熱交換器原理與設(shè)計(jì)第6章-熱交換器的試驗(yàn)與研究圖6.1水—水管套式熱交換器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1電熱水箱；2水泵；3、11、12、13、14、19閥門；4、10流量計(jì)；5內(nèi)管；6套管；7保溫套；8冷水箱；9水泵；15、16、17、18溫度測(cè)點(diǎn)；20電加熱器實(shí)驗(yàn)步驟1)了解試驗(yàn)系統(tǒng)、操作方法及測(cè)量?jī)x表使用方法。2)接通熱水箱電加熱器的電源，將水加熱到預(yù)定溫度。3)啟動(dòng)冷、熱水泵。4)根據(jù)預(yù)定的試驗(yàn)要求，分別調(diào)節(jié)冷、熱水流量達(dá)到預(yù)定值，然后維持在此工況下運(yùn)行。5)當(dāng)冷、熱水的進(jìn)、出口溫度均達(dá)穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量并記錄冷、熱水流量及各項(xiàng)溫度值。6)改變冷水(或熱水)流量若干次，即改變運(yùn)行工況，再進(jìn)行5的測(cè)量。7)如需要，調(diào)節(jié)加熱功率，將水加熱到另一預(yù)定溫度，重復(fù)4～6步驟。8)試驗(yàn)中如有必要，可以改變?nèi)我粋?cè)流體的流向，重復(fù)5、6兩步驟。9)試驗(yàn)完畢依次關(guān)閉電加熱器、熱水泵及冷水泵等。圖6.3K=f(w)曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理1)傳熱量Q：由于種種原因，試驗(yàn)測(cè)試的冷流體吸熱量不會(huì)完全等于熱流體的放熱量，可以它們的算術(shù)平均值，Q=(Q1+Q2)/2作為實(shí)際的傳熱量。2)數(shù)據(jù)點(diǎn)選取：試驗(yàn)過(guò)程誤差總是避免不了。為保證結(jié)果的正確性，在數(shù)據(jù)整理時(shí)應(yīng)舍取一些不合理的點(diǎn)。通常，工程上以熱平衡的相對(duì)誤差：δ=|Q1-Q2|/[(Q1+Q2)/2]≤5%凡δ>5%的點(diǎn)，應(yīng)予舍棄。3)傳熱面積：計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)，有以哪一種表面積為基準(zhǔn)的問(wèn)題，在整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)同樣應(yīng)注意這一問(wèn)題。4)為較直觀地表示熱交換器的傳熱性能，通常要用曲線或圖表示傳熱系數(shù)K與流體流速w之間的關(guān)系。并且，常常選取流速w=1m/s時(shí)

的K值作為比較不同型式熱交換器傳熱性能的標(biāo)準(zhǔn)(同時(shí)，還應(yīng)比較它們的阻力降ΔP)5)為使試驗(yàn)結(jié)果清晰明了和便于分析，可將測(cè)得的數(shù)據(jù)和整理結(jié)果列成表格。順逆流換熱器名稱熱流體冷流體進(jìn)口溫度t1/℃出口溫度t2/℃流量計(jì)讀數(shù)V1/l·h-1進(jìn)口溫度t1/℃出口溫度t2/℃流量計(jì)讀數(shù)V1/l·h-1順流逆流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄6.1.2

對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)定對(duì)常規(guī)定型結(jié)構(gòu)的換熱器：Nu=α

l/λRe=w

l/v對(duì)新型結(jié)構(gòu)，或已知壁溫；或要求壁溫的場(chǎng)合

Q=α

(tw–

tf)F1）估算分離法如，采用水蒸汽管外冷凝αo一定。則：Ro

+Rw

+Rs

=R’待測(cè)定：一般管內(nèi)流動(dòng)是處于湍流狀態(tài)，αi與流速w0.8成正比，可寫成αi=

ci·w0.8

，代入上式：2）威爾遜(E.E.Wilson)圖解法—擬合曲線分離法上式右邊前3項(xiàng)可認(rèn)為是常數(shù)，用a

表示，物性不變情況下，可認(rèn)為是常數(shù)，用b表示，于是上式變?yōu)椋焊淖児軆?nèi)流速wi，則可測(cè)得一系列總傳熱系數(shù)，繪制成圖，則是一條直線。由

→從而，得到管內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)αi：3)修正的威爾遜圖解法由《傳熱學(xué)》，湍流時(shí)管內(nèi)流體的對(duì)流換熱準(zhǔn)則式為：

(6.8)假設(shè)套管環(huán)隙流體的對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式為：

(6.9)將上兩式改寫成：(6.10)

(6.11)采用平均面積計(jì)算傳熱系數(shù)K：

(6.12)以角碼i

表示試驗(yàn)點(diǎn)序號(hào)，將式(6.10)、(6.11)代入上式再將它改寫為：該式相當(dāng)于一個(gè)直線方程：y=a+bx，截距a=1/c2及斜率b=1/c1可通過(guò)線性回歸求得。式中的每一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的值相應(yīng)為：其他方法1)瞬態(tài)法威爾遜圖解法要求憑經(jīng)驗(yàn)預(yù)先確定反映放熱規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，這一定程度上影響了結(jié)果的正確性。瞬態(tài)法同樣不需要測(cè)量壁溫，也不必預(yù)先確定反映放熱規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，要求在非熱穩(wěn)定下進(jìn)行。原理如下：在流體流入熱交換器傳熱面時(shí)，對(duì)流體突然進(jìn)行加熱(或冷卻)。流體進(jìn)口溫度將按某種規(guī)律變化，流體的出口溫度也相應(yīng)發(fā)生變化。流體出口溫度的瞬時(shí)變化是流體進(jìn)口溫度和流體與該傳熱面之間的傳熱單元數(shù)NTU的單值函數(shù)。通過(guò)建立熱交換的微分方程組，由分析解或數(shù)值解可預(yù)先求得流體的出口溫度與時(shí)間τ

及傳熱單元數(shù)NTU間函數(shù)關(guān)系tf,2(τ,NTU)。由于NTU未知，所以，要將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的流體出口溫度隨時(shí)間的變化與計(jì)算所得的曲線簇

tf,2(τ,NTU)進(jìn)行配比。通過(guò)配比，與實(shí)測(cè)值最相吻合的那條流體出口溫度的理論曲線的NTU值，就是該傳熱面在測(cè)定工況下的NTU值。此處NTU定義為NTU=αF/(mfcp

)(mf

—質(zhì)量流率，cp—流體定壓比熱)，因而可求得平均對(duì)流換熱系數(shù)α。2)熱質(zhì)類比法原理：先將萘在模型中澆鑄成型，再按實(shí)際的熱交換器結(jié)構(gòu)組合成試件。讓與試件溫度相同、不含萘的空氣流過(guò)試件，由于萘的升華作用，構(gòu)成傳熱面的萘片重量和厚度都將發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)定試驗(yàn)前后萘片的重量及沿萘片表面各處的厚度變化、氣流溫度、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間及空氣流量等，計(jì)算出萘與空氣的總質(zhì)量交換率及局部質(zhì)量交換率，再根據(jù)熱質(zhì)交換的類比關(guān)系即可求得平均及局部的對(duì)流熱交換系數(shù)。6.2阻力特性試驗(yàn)熱交換器性能好壞，不僅表現(xiàn)在傳熱性能上，而且表現(xiàn)在它的阻力性能上。應(yīng)對(duì)熱交換器進(jìn)行阻力特性試驗(yàn)，一方面測(cè)定流體流經(jīng)熱交換器的壓降，以比較不同熱交換器的阻力特性，并尋求減小壓降的改進(jìn)措施；另一方面為選擇泵或風(fēng)機(jī)的容量提供依據(jù)?！盍鲃?dòng)阻力通常為2.4節(jié)所述的摩擦阻力Δpi

和局部阻力Δp1

Δpa=ρ2w22–ρ1w22

(6.15)☆非定溫流情況下，還應(yīng)考慮受熱流體受迫運(yùn)動(dòng)在流道

下沉的浮升力的阻力。數(shù)值上它等于浮升力：

Δps=±g(ρo–ρ)h

(6.16)

下沉流動(dòng)時(shí)，壓力降為正；上升流動(dòng)時(shí)，壓力降為負(fù)?！钜蚨鲜銮闆r下總的流動(dòng)阻力為

Δp=Δpf+Δp1+Δpa+Δps

(6.17)☆根據(jù)計(jì)算或測(cè)試求得的Δp，再由下式確定所需要的

泵或風(fēng)機(jī)的功率N：

N=VΔp/(1000η)，

kW(6.18)

V—體積流量，m3/s；Δp—總阻力，N/m2；η—泵或風(fēng)機(jī)效率圖6.7Δp=f(w)曲線圖6.8Eu=f(Re)曲線6.3傳熱強(qiáng)化及結(jié)垢與腐蝕6.3.1增強(qiáng)傳熱的基本途徑根據(jù)Q=KFΔt可見(jiàn)，傳熱量Q

的增加可以通過(guò)提高傳熱系數(shù)K、擴(kuò)展傳熱面積F、加大傳熱溫差Δt的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。1)擴(kuò)展傳熱面積F2)加大傳熱溫差Δt3)提高傳熱系數(shù)K增強(qiáng)傳熱的積極措施是提高傳熱系數(shù)。要改變傳熱系數(shù)就必須分析傳熱過(guò)程的每一項(xiàng)熱阻。可見(jiàn)，K值比α1和α2值都要小。那么加大傳熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)加大哪一側(cè)的換熱系數(shù)更為有效？今將K對(duì)α1和α2分別求偏導(dǎo)?！钇珜?dǎo)數(shù)K1′及K2′分別表示了傳熱系數(shù)K隨α1及α2的增長(zhǎng)率。如設(shè)α1>α2，則可寫為α1

=nα2，得：

K2′=n2

K1′☆表明當(dāng)α1=nα2

時(shí)候，K值隨α2增長(zhǎng)率要比隨α1增長(zhǎng)率大n2倍?？梢?jiàn)，提高α2對(duì)增強(qiáng)傳熱更為有效。亦即，應(yīng)該使對(duì)流換熱系數(shù)小的那一項(xiàng)增大，才能更有效地增加傳熱系數(shù)。☆翅片管能加強(qiáng)傳熱就是針對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)小的

一側(cè)加翅片，通過(guò)以薄翅片方式來(lái)增加傳熱面，

也就相當(dāng)于使這一側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)增加，

從而提高以光管表面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)。6.3.2增強(qiáng)傳熱的方法由于擴(kuò)展傳熱面積及加大傳熱溫差常受到一定條件限制，這里探討如何提高傳熱系數(shù)。1)改變流體的流動(dòng)情況2)改變流體的物性3)改變換熱表面情況增強(qiáng)傳熱按是否消耗外界能量分為兩類：＊被動(dòng)式，即不需要直接使用外界動(dòng)力，如加插入物、增加表面粗糙度等；＊主動(dòng)式，如外加靜電場(chǎng)、機(jī)械方法使傳熱表面振動(dòng)等。這些技術(shù)可單獨(dú)使用，也可同時(shí)采用的稱為復(fù)合式強(qiáng)化。圖6.10垢阻與時(shí)間關(guān)系6.3.3熱交換器的結(jié)垢與腐蝕☆結(jié)垢—影響流動(dòng)與傳熱；腐蝕—影響熱交

換器使用壽命。1)污垢類型

結(jié)晶型污垢；沉積型污垢；

生物型污垢；其他2)污垢熱阻

污垢熱阻rs或污垢系數(shù)hs:

rs=δs/λs=1/hs

m2·℃/W＊單位面積上沉積量m，垢阻rs、

垢密度ρs、垢的導(dǎo)熱系數(shù)λs

及沉積厚度δs

之間有以下關(guān)系：

m=ρs

δs=ρsλsrs3)腐蝕類型及腐蝕測(cè)試由于所接觸介質(zhì)的作用使材料遭受損害、性能惡化或破壞的過(guò)程稱為腐蝕。腐蝕產(chǎn)物會(huì)形成污垢；污垢也會(huì)引起腐蝕，因此腐蝕與污垢的形成都不是獨(dú)立的過(guò)程，兩者密切相關(guān)、相互影響。腐蝕種類很多，影響因素也很多。熱交換器的材料、結(jié)構(gòu)、參與熱交換的流體種類、成分、溫度、流速等都影響腐蝕?！罡g類型溶解氧腐蝕；電偶腐蝕；縫隙腐蝕；點(diǎn)腐蝕；應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)；磨損腐蝕；氫危害；微生物腐蝕圖6.12腐蝕率-時(shí)間曲線圖☆腐蝕測(cè)試金屬遭受腐蝕后，其重量、厚度、機(jī)械性能、組織結(jié)構(gòu)等都會(huì)發(fā)生變化。常用深度表示腐蝕率。金屬腐蝕的深度表示法是用單位時(shí)間(通常以年計(jì))的腐蝕深度來(lái)表示腐蝕率，我國(guó)常用單位mm/yr。以深度表示的腐蝕率可按下式計(jì)算：

K1=(m1

–m2

)×24×365×10-3/(Aτρ)=Km

×24×365×10-3/ρ，mm/yr

m1、m2—腐蝕前后掛片質(zhì)量，g；A—掛片表面積，m2；

τ—掛片試驗(yàn)的時(shí)間，h；ρ—掛片密度，g/cm3，對(duì)鋼，

ρ≈7.8g/cm3；Km—以失重表示的腐蝕率，g/(m2·h)。耐腐蝕性分類耐蝕性等級(jí)腐蝕速度，mm/yrⅠ完全耐蝕1<0.001Ⅱ很耐蝕230.001~0.0050.005~0.01Ⅲ耐蝕450.01~0.050.05~0.1Ⅳ尚耐蝕670.1~0.50.5~1.0Ⅴ欠耐蝕891.0~5.05.0~10.0Ⅵ不耐蝕10>10.0表6.1均勻腐蝕的十級(jí)標(biāo)準(zhǔn)4)腐蝕的防止＊加添加劑＊電化學(xué)保護(hù)＊采用耐腐蝕材料

或涂(鍍)層＊改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)＊控制運(yùn)行工況＊熱交換器的清洗

6.4熱交換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介熱交換器優(yōu)化設(shè)計(jì)，是要求所設(shè)計(jì)的熱交換器在滿足一定要求下，一個(gè)或數(shù)個(gè)指標(biāo)達(dá)到最好?！睢敖?jīng)濟(jì)性”常常成為熱交換器優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使這個(gè)目標(biāo)函數(shù)“經(jīng)濟(jì)性”

達(dá)到最佳值，亦即達(dá)到最經(jīng)濟(jì)?！顚?shí)際問(wèn)題要求不同，如有的要求阻力最??；

有的要求傳熱面最小等等，因而就有不同的

目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)F(X)可寫作：

F(X)＝F(x1，x2，…，xn)☆最優(yōu)化問(wèn)題的一般形式可表達(dá)為

minF(X)☆約束條件：hi(X)=0

(i=1，2，…，m)

gj(X)≤0

(j=1，2，…，l)6.5熱交換器性能評(píng)價(jià)一臺(tái)符合生產(chǎn)需要又較完善的熱交換器應(yīng)滿足幾項(xiàng)基本要求：1)保證滿足生產(chǎn)過(guò)程所要求的熱負(fù)荷；2)強(qiáng)度足夠及結(jié)構(gòu)合理；3)便于制造、安裝和檢修；4)經(jīng)濟(jì)上合理。6.5.1熱交換器的單一性能評(píng)價(jià)法☆熱交換器的熱性能，采用了一些單一的熱

性能指標(biāo)，如：冷、熱流體的溫度效率：☆熱交換器效率

(即有效度)

ε=Q/Qmax；☆傳熱系數(shù)

K；☆壓降

Δp。6.5.2傳熱量與流動(dòng)阻力損失相結(jié)合的熱性能評(píng)價(jià)法☆單一地或同時(shí)分別用傳熱量和壓力降的絕對(duì)值大小，難于比較不同熱交換器之間或熱交換器傳熱強(qiáng)化前后的熱性能的高低。較為科學(xué)的辦法應(yīng)該是把兩個(gè)量相

結(jié)合，采用比較這些量的相對(duì)變化的大小。☆以流體消耗單位功率N所得傳遞的熱量Q，即Q/N作為

評(píng)價(jià)熱交換器性能的指標(biāo)。它把傳熱量與阻力損失結(jié)

合在一個(gè)指標(biāo)中加以考慮了，但不足之處是該項(xiàng)指標(biāo)

仍只從能量利用的數(shù)量上來(lái)反映熱交換器的熱性能。6.5.3熵分析法熱力學(xué)第二定律知，對(duì)于熱交換器中的傳熱過(guò)程，由于存在冷、熱流體間的溫差以及流動(dòng)中的壓力損失，必然是一個(gè)不可逆過(guò)程，也就是熵增過(guò)程。雖然熱量與阻力是兩種不同的能量形態(tài)，但是都可以通過(guò)熵的產(chǎn)生來(lái)分析它們的損失情況。本杰(BejanA)提出使用熵產(chǎn)單元數(shù)Ns

(NumberofEntropyProductionUnits)作為評(píng)定熱交換器熱性能的指標(biāo)。他定義Ns

為熱交換器系統(tǒng)由于過(guò)程不可逆性而產(chǎn)生的熵增ΔS與兩種傳熱流體中熱容量較大流體的熱容量Cmax之比，即：

Ns

=ΔS

/

Cmax

(6.24)(6.25)6.5.4火用分析法☆從能源合理利用的角度來(lái)評(píng)價(jià)熱交換器的熱性能，

還可以應(yīng)用火用分析法?！钜詿峤粨Q器的火用效率作為衡量熱交換器熱性能

的指標(biāo)，并定義火用效率為：

式中：E1,i、E1,o—分別為熱流體流入、流出的總火用；

E2,i、E2,

o—分別為冷流體流入、流出的總火用。

可將此火用效率表達(dá)為三種效率的積：