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6 熱交換器的試驗(yàn)與研究,,,6.1 傳熱特性試驗(yàn),6.1.1 傳熱系數(shù)的測(cè)定 在換熱器上進(jìn)行冷、熱水的順、逆流實(shí)驗(yàn)，測(cè)得不同溫度、流量，再進(jìn)行換熱計(jì)算。 熱流體放熱量：Q1 =cp1· m1· (t1′ – t1″) 冷流體吸熱量：Q2 =cp2· m2· (t2″ – t2′) 對(duì)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(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6.3 K=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?。涸囼?yàn)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(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δ5%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)的問題，在整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)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(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。,,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 /λ Re = 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 )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(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?改變管內(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/(mf·cp) (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(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)。,流動(dòng)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(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)。 因而上述情況下總的流動(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 /(1000 η)，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6.7 Δp=f(w)曲線 圖6.8 Eu=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，傳熱量 Q 的增加可以 通過提高傳熱系數(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)就必須分析傳熱過程的每一項(xiàng)熱阻。,可見，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)。,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(zhǎng)率。如設(shè)α1α2，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?，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(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=ρs λs rs,3) 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(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/yrm1、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≈7.8 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(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。 “經(jīng)濟(jì)性”常常成為熱交換器優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過優(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)。 實(shí)際問題要求不同，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(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(píng)價(jià)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(dá)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(qiáng)化傳熱表面的熱交換器熱性能評(píng)價(jià)—縱向比較法 傳熱強(qiáng)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(qiáng)化與未強(qiáng)化時(shí)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(qiáng) 化技術(shù)下，針對(duì)某種目的最佳幾何結(jié)構(gòu)，并進(jìn)而比較 出哪一種強(qiáng)化技術(shù)下的結(jié)果最佳。 這一方法是按強(qiáng)化目的分類，進(jìn)行單項(xiàng)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(shí)用價(jià)值，但還不夠全面。,6.5.6 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析法 上述幾種方法的共同缺點(diǎn)是，它們都只從單一的技術(shù)觀點(diǎn)來評(píng)價(jià)熱性能。 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步必須和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展相結(jié)合。 熱經(jīng)濟(jì)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(jì)參量與環(huán)境的經(jīng)濟(jì)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(jì)量綱表示的答案。 由于熱經(jīng)濟(jì)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。,