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1、热交换器原理与设计第6章-热交换器的试验与研究图图6.1 水水水管套式水管套式热热交交换换器器实验实验系系统统1 电热电热水箱;水箱;2 水水泵泵;3、11、12、13、14、19 阀门阀门;4、10 流量流量计计;5 内管;内管;6 套管;套管;7 保温套;保温套;8 冷水箱;冷水箱;9水水泵泵;15、16、17、18 温度温度测测点;点;20 电电加加热热器器实验步骤1)了解了解试验试验系系统统、操作方法及、操作方法及测测量量仪仪表使用方法。表使用方法。2)接通接通热热水箱水箱电电加加热热器的器的电电源,将水加源,将水加热热到到预预定温度。定温度。3)启启动动冷、冷、热热水水泵泵。4)根据
2、根据预预定的定的试验试验要求,分要求,分别调节别调节冷、冷、热热水流量达水流量达 到到预预定定值值,然后,然后维维持在此工况下运行。持在此工况下运行。5)当冷、当冷、热热水的水的进进、出口温度均达、出口温度均达稳稳定定时时,测测量并量并 记录记录冷、冷、热热水流量及各水流量及各项项温度温度值值。6)改改变变冷水冷水(或或热热水水)流量若干次,即改流量若干次,即改变变运行工况,运行工况,再再进进行行5的的测测量。量。7)如需要,如需要,调节调节加加热热功率,将水加功率,将水加热热到另一到另一预预定温度,定温度,重复重复46步步骤骤。8)试验试验中如有必要,可以改中如有必要,可以改变变任一任一侧侧
3、流体的流向,流体的流向,重复重复5、6两步两步骤骤。9)试验试验完完毕毕依次关依次关闭电闭电加加热热器、器、热热水水泵泵及冷水及冷水泵泵等。等。图图6.3 K=f(w)曲曲线线试验试验数据的整理数据的整理1)传热传热量量Q:由于种种原:由于种种原因,因,试验试验测试测试的冷流体吸的冷流体吸热热量不会完全等于量不会完全等于热热流体流体的放的放热热量,可以它量,可以它们们的算的算术术平均平均值值,Q=(Q1+Q2)/2 作作为实际为实际的的传热传热量。量。2)数据点数据点选选取:取:试验过试验过程程误误差差总总是避免不了。是避免不了。为为保保证结证结果的正确性,在数据果的正确性,在数据整理整理时应
4、时应舍取一些不合理舍取一些不合理的点。通常,工程上以的点。通常,工程上以热热平衡的相平衡的相对误对误差:差:=|Q1-Q2|/(Q1+Q2)/2 5%凡凡5%的点,的点,应应予舍弃。予舍弃。3)传热传热面面积积:计计算算传热传热系数系数时时,有以哪一种表,有以哪一种表 面面积为积为基准的基准的问题问题,在整理,在整理试验试验数据数据时时同同样样 应应注意注意这这一一问题问题。4)为较为较直直观观地表示地表示热热交交换换器的器的传热传热性能,通常性能,通常 要用曲要用曲线线或或图图表示表示传热传热系数系数K与流体流速与流体流速w 之之间间的关系。并且,常常的关系。并且,常常选选取流速取流速w=1
5、m/s时时 的的K值值作作为为比比较较不同型式不同型式热热交交换换器器传热传热性能性能 的的标标准准(同同时时,还应还应比比较较它它们们的阻力降的阻力降P)5)为为使使试验结试验结果清晰明了和便于分析,可将果清晰明了和便于分析,可将测测 得的数据和整理得的数据和整理结结果列成表格。果列成表格。顺顺逆逆流流换热换热器名器名称称热热流体流体冷流体冷流体进进口口温度温度t1/出口出口温度温度t2/流量流量计计读读数数V1/lh-1进进口口温度温度t1/出口出口温度温度t2/流量流量计计读读数数V1/lh-1顺顺流流逆逆流流实验数据记录6.1.2 对流换热系数的测定 对常规定型结构的换热器:Nu=l/
6、Re=w l/v对新型结构,或已知壁温;或要求壁温的场合对新型结构,或已知壁温;或要求壁温的场合 Q=(tw tf)F1)估算分离法)估算分离法如,采用水蒸汽管外冷凝 o一定。则:Ro+Rw+Rs=R待测定:一般管内流一般管内流动动是是处处于湍流状于湍流状态态,i 与流速与流速 w0.8成正比,可写成成正比,可写成 i=ciw0.8,代入上式:代入上式:2)威)威尔尔逊逊(E.E.Wilson)图图解法解法 拟拟合曲合曲线线分离法分离法上式右上式右边边前前3项项可可认为认为是常数,用是常数,用 a 表示,物性表示,物性不不变变情况下,可情况下,可认为认为 是常数,用是常数,用 b 表示,表示,
7、于是上式于是上式变为变为:改改变变管内流速管内流速 wi,则则可可测测得一系列得一系列总总传热传热系数,系数,绘绘制成制成图图,则则是一条直是一条直线线。由由 从而,得到管内的从而,得到管内的对对流流换热换热系数系数 i:3)修正的威修正的威尔尔逊图逊图解法解法由由传热传热学,湍流学,湍流时时管内流体的管内流体的对对流流换热换热准准则则式式为为:(6.8)假假设设套管套管环环隙流体的隙流体的对对流流换热换热准准则则关系式关系式为为:(6.9)将上两式改写成:将上两式改写成:(6.10)(6.11)采用平均面采用平均面积计积计算算传热传热系数系数K:(6.12)以角以角码码 i 表示表示试验试验
8、点序号,将式点序号,将式(6.10)、(6.11)代入上式代入上式再将它改写再将它改写为为:该该式相当于一个直式相当于一个直线线方程:方程:y=a+bx,截距,截距a=1/c2 及斜率及斜率b=1/c1可通可通过线过线性回性回归归求得。求得。式中的每一个式中的每一个试验试验点的点的值值相相应为应为:其他方法其他方法1)瞬瞬态态法法威威尔尔逊图逊图解法要求凭解法要求凭经验预经验预先确定反映放先确定反映放热规热规律的数学律的数学模型模型,这这一定程度上影响了一定程度上影响了结结果的正确性。瞬果的正确性。瞬态态法同法同样样不需要不需要测测量壁温,也不必量壁温,也不必预预先确定反映放先确定反映放热规热
9、规律的数律的数学模型,要求在非学模型,要求在非热稳热稳定下定下进进行。原理如下:行。原理如下:在流体流入在流体流入热热交交换换器器传热传热面面时时,对对流体突然流体突然进进行加行加热热(或冷却或冷却)。流体。流体进进口温度将按某种口温度将按某种规规律律变变化,流体的出化,流体的出口温度也相口温度也相应发应发生生变变化。流体出口温度的瞬化。流体出口温度的瞬时变时变化是流化是流体体进进口温度和流体与口温度和流体与该传热该传热面之面之间间的的传热单传热单元数元数NTU的的单值单值函数。通函数。通过过建立建立热热交交换换的微分方程的微分方程组组,由分析解或,由分析解或数数值值解可解可预预先求得流体的出
10、口温度与先求得流体的出口温度与时间时间 及及传热单传热单元元数数NTU间间函数关系函数关系tf,2(,NTU)。由于由于NTU未知,所以,要将未知,所以,要将实验测实验测得的流体得的流体出口温度随出口温度随时间时间的的变变化与化与计计算所得的曲算所得的曲线线簇簇 tf,2(,NTU)进进行配比。通行配比。通过过配比,与配比,与实测值实测值最相吻合的那条流体出口温度的理最相吻合的那条流体出口温度的理论论曲曲线线的的NTU值值,就是,就是该传热该传热面在面在测测定工况下的定工况下的NTU值值。此。此处处NTU定定义为义为NTU=F/(mf cp)(mf 质质量流率,量流率,cp流体定流体定压压比比
11、热热),因而可求得,因而可求得平均平均对对流流换热换热系数系数。2)热质类热质类比法比法原理:先将原理:先将萘萘在模型中在模型中浇铸浇铸成型,再按成型,再按实际实际的的热热交交换换器器结结构构组组合成合成试试件。件。让让与与试试件温度相同、不件温度相同、不含含萘萘的空气流的空气流过试过试件,由于件,由于萘萘的升的升华华作用,构成作用,构成传热传热面的面的萘萘片重量和厚度都将片重量和厚度都将发发生生变变化。化。通通过测过测定定试验试验前后前后萘萘片的重量及沿片的重量及沿萘萘片表面各片表面各处处的厚度的厚度变变化、气流温度、化、气流温度、试验试验持持续时间续时间及空气流及空气流量等,量等,计计算出
12、算出萘萘与空气的与空气的总质总质量交量交换换率及局部率及局部质质量交量交换换率,再根据率,再根据热质热质交交换换的的类类比关系即可求得比关系即可求得平均及局部的平均及局部的对对流流热热交交换换系数。系数。6.2 阻力特性阻力特性试验试验热热交交换换器性能好坏,不器性能好坏,不仅仅表表现现在在传热传热性能上,性能上,而且表而且表现现在它的阻力性能上。在它的阻力性能上。应对热应对热交交换换器器进进行阻力特性行阻力特性试验试验,一方面,一方面测测定定流体流流体流经热经热交交换换器的器的压压降,以比降,以比较较不同不同热热交交换换器的阻力特性,并器的阻力特性,并寻寻求减小求减小压压降的改降的改进进措施
13、;措施;另一方面另一方面为选择泵为选择泵或或风风机的容量提供依据。机的容量提供依据。流流动动阻力通常阻力通常为为2.4节节所述的摩擦阻力所述的摩擦阻力pi 和局部阻力和局部阻力p1 pa=2w22 1w22 (6.15)非定温流情况下,非定温流情况下,还应还应考考虑虑受受热热流体受迫运流体受迫运动动在流道在流道 下沉的浮升力的阻力。数下沉的浮升力的阻力。数值值上它等于浮升力:上它等于浮升力:ps=g(o )h (6.16)下沉流下沉流动时动时,压压力降力降为为正;上升流正;上升流动时动时,压压力降力降为负为负。因而上述情况下因而上述情况下总总的流的流动动阻力阻力为为 p=pf+p1+pa+ps
14、 (6.17)根据根据计计算或算或测试测试求得的求得的p,再由下式确定所需要的,再由下式确定所需要的 泵泵或或风风机的功率机的功率N:N=Vp/(1000),kW(6.18)V体体积积流量,流量,m3/s;p总总阻力,阻力,N/m2;泵泵或或风风机效率机效率图图6.7 p=f(w)曲曲线线 图图6.8 Eu=f(Re)曲曲线线6.3 传热传热强强化及化及结结垢与腐垢与腐蚀蚀6.3.1 增增强强传热传热的基本途径的基本途径根据根据 Q=KFt 可可见见,传热传热量量 Q 的增加可以的增加可以通通过过提高提高传热传热系数系数 K、扩扩展展传热传热面面积积 F、加大加大传热传热温差温差 t的途径来的
15、途径来实现实现。1)扩扩展展传热传热面面积积 F 2)加大加大传热传热温差温差 t 3)提高提高传热传热系数系数 K增增强强传热传热的的积积极措施是提高极措施是提高传热传热系数。要改系数。要改变变传热传热系数就必系数就必须须分析分析传热过传热过程的每一程的每一项热项热阻。阻。可可见见,K值值比比1和和2值值都要小。那么加大都要小。那么加大传热传热系数系数时时,应应加大哪一加大哪一侧侧的的换热换热系数更系数更为为有效?有效?今将今将K对对1和和2分分别别求偏求偏导导。偏偏导导数数K1及及K2分分别别表示了表示了传热传热系数系数K随随1及及2 的增的增长长率。如率。如设设12,则则可写可写为为 1
16、=n2,得:,得:K2=n2 K1表明当表明当 1=n2 时时候,候,K值值随随2增增长长率要比随率要比随1 增增长长率大率大n2倍。可倍。可见见,提高,提高2对对增增强强传热传热更更为为 有效。亦即,有效。亦即,应该应该使使对对流流换热换热系数小的那一系数小的那一项项 增大,才能更有效地增加增大,才能更有效地增加传热传热系数。系数。翅片管能加翅片管能加强强传热传热就是就是针对对针对对流流换热换热系数小的系数小的 一一侧侧加翅片,通加翅片,通过过以薄翅片方式来增加以薄翅片方式来增加传热传热面,面,也就相当于使也就相当于使这这一一侧侧的的对对流流换热换热系数增加,系数增加,从而提高以光管表面从而
17、提高以光管表面积为积为基准的基准的传热传热系数。系数。6.3.2 增增强强传热传热的方法的方法由于由于扩扩展展传热传热面面积积及加大及加大传热传热温差常受到一温差常受到一定条件限制,定条件限制,这这里探里探讨讨如何提高如何提高传热传热系数。系数。1)改改变变流体的流流体的流动动情况情况 2)改改变变流体的物性流体的物性 3)改改变换热变换热表面情况表面情况增增强强传热传热按是否消耗外界能量分按是否消耗外界能量分为为两两类类:被被动动式,即不需要直接使用外界式,即不需要直接使用外界动动力,力,如加插入物、增加表面粗糙度等;如加插入物、增加表面粗糙度等;主主动动式,如外加静式,如外加静电场电场、机
18、械方法使、机械方法使传传 热热表面振表面振动动等。等。这这些技些技术术可可单单独使用,独使用,也可同也可同时时采用的称采用的称为为复合式复合式强强化。化。图图6.10 垢阻与垢阻与时间时间关系关系 6.3.3 热热交交换换器的器的结结垢与腐垢与腐蚀蚀结结垢垢影响流影响流动动与与传热传热;腐腐蚀蚀影响影响热热交交 换换器使用寿命。器使用寿命。1)污污垢垢类类型型 结结晶型晶型污污垢垢;沉沉积积型型污污垢垢;生物型生物型污污垢垢;其他其他2)污污垢垢热热阻阻 污污垢垢热热阻阻rs或或污污垢系数垢系数hs:rs=s/s=1/hs m2/W单单位面位面积积上沉上沉积积量量m,垢阻垢阻rs、垢密度垢密度
19、s、垢的、垢的导热导热系数系数s 及沉及沉积积厚度厚度s 之之间间有以下关系:有以下关系:m=s s=s s rs3)腐腐蚀类蚀类型及腐型及腐蚀测试蚀测试由于所接触介由于所接触介质质的作用使材料遭受的作用使材料遭受损损害、害、性能性能恶恶化或破坏的化或破坏的过过程称程称为为腐腐蚀蚀。腐腐蚀产蚀产物会形成物会形成污污垢;垢;污污垢也会引起垢也会引起腐腐蚀蚀,因此腐,因此腐蚀蚀与与污污垢的形成都不是垢的形成都不是独立的独立的过过程,两者密切相关、相互影响。程,两者密切相关、相互影响。腐腐蚀蚀种种类类很多,影响因素也很多。很多,影响因素也很多。热热交交换换器的材料、器的材料、结结构、参与构、参与热热
20、交交换换的流体的流体种种类类、成分、温度、流速等都影响腐、成分、温度、流速等都影响腐蚀蚀。腐腐蚀类蚀类型型溶解氧腐溶解氧腐蚀蚀;电电偶腐偶腐蚀蚀;缝缝隙腐隙腐蚀蚀;点腐;点腐蚀蚀;应应力力腐腐蚀蚀开裂开裂(SCC);磨;磨损损腐腐蚀蚀;氢氢危害;微生物腐危害;微生物腐蚀蚀图图6.12 腐腐蚀蚀率率-时间时间曲曲线图线图腐腐蚀测试蚀测试金属遭受腐金属遭受腐蚀蚀后,其重量、厚度、机械性能、后,其重量、厚度、机械性能、组织组织结结构等都会构等都会发发生生变变化。常用深度表示腐化。常用深度表示腐蚀蚀率。率。金属腐金属腐蚀蚀的深度表示法是用的深度表示法是用单单位位时间时间(通常以年通常以年计计)的腐的腐
21、蚀蚀深度来表示腐深度来表示腐蚀蚀率,我国常用率,我国常用单单位位mm/yr。以深度表示的腐以深度表示的腐蚀蚀率可按下式率可按下式计计算:算:K1=(m1 m2)2436510-3/(A)=Km 2436510-3/,mm/yr m1、m2腐腐蚀蚀前后挂片前后挂片质质量,量,g;A挂片表面挂片表面积积,m2;挂片挂片试验试验的的时间时间,h;挂片密度,挂片密度,g/cm3,对钢对钢,7.8 g/cm3;Km以失重表示的腐以失重表示的腐蚀蚀率,率,g/(m2h)。耐腐耐腐蚀蚀性性分分类类耐耐蚀蚀性性等等级级腐腐蚀蚀速度,速度,mm/yr 完全耐完全耐蚀蚀110.0表表6.1 均匀腐均匀腐蚀蚀的十的
22、十级标级标准准4)腐腐蚀蚀的防止的防止加添加加添加剂剂电电化学保化学保护护采用耐腐采用耐腐蚀蚀材料材料 或涂或涂(镀镀)层层改改进结进结构构设计设计控制运行工况控制运行工况热热交交换换器的清洗器的清洗 6.4 热热交交换换器的器的优优化化设计简设计简介介热热交交换换器器优优化化设计设计,是要求所,是要求所设计设计的的热热交交换换器器在在满满足一定要求下,一个或数个指足一定要求下,一个或数个指标标达到最好。达到最好。“经济经济性性”常常成常常成为热为热交交换换器器优优化化设计设计目目标标。通通过优过优化化设计设计,使,使这这个目个目标标函数函数“经济经济性性”达到最佳达到最佳值值,亦即达到最,亦
23、即达到最经济经济。实际问题实际问题要求不同,如有的要要求不同,如有的要求求阻力最小;阻力最小;有的要求有的要求传热传热面最小等等,因而就有不同的面最小等等,因而就有不同的 目目标标函数。目函数。目标标函数函数F(X)可写作可写作:F(X)F(x1,x2,xn)最最优优化化问题问题的一般形式可表达的一般形式可表达为为 minF(X)约约束条件束条件:hi(X)=0(i=1,2,m)gj(X)0(j=1,2,l)6.5 热热交交换换器性能器性能评评价价一台符合生一台符合生产产需要又需要又较较完善的完善的热热交交换换器器应满应满足几足几项项基本要求:基本要求:1)保保证满证满足生足生产过产过程所要求
24、的程所要求的热负热负荷;荷;2)强强度足度足够够及及结结构合理;构合理;3)便于制造、安装和便于制造、安装和检检修;修;4)经济经济上合理。上合理。6.5.1 热热交交换换器的器的单单一性能一性能评评价法价法热热交交换换器的器的热热性能,采用了一些性能,采用了一些单单一的一的热热 性能指性能指标标,如:冷、,如:冷、热热流体的温度效率流体的温度效率:热热交交换换器效率器效率(即有效度即有效度)=Q/Qmax;传热传热系数系数 K;压压降降 p。6.5.2 传热传热量与流量与流动动阻力阻力损损失相失相结结合的合的热热性能性能评评价法价法单单一地或同一地或同时时分分别别用用传热传热量和量和压压力降
25、的力降的绝对值绝对值大小大小,难难于比于比较较不同不同热热交交换换器之器之间间或或热热交交换换器器传热传热强强化前后化前后 的的热热性能的高低。性能的高低。较为较为科学的科学的办办法法应该应该是把两个量相是把两个量相 结结合合,采用比采用比较这较这些量的相些量的相对变对变化的大小。化的大小。以流体消耗以流体消耗单单位功率位功率N所得所得传递传递的的热热量量Q,即即Q/N作作为为 评评价价热热交交换换器性能的指器性能的指标标。它把。它把传热传热量与阻力量与阻力损损失失结结 合在一个指合在一个指标标中加以考中加以考虑虑了了,但不足之但不足之处处是是该项该项指指标标 仍只从能量利用的数量上来反映仍只
26、从能量利用的数量上来反映热热交交换换器的器的热热性能。性能。6.5.3 熵熵分析法分析法热热力学第二定律知,力学第二定律知,对对于于热热交交换换器中的器中的传热过传热过程,由于存程,由于存在冷、在冷、热热流体流体间间的温差以及流的温差以及流动动中的中的压压力力损损失,必然是一失,必然是一个不可逆个不可逆过过程,也就是程,也就是熵熵增增过过程。程。虽虽然然热热量与阻力是两种不同的能量形量与阻力是两种不同的能量形态态,但是都可以通,但是都可以通过过熵熵的的产产生来分析它生来分析它们们的的损损失情况。本杰失情况。本杰(Bejan A)提出使用提出使用熵产单熵产单元数元数Ns(Number of En
27、tropy Production Units)作作为为评评定定热热交交换换器器热热性能的指性能的指标标。他定。他定义义 Ns 为热为热交交换换器系器系统统由于由于过过程不可逆性而程不可逆性而产产生的生的熵熵增增S与两种与两种传热传热流体中流体中热热容容量量较较大流体的大流体的热热容量容量Cmax 之比,即:之比,即:Ns=S/Cmax (6.24)(6.25)6.5.4 火用分析法火用分析法从能源合理利用的角度来从能源合理利用的角度来评评价价热热交交换换器的器的热热性能,性能,还还可以可以应应用火用分析法。用火用分析法。以以热热交交换换器的火用效率作器的火用效率作为为衡量衡量热热交交换换器器热
28、热性能性能 的指的指标标,并定,并定义义火用效率火用效率为为:式中式中:E1,i、E1,o分分别为热别为热流体流入、流出的流体流入、流出的总总火用;火用;E2,i、E2,o分分别为别为冷流体流入、流出的冷流体流入、流出的总总火用。火用。可将此火用效率表达可将此火用效率表达为为三种效率的三种效率的积积:e=t e,T e,P其中其中:t 为热为热交交换换器器热热效率,即冷流体的吸效率,即冷流体的吸热热量量 Q2与流体与流体的放的放热热量量Q1之比之比(t=Q2/Q1),反映了,反映了热热交交换换器的保温性能。器的保温性能。e,T及及e,P分分别为热别为热交交换换器的温度火用效率与器的温度火用效率
29、与压压力火用效率力火用效率。6.5.5 具有具有强强化化传热传热表面的表面的热热交交换换器器热热性能性能评评价价 纵纵向比向比较较法法传热传热强强化分成三种目的化分成三种目的减少表面减少表面积积、增加、增加热负热负荷和荷和减少功率消耗减少功率消耗。然后分然后分别别在三种不同几何限制条件下在三种不同几何限制条件下几何状况固定、流通截面不几何状况固定、流通截面不变变、几何状况可、几何状况可变变,比比较较强强化与未化与未强强化化时时的某些性能,如的某些性能,如传热传热量之比量之比Q/Qs、功率消耗之比、功率消耗之比 N/Ns(s代表代表光管光管)。从从这这些比些比值值的大小可以的大小可以优选优选出某
30、种确定的出某种确定的传热传热表面表面强强化技化技术术下下,针对针对某种目的最佳几何某种目的最佳几何结结构,并构,并进进而比而比较较出哪一种出哪一种强强化技化技术术下的下的结结果最佳。果最佳。这这一方法是按一方法是按强强化目的分化目的分类类,进进行行单项单项性能的比性能的比较较法法(称称为为“纵纵向比向比较较法法”)。比。比较结较结果明确,具有一定的果明确,具有一定的实实用价用价值值,但,但还还不不够够全面。全面。6.5.6 热经济热经济学分析法学分析法上述几种方法的共同缺点是,它上述几种方法的共同缺点是,它们们都只从都只从单单一的一的 技技术观术观点来点来评评价价热热性能。性能。科学技科学技术
31、术的的进进步必步必须须和和经济经济的的发发展相展相结结合。合。热经济热经济学分析法除了研究体系与自然学分析法除了研究体系与自然环环境之境之间间的的 相互作用外,相互作用外,还还要研究体系内的要研究体系内的经济经济参量与参量与环环境境 的的经济经济参量之参量之间间的相互作用的相互作用。它以第二定律分析它以第二定律分析 法法为为基基础础,而最后得到的,而最后得到的结结果却能直接地果却能直接地给给出以出以 经济经济量量纲纲表示的答案。表示的答案。由于由于热经济热经济学分析法学分析法牵牵涉面广,复涉面广,复杂杂,使用中,使用中还还 有有许许多具体多具体问题问题有待解决。但有待解决。但应该应该肯定,肯定,这这是一是一 种目前所提出的各种方法中最种目前所提出的各种方法中最为为完善的方法。完善的方法。此课件下载可自行编辑修改,仅供参考!此课件下载可自行编辑修改,仅供参考!感谢您的支持,我们努力做得更好!谢谢感谢您的支持,我们努力做得更好!谢谢