区的圆弧HIJ引起的收缩扩张形喷管的压降用下面的方法确定。2.2.2.1 确定流经圆缺区的圆弧HIJ引起压降在图5中给出圆弧HIJ的几何形式示意图。穿过圆弧的流体在入口MN和中线NP的部分区域的横截面积是矩形的。在进口的横截面面积较大，这里假设其部分区域在圆

15、缺区均匀收敛，而且在MN和NQ处的几何曲率是相等的。因为在从圆缺区中心NP附近区域到出口NQ的矩形区圆弧是均匀过渡的。为了简化问题，将圆弧面积转化成与入口区域MN和中心区域NP的面积平均值等效的横截面面积。然后再将等效面积进一步转化为圆面积。下面讨论具体的转化方法：（1）实际的圆弧入口面积：只有式（9）中给出的。（2）圆缺区中心的局部圆弧面积：如式（16）。（3）入口和中心处圆弧的平均面积：如式（17）。 （17）（4）假设为等效的圆截面时圆缺区的圆弧流路直径（）如式（18）。= （18）2.2.2.2 确定圆缺区内的圆弧流路HIJ的半径利用图5.给出的圆弧的几何示意图来考虑直角三角形HNI，

16、并且假设，再根据上文介绍的和，则角如式（19）。 或 （19a） (19b)所以， 或 （19c）图5 壳程流体的实际流动形式示意图在图5中从圆弧流路的中点Y作HI的垂线YX，点X为HI的中点。则直角三角形IXY中角余弦值如式（19d.）。 (19d)用式（19c）替换HI的值得到式（19e）. (19e)2.2.2.3确定圆缺区内的圆弧流路的转角根据图5.可知，由直角三角形HNY可以得到式（20）。 或 （20a） (20b)图6 折流板缺口以及泄露区面积示意图2.2.2.4 确定圆缺区由于弯曲流路造成的压降下面根据文献10中给出的方法来计算弯角处的压降。如式（21）。 （21a） (21b

17、)使用下面的方法确定之间的压降系数。 （21c）再根据下面引用的文献， (21d) (21e)摩擦系数f的值由式（10b）利用圆缺区中某一流速下的雷诺数求的。参照文献10中的图表查取常数A和B的值。A取决于流露的转角，B取决于。为了避免查取图表，本文采用曲线的回归分析来确定常数A和B的值,如式（22）。当，；当时， （22a）当时，；当时， （22b）关于，和的表达式在式（18），（19）和（20b）中已经分别给出。使用这种方法方法可以简单地确定圆缺区中弯曲流路的压降。因此将式（13b）和（21a）加和得到圆缺区的压降公式式（23）。 或 （23）对于上文中讨论的，可以进行一些近似。事实上，折

18、流板的设置会导致流动形式的改变。折流板间距和壳体内径的最佳比值在0.3到0.6之间，然而在换热器中对于使用不同实验结果和压降模型的结果进行比较得到的比值是不同的。因此引入修正系数来改善计算结果。最终的计算式如式（24）。 或 （24a） (24b)根据式（12）和式（24b）得到折流板间隔区的总压降，如式（24c）。 （24c）2.3 横流区末端流体穿过管束造成的压降横流区末端是在管板和与之相邻的折流板之间的区域，如图7.。由于在横流区的进出口不存在泄漏流，因此无需考虑横流区进出口的压降。但是问题在于进出口区域的压降受旁流的影响而不是泄露流。同时还受进出口处折流板间距变化的影响。此外，通过观察

19、进出口的流体发现其流动方向和管束几乎是垂直的，以此无需考虑流动方向的倾斜。本文采用文献12中给出的公式来计算进出口区域的压力损失，式（25b）中给出了这个公式。 （25a）表2 不同部分的压降公式换热管进出口的压降=横流区内部的压降圆缺区的压降横流区进出口的压降式中的值利用Taborek8给出的公式求的。将乘以2得到进出口区域的总压降，最终的表达式如式（25b）。=2 （25b）2.4 壳程的总压降表2.概括了各部分的压降。最后的总压降如式（26）。 （26）3 本文提出的压降模型与现有的研究模型的比较本文提出的模型和其他模型1,8,18,22的结果已经通过实验数据3,13进行了比较。比较结果

20、如表3。其中雷诺数的范围从103到105之间。另外压降模型结果和实验结果如图8。本模型对于水和油在壳体中流动得出的结果和实验数据十分接近，误差在+0.24%到-4.0%之间。Prithivirajetal22利用HEATX模拟法分别用本模型的计算结果和实验数据对雷诺数在23000到52000之间的水在壳体中的流动产生的压降进行对比，得到的误差在+0.28%到-7.4%之间。而其他模型的计算结果1,8,18,和Bergelin3与Halle13的实验数据比较，其误差更大，如表3。值得一提的是，该模型的计算结果与用水13和油3做出的实验结果非常吻合。这说明本文提出的模型比现有模型的计算结果更接近实

21、验数据。4 结论本文提出的模型基于对流体在壳体中的实际流动形式的判断。这种模型简单，以换热器的几何形状和操作参数为基础，而且涵盖了雷诺数在103到105的流动情况。因此，该模型的计算结果可以供设计者放心使用。参考文献（见原文）表3 现有模型得出的结果和实验结果的对比换热器的形态流速 雷诺数 实验结果的压降 模型计算的压降 V（m/s） Res （Pa） （Pa）与实验结果相比的误差横流通道数 换热管直径 换热管分布 折流板缺口# （m） （度） 率（%）当前模型 HETX22 Taborek8 Gaddis18 Kern1Halle136 0.337 30 29.0 0.080 23733 3

22、6.32 35.20 -03.1 -06.3 04.1 14.8 19.26 0.337 30 29.0 0.100 29667 55.13 54.35 -01.4 -05.6 05.8 15.4 18.16 0.337 30 29.0 0.120 35600 77.53 77.53 0.00 -07.1 07.2 16.0 17.26 0.337 30 29.0 0.133 39457 93.97 94.73 0.08 -07.4 08.0 16.3 16.28 0.337 30 26.0 0.133 52579 157.75 161.62 02.4 -03.1 20.1 28.0 37.6

23、6 0.241 30 29.0 0.133 39457 107.65 103.55 -03.9 02.8 09.5 09.2 04.66 0.337 45 30.0 0.050 10765 10.19 09.79 -04.0 01.5 10.4 22.98 0.241 90 26.0 0.215 82010 339.99 348.19 02.3 19.5 27.5 18.18 0.241 90 26.0 0.262 100014 498.68 510.41 02.3 19.7 27.9 16.0Bergelin3 6 0.096 30 17.56 0.0018 1001 1.67 1.69 0

24、1.1 46.7 58.4 83.16 0.096 30 17.56 0.0024 1298 2.63 2.69 02.2 47.9 61.6 83.2 6 0.096 30 17.56 0.0033 1785 5.07 5.19 02.3 45.5 61.3 82.16 0.096 30 17.56 0.0048 2575 8.61 8.42 -02.2 53.6 67.3 84.36 0.096 30 17.56 0.0075 3977 19.63 19.73 00.5 53.4 66.3 83.76 0.096 30 17.56 0.0120 6545 51.80 52.41 01.1 52.0 63.7 82.5