《第6章_熱交換器的試驗與研究【《熱交換器原理與設(shè)計》課件】》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《第6章_熱交換器的試驗與研究【《熱交換器原理與設(shè)計》課件】（34頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

6 熱交換器的試驗與研究,,,6.1 傳熱特性試驗,6.1.1 傳熱系數(shù)的測定 在換熱器上進行冷、熱水的順、逆流實驗，測得不同溫度、流量，再進行換熱計算。 熱流體放熱量：Q1 =cp1· m1· (t1′ – t1″) 冷流體吸熱量：Q2 =cp2· m2· (t2″ – t2′) 對數(shù)平均溫差 Δtm：傳熱系數(shù)： K = Q /(F Δtm),圖6.1 水—水管套式熱交換器實驗系統(tǒng) 1 電熱水箱；2 水泵；3、11、12、13、14、19 閥門； 4、10 流量計；5 內(nèi)管；6 套管；7 保溫套；8 冷水箱； 9水泵；15、16、17、18 溫度測點；20 電加熱器,實驗步驟 1) 了解試驗系統(tǒng)、操作方法及測量儀表使用方法。 2) 接通熱水箱電加熱器的電源，將水加熱到預(yù)定溫度。 3) 啟動冷、熱水泵。 4) 根據(jù)預(yù)定的試驗要求，分別調(diào)節(jié)冷、熱水流量達到預(yù)定值，然后維持在此工況下運行。 5) 當(dāng)冷、熱水的進、出口溫度均達穩(wěn)定時，測量并記錄冷、熱水流量及各項溫度值。 6) 改變冷水(或熱水)流量若干次，即改變運行工況，再進行5的測量。 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) 試驗完畢依次關(guān)閉電加熱器、熱水泵及冷水泵等。,圖6.3 K=f(w)曲線,試驗數(shù)據(jù)的整理 1) 傳熱量Q：由于種種原因，試驗測試的冷流體吸熱量不會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 作為實際的傳熱量。 2) 數(shù)據(jù)點選取：試驗過程誤差總是避免不了。為保證結(jié)果的正確性，在數(shù)據(jù)整理時應(yīng)舍取一些不合理的點。通常，工程上以熱平衡的相對誤差：,δ=|Q1–Q2|/[(Q1+Q2 )/2] ≤5% 凡δ5%的點，應(yīng)予舍棄。,3) 傳熱面積：計算傳熱系數(shù)時，有以哪一種表面積為基準(zhǔn)的問題，在整理試驗數(shù)據(jù)時同樣應(yīng)注意這一問題。 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，還應(yīng)比較它們的阻力降ΔP) 5) 為使試驗結(jié)果清晰明了和便于分析，可將測得的數(shù)據(jù)和整理結(jié)果列成表格。,,實驗數(shù)據(jù)記錄,6.1.2 對流換熱系數(shù)的測定對常規(guī)定型結(jié)構(gòu)的換熱器：,Nu = α l /λ Re = w l /v,對新型結(jié)構(gòu)，或已知壁溫；或要求壁溫的場合Q = α (tw – tf )F,1）估算分離法,如，采用水蒸汽管外冷凝 αo一定。 則：Ro + Rw + Rs = R’ 待測定：,一般管內(nèi)流動是處于湍流狀態(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?改變管內(nèi)流速 wi，則可測得一系列總 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)》，湍流時管內(nèi)流體的對流換熱準(zhǔn)則式為：(6.8) 假設(shè)套管環(huán)隙流體的對流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式為：(6.9) 將上兩式改寫成： (6.10)(6.11) 采用平均面積計算傳熱系數(shù)K：(6.12) 以角碼 i 表示試驗點序號，將式 (6.10)、(6.11) 代入上式,再將它改寫為：該式相當(dāng)于一個直線方程：y=a+bx，截距 a=1/c2 及斜率b=1/c1可通過線性回歸求得。 式中的每一個試驗點的值相應(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)定下進行。原理如下： 在流體流入熱交換器傳熱面時，對流體突然進行加熱 (或冷卻)。流體進口溫度將按某種規(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變化是流 體進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，要將實驗測得的流體 出口溫度隨時間的變化與計算所得的曲線簇tf, 2 (τ, NTU)進行配比。通過配比，與實測值 最相吻合的那條流體出口溫度的理論曲線的 NTU值，就是該傳熱面在測定工況下的NTU 值。此處NTU定義為NTU=αF/(mf·cp) (mf — 質(zhì)量流率，cp—流體定壓比熱)，因而可求得 平均對流換熱系數(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。 通過測定試驗前后萘片的重量及沿萘片表面各處的厚度變化、氣流溫度、試驗持續(xù)時間及空氣流量等，計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流熱交換系數(shù)。,6.2 阻力特性試驗熱交換器性能好壞，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)對熱交換器進行阻力特性試驗，一方面測定流體流經(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措施；另一方面為選擇泵或風(fēng)機的容量提供依據(jù)。,流動阻力通常為2.4節(jié)所述的摩擦阻力Δpi 和局部阻力Δp1Δpa=ρ2w22 – ρ1w22 (6.15) 非定溫流情況下，還應(yīng)考慮受熱流體受迫運動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)下沉流動時，壓力降為正；上升流動時，壓力降為負(fù)。 因而上述情況下總的流動阻力為Δp=Δpf +Δp1 +Δpa +Δps (6.17) 根據(jù)計算或測試求得的Δp，再由下式確定所需要的泵或風(fēng)機的功率N：N=VΔp /(1000 η)，kW (6.18)V—體積流量，m3/s；Δp—總阻力，N/m2；η —泵或風(fēng)機效率,圖6.7 Δp=f(w)曲線 圖6.8 Eu=f(Re)曲線,6.3 傳熱強化及結(jié)垢與腐蝕,6.3.1 增強傳熱的基本途徑 根據(jù) Q=KFΔt 可見，傳熱量 Q 的增加可以 通過提高傳熱系數(shù) K、擴展傳熱面積 F、 加大傳熱溫差 Δt的途徑來實現(xiàn)。1) 擴展傳熱面積 F2) 加大傳熱溫差 Δt3) 提高傳熱系數(shù) K 增強傳熱的積極措施是提高傳熱系數(shù)。要改變 傳熱系數(shù)就必須分析傳熱過程的每一項熱阻。,可見，K值比α1和α2值都要小。那么加大傳熱 系數(shù)時，應(yīng)加大哪一側(cè)的換熱系數(shù)更為有效？ 今將K對α1和α2分別求偏導(dǎo)。,偏導(dǎo)數(shù)K1′及K2′分別表示了傳熱系數(shù)K隨α1及α2的增長率。如設(shè)α1α2，則可寫為 α1 =nα2，得：K2′ = n2 K1′ 表明當(dāng) α1=nα2 時候，K值隨α2增長率要比隨α1增長率大n2倍?？梢?，提高α2對增強傳熱更為有效。亦即，應(yīng)該使對流換熱系數(shù)小的那一項增大，才能更有效地增加傳熱系數(shù)。 翅片管能加強傳熱就是針對對流換熱系數(shù)小的一側(cè)加翅片，通過以薄翅片方式來增加傳熱面，也就相當(dāng)于使這一側(cè)的對流換熱系數(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 增強傳熱的方法 由于擴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) 改變流體的流動情況2) 改變流體的物性3) 改變換熱表面情況 增強傳熱按是否消耗外界能量分為兩類： ＊被動式，即不需要直接使用外界動力，如加插入物、增加表面粗糙度等； ＊主動式，如外加靜電場、機械方法使傳熱表面振動等。這些技術(shù)可單獨使用，也可同時采用的稱為復(fù)合式強化。,圖6.10 垢阻與時間關(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=ρs λs rs,3) 腐蝕類型及腐蝕測試 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程稱為腐蝕。 腐蝕產(chǎn)物會形成污垢；污垢也會引起 腐蝕，因此腐蝕與污垢的形成都不是 獨立的過程，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。 腐蝕類型 溶解氧腐蝕；電偶腐蝕；縫隙腐蝕；點腐蝕；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-時間曲線圖,腐蝕測試 金屬遭受腐蝕后，其重量、厚度、機械性能、組織 結(jié)構(gòu)等都會發(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間 (通常以年計) 的腐蝕深度來表示腐蝕率，我國常用單位mm/yr。 以深度表示的腐蝕率可按下式計算：K1=(m1 – m2 )×24×365×10-3/(Aτρ)=Km ×24×365×10-3/ρ， mm/yrm1、m2—腐蝕前后掛片質(zhì)量，g；A—掛片表面積，m2；τ—掛片試驗的時間，h；ρ—掛片密度，g/cm3，對鋼，ρ≈7.8 g/cm3；Km—以失重表示的腐蝕率，g/(m2·h)。,表6.1 均勻腐蝕的十級標(biāo)準(zhǔn),4) 腐蝕的防止 ＊加添加劑 ＊電化學(xué)保護 ＊采用耐腐蝕材料或涂(鍍)層 ＊改進結(jié)構(gòu)設(shè)計 ＊控制運行工況 ＊熱交換器的清洗,6.4 熱交換器的優(yōu)化設(shè)計簡介 熱交換器優(yōu)化設(shè)計，是要求所設(shè)計的熱交換器 在滿足一定要求下，一個或數(shù)個指標(biāo)達到最好。 “經(jīng)濟性”常常成為熱交換器優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。通過優(yōu)化設(shè)計，使這個目標(biāo)函數(shù)“經(jīng)濟性”達到最佳值，亦即達到最經(jīng)濟。 實際問題要求不同，如有的要求阻力最小；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)化問題的一般形式可表達為 minF(X) 約束條件：hi (X)=0 (i=1，2，…，m)gj (X)≤0 (j=1，2，…，l),6.5 熱交換器性能評價 一臺符合生產(chǎn)需要又較完善的熱交換器 應(yīng)滿足幾項基本要求：1) 保證滿足生產(chǎn)過程所要求的熱負(fù)荷；2) 強度足夠及結(jié)構(gòu)合理；3) 便于制造、安裝和檢修；4) 經(jīng)濟上合理。 6.5.1 熱交換器的單一性能評價法 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 傳熱量與流動阻力損失相結(jié)合的熱性能評價法 單一地或同時分別用傳熱量和壓力降的絕對值大小，難于比較不同熱交換器之間或熱交換器傳熱強化前后的熱性能的高低。較為科學(xué)的辦法應(yīng)該是把兩個量相結(jié)合，采用比較這些量的相對變化的大小。 以流體消耗單位功率N所得傳遞的熱量Q，即Q/N作為評價熱交換器性能的指標(biāo)。它把傳熱量與阻力損失結(jié)合在一個指標(biāo)中加以考慮了，但不足之處是該項指標(biāo)仍只從能量利用的數(shù)量上來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，對于熱交換器中的傳熱過程，由于存在冷、熱流體間的溫差以及流動中的壓力損失，必然是一個不可逆過程，也就是熵增過程。 雖然熱量與阻力是兩種不同的能量形態(tài)，但是都可以通過熵的產(chǎn)生來分析它們的損失情況。本杰(Bejan A)提出使用熵產(chǎn)單元數(shù)Ns (Number of Entropy Production Units)作為評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 ?分析法 從能源合理利用的角度來評價熱交換器的熱性能，還可以應(yīng)用?分析法。 以熱交換器的?效率作為衡量熱交換器熱性能的指標(biāo)，并定義?效率為：式中：E1, i、E1, o—分別為熱流體流入、流出的總?；E2, i、E2, o—分別為冷流體流入、流出的總??？蓪⒋?效率表達為三種效率的積：ηe=ηt ηe,T ηe,P 其中：ηt 為熱交換器熱效率，即冷流體的吸熱量 Q2與流體 的放熱量Q1之比 (ηt =Q2 /Q1)，反映了熱交換器的保溫性能。 ηe, T及ηe, P分別為熱交換器的溫度?效率與壓力?效率。,6.5.5 具有強化傳熱表面的熱交換器熱性能評價—縱向比較法 傳熱強化分成三種目的—減少表面積、增加熱負(fù)荷和 減少功率消耗。然后分別在三種不同幾何限制條件下 —幾何狀況固定、流通截面不變、幾何狀況可變， 比較強化與未強化時的某些性能，如傳熱量之比 Q /Qs、功率消耗之比 N /Ns (s代表光管)。 從這些比值的大小可以優(yōu)選出某種確定的傳熱表面強 化技術(shù)下，針對某種目的最佳幾何結(jié)構(gòu)，并進而比較 出哪一種強化技術(shù)下的結(jié)果最佳。 這一方法是按強化目的分類，進行單項性能的比較法 (稱為“縱向比較法”)。比較結(jié)果明確，具有一定的 實用價值，但還不夠全面。,6.5.6 熱經(jīng)濟學(xué)分析法 上述幾種方法的共同缺點是，它們都只從單一的技術(shù)觀點來評價熱性能。 科學(xué)技術(shù)的進步必須和經(jīng)濟的發(fā)展相結(jié)合。 熱經(jīng)濟學(xué)分析法除了研究體系與自然環(huán)境之間的相互作用外，還要研究體系內(nèi)的經(jīng)濟參量與環(huán)境的經(jīng)濟參量之間的相互作用。它以第二定律分析法為基礎(chǔ)，而最后得到的結(jié)果卻能直接地給出以經(jīng)濟量綱表示的答案。 由于熱經(jīng)濟學(xué)分析法牽涉面廣，復(fù)雜，使用中還有許多具體問題有待解決。但應(yīng)該肯定，這是一種目前所提出的各種方法中最為完善的方法。,